建筑力学04.ppt
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1、教学目标 了解轴向拉压杆件的受力、变形特点;了解内力的概念;掌握杆件横截面上的内力计算。熟练绘制杆的轴力图。 教学要求 能够运用截面法求出轴向拉压杆的内力,能正确判断拉压杆内力正负符号,能够正确地绘制内力图。 教学重点 轴向拉压杆内力的计算。绘制杆的轴力图。 教学难点 绘制杆的轴力图。,第4章 轴向拉伸与压缩,4.1 轴向拉伸与压缩的概念,第4章 轴向拉伸与压缩,若杆件所承受的外力或外力合力作用线与杆轴线 重合,杆的主要变形是轴向伸长或缩短,称为 轴向拉伸(Tension )或轴向压缩(Compression )。,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转
2、6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,拔桩机,桥墩,杆件的外力特点:杆件所承受的外力或外力合力 作用线与杆轴线重合。,杆件变形的特点:杆件在外力作用下所有的纵向 纤维都有相同的伸长或缩短, 杆件受拉力作用产生的变形称为轴向拉伸; 杆件受压力作用产生的变形称为轴向压缩。,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思
3、考 返回,第4章 轴向拉伸与压缩,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,4.2 轴向拉(压)杆的内力与轴力图,4.2.1 内力的概念 (Internal force ),其他物体对研究对象的作用力都视为外力, 例如支座反力、荷载等。 物体在外力作用下,内部各质点的相对位置将 发生改变,其质点的相互作用力也会发生变化。 这种由于物体受到外力作用而引起的内力的改 变量,称为“附加内力”,
4、简称为内力。 内力随外力的增大而增大。当内力大到一定限 度时,构件就会破坏,因而内力与构件的强度、 刚度是密切相关的。 内力是建筑力学研究的重要内容。,4.2 轴向拉(压)杆的内力与轴力图,4.2.2 求解内力的基本方法截面法,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,截面法的计算可归纳为: (1)截取在需求内力的截面,用一个假想的 平面将杆件截开将杆分成两部分,任取其中一部 分作为研究
5、对象。 (2)代替将弃去部分对留下部分的作用以截 面上的内力来代替。 (3)平衡对留下的部分建立平衡方程,求出 内力的数值和方向。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,通常规定:轴力使杆件受拉为正,受压为负。,m,m,FNF = 0,由平衡条件列 平衡方程,解方程得,4.2.3 轴力图,用平行于轴线的坐标表示横截面的位置,垂直于杆轴线的坐标表示横截面上轴力的数值,以此表示轴力与横截
6、面位置关系的几何图形,称为轴力图。,作轴力图时应注意以下几点:,1、轴力图的位置应和杆件的位置相对应。轴力的大小,按比例画在坐标上,并在图上标出代表点数值。,2、习惯上将正值(拉力)的轴力图画在坐标的正向;负值(压力)的轴力图画在坐标的负向。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,例题 一等直杆及受力情况如图(a)所 示,试作杆的轴力图。如何调整外力,使杆上 轴力分布得比较合理。,解
7、: 1)求轴力,11截面:,22截面:,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,A,B,C,D,33截面:,(2)按作轴力图的规则,作出轴力图,,(3)轴力的合理分布:,如果杆件上的轴力减小,应力也减小,杆件的强度就会提高。该题若将C截面的外力和D截面的外力对调,轴力图如(f)图所示,杆上最大轴力减小了,轴力分布就比较合理。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力
8、偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,4.3 轴向拉(压)时横截面上的应力,一、应力的概念,内力在一点处的集度称为应力(Stress),应力与截面既不垂直也不相切,力学中总是将它分解为垂直于截面和相切于截面的两个分量,与截面垂直的应力分量称为正应力,与截面相切的应力分量称为剪应力,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10
9、压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,应力的单位是帕斯卡,简称为帕,符号为“Pa”,1kPa=103Pa、1MPa=106Pa、1GPa=109Pa,1MPa=106N/m2=106N/106mm2=1N/mm2,4.3.1 横截面上的应力,平面假设:受轴向拉伸的杆件,变形后横截面(cross-section )仍保持为平面,两平面相对的位移了一段距离。,轴向拉压等截面直杆,横截面上正应力均匀分布,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9
10、 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,正应力与轴力有相同的正、负号,即: 拉应力(Tensile stress )为正, 压应力(Compressive stress )为负。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,例4.2一阶梯形直杆受力如图所示,已知横截面面积为,试求各横截面上的应力。,解: 计算轴力画轴力图,利用
11、截面法可求 得阶梯杆各段的 轴力为F1=50kN, F2=-30kN, F3=10kN, F4=-20kN。 轴力图。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,(2)、计算机各段的正应力,AB段:,BC段:,CD段:,DE段:,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形
12、10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,例4.3 石砌桥墩的墩身高,其横截面尺寸如图所 示。如果载荷,材料的重度,求墩身底部横截面 上的压应力。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,墩身横截面面积:,墩身底面应力:,(压),第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几
13、何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,4.3.2 应力集中(Concentration of stress)的概念,应力集中的程度用最大局部应力,与该截面上的名义应力 的比值表示,比值K称为应力集中因数。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,在设计时,从以下三方面考虑应力集中对
14、 构件强度的影响。,1.在设计脆性材料(Brittle material )构件时,应考虑应力集中的影响。,第4章 轴向拉伸与压缩,2.在设计塑性材料(Plastic material )的静强度问题时,通常可以不考虑应力集中的影响。,3.设计在交变应力作用下的构件时,制造构件的材料无论是塑性材料或脆性材料,都必须考虑应力集中的影响。,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,4.4 轴向拉(压)时的变形,4.
15、4.1 轴向变形与胡克定律,长为 的等直杆,在轴向力作用下,伸长了,线应变(Longitudinal strain )为:,试验表明:当杆内的应力不超过材料的某一 极限值,则正应力和正应变成线性正比关系,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,称为胡克定律,英国科学家胡克(Robet Hooke,16351703) 于1678年首次用试验方法论证了这种线性关系 后提出的。,胡克定律:,
16、EA称为杆的拉压刚度,上式只适用于在杆长为l长度内F 、N、E、A 均为常值的情况下,即在杆为l长度内变形是均匀的情况。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,4.4.2 横向变形、泊松比,则横向正应变为:,当应力不超过一定限度时,横向应变 与轴向应变 之比的绝对值是一个常数。,法国科学家泊松(17811840) 于1829年从理论上推演得出的结果。,横向变形因数或泊松比,表4-1给
17、出了常用材料的E、 值。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,表4.1 常用材料的E 、 值,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,4.4.3 拉压杆的位移,等直杆在轴向
18、外力作用下,发生变形,会 引起杆上某点处在空间位置的改变,即产 生了位移(Displacement )。,F1=30kN,F2 =10kN , AC段的横截面面积,AAC=500mm2,CD段的横截面面积 ACD=200mm2,弹性模量E=200GPa。 试求:,(1)各段杆横截面上的内力和应力; (2)杆件内最大正应力; (3)杆件的总变形。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,
19、解:(1)、计算支反力,=20kN,(2)、计算各段杆件 横截面上的轴力,AB段: FNAB=FRA=20kN,BD段: FNBD=F2=10kN,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,(3)、画出轴力图,如图(c)所示。,(4)、计算各段应力,AB段:,BC段:,CD段:,(5)、计算杆件内最大应力,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4
20、轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,(6)计算杆件的总变形,整个杆件伸长0.015mm。,=0.015mm,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,例4.5 图示托架,已知, 圆截面钢杆 AB的直径 ,杆BC是工字钢,其横 截面面积为 ,钢材的弹性模量
21、,杆BC是工字钢,求托架在F力 作用下,节点B 的铅垂位移和水平位移?,解: (1)、取节点B为研究对象,求两杆轴力,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,(2)、求AB、BC杆变形,(3)、求B点位移,利用几何关系求解。,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 1
22、0压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,水平位移:,铅垂位移:,总位移:,第4章 轴向拉伸与压缩,0 绪论 1 力学基础 2 力矩与力偶 3 平面力系 4 轴向拉压 5 扭转 6 几何组成 7 静定结构 8 梁弯曲应力 9 组合变形 10压杆稳定 11位移计算 12力法 13位移法及力矩分配法 14影响线 练习 思考 返回,4.5 材料在拉伸与压缩时的力学性能,材料的力学性能: 是材料在受力过程中表现出的各种物理性质。,在常温、静载条件下,塑性材料和脆性材 料在拉伸和压缩时的力学性能。,4.5.1 标准试样,试样原始标距与原始横截面面积 关系者
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