建筑中的力学概念
建筑中的力学概念
王男 1206013004
指导教师:赵扬
摘要: 现在随着社会经济的发展,生活中应用到材料力学的知识越来越多,在建筑中应用的显得尤为重要,当然在各种液压机械活塞杆、机床的丝杆等等,都有平衡构件的刚度,强度,稳定性问题。本文主要就是根据这些方面对建筑中的强度,刚度,以及稳定性做一些讨论和研究。 关键词:刚度 强度 稳定性 弯矩 许用应力 集中荷载
引言
工程实践中对大量的构件都有刚度,强度以及稳定性的要求。例如,梁上各点受力后产生的变形组成一条曲线,即挠曲线:冲床曲轴不可折断,储气罐不应爆裂;一些受压力作用的细长杆,如千斤顶的螺杆、内燃机的挺杆等,应始终保持原有的直线平衡形态,保证不被压弯。
1.强度、刚度、稳定性的概念
强度: 金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的性质不同,主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等,工程常用的是屈服强度和抗拉强度刚度
刚度:受外力作用的材料、构件或结构抵抗变形的能力。材料的刚度由使其产生单位变形所需的外力值来量度。
稳定性:当一个实际的系统处于一个平衡的状态时(就相当于小球在木块上放置的状态一样)如果受到外来作用的影响时(相当于上例中对小球施加的力),系统经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态,我们称这个系统就是稳定的,否则称系统不稳定。
2.怎么样来衡量工件的承载能力?
材料力学中通常用强度、刚度、稳定性来衡量工件的承载能力。要求工件有足够的强度、刚度和稳定性。强度是指工件在外来载荷的作用下抵抗破坏的能力;刚度是指工件在外来载荷的作用下抵抗变形的能力;稳定性是指工件保持其原有的平衡形态的能力。其中,稳定性是针对细长杆提出的。例如:对于细长杆,当压力增加到某一数值时,
直杆就会由原来的直线平衡形态突然变弯。对于这种细长杆,要求它们在工作中始终保持原有的直线平衡形式。也就是要求工件具有足够的稳定性。从设计的角度来说,材料力学的任务就是通过对构件的强度、刚度和稳定性的研究,找出构件的形状、尺寸以及所用材料的机械性质和所受荷载之间的关系,从而在既安全由经济的前提下,为构件选择适当的材料、合理的截面形状;从加工的角度来说,就是通过对强度、刚度、稳定性的研究,了解设计者的初衷,在操作过程中防止出现材料的破坏和超范围的变形
3.强度、刚度、稳定性的表示方法
强度通常用单位面积上所承受的载荷来表示,称为应力。在设计过程中,应使材料满足强度条件,即:材料的应力小于等于许用应力σ≤[σ]。
刚度通常用变形来表示,例如可以用伸长量、弯曲的角度、弯曲处的最大直线距离等来表示。
稳定性通常用临界压力来衡量,对于细长杆来说,作用在压杆上的力,随着外力的增加,细长压杆原有直线状态平衡会从稳定的平衡过渡到不稳定的平衡。当压力达到一定数值时,压杆处于稳定平衡状态,当压力超过这个数值时,压杆处于不稳定状态。这个使得压杆从稳定平衡状态过渡到不稳定平衡状态的压力叫做临界压力。它是压杆由原来直线平衡状态转变为微弯状态时的压力值,也是压杆开始丧失稳定平衡状态时的压力值
4.提高梁抗弯强度的途径
(1)选择合理的截面形状
1)根据抗弯截面模量与截面面积的比值选择截面。
工字形、槽形截面比矩形截面合理,矩形截面比圆形截面合理。
2)根据材料特性选择截面
对于抗拉和抗压强度相等的塑性材料,一般采用对称于中性轴的截面,如矩形、工字形、圆形等截面,使得上、下边缘的最大拉应力和最大压应力相等,同时达到材料的许用应力值,比较合理。
对于抗拉和抗压强度不相等的脆性材料,最好选择不对称于中性轴的截面,如T字形、槽形(平放)等截面。使得截面受拉、受压的边缘到中性轴的距离与材料的抗拉、抗压的许用应力成正比。
(2)合理安排梁的受力状态,以降低弯矩最大值
1)合理布置梁的支座
以简支梁受均布荷载作用为例,若将两端支座各向中间移动0.2l则最大弯矩将减小为前者的1/5,梁的截面尺寸就可大大地减小。
2)适当增加梁的支座
由于梁的最大弯矩与梁的跨度有关,所以适当增加梁的支座,可以减小梁的跨度,从而降低最大弯矩值。在可能的条件下,将集中荷载分散布置,可以降低梁的最大弯矩。
(3)采用变截面梁
为了充分利用材料,应当在弯矩较大处采用较大的截面,弯矩较小处采用较小的截面,使梁的各截面不相同。这种横截面沿着轴线变化的梁称为变截面梁。若使每一横截面上的最大正应力都恰好等于材料的许用应力[ζ],这样的梁称为等强度梁。等强度梁的Wz和M成正比变化。
总 结
若构件截面尺寸不足或形状不合理,或材料选用不当,将不能满足工程需求,从而不能保证工程结构或机械的安全工作。想反,也不应不恰当地加大横截面尺寸或选用优质材料,这虽满足了工程要求,却多用了材料、增加了成本,造成浪费。材料力学的任务就是在满足强度、刚度和稳定性要求的前提下,为设计既经济又安全的构件,提供必要的理论基础和计算方法。我在学习了一个学期的材料力学之后深感材料力学与我们的生活息息相关,密不可分,生活中如果没有了材料力学那么许多事情将无法进行,所以我要努力学材料力学为以后建设我国打下坚实的基础。
参 考 文 献
1 王杏根等主编,工程力学实验,华中科技大学出版社,2002
2 苏翼林主编,材料力学,天津大学出版社,2001
3 徐道远主编,材料力学,河海大学出版社,2001
4 陈建桥主编,材料力学,华中科技大学出版社,2001
5 武建华编,材料力学,重庆大学出版社,2002
6 刘鸿文等编,材料力学实验(第2版),高等教育出版社,1998