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1、极限荷载及稳定计算,复习,结构极限荷载,结构稳定计算,结构极限荷载复习,一、基本概念 1、塑性分析：研究理想弹塑系体系，直接寻求结构丧失承 载能力的极限状态，和确定极限荷载。2、作塑性分析采用的假设条件：比例加载(所有荷载保持固定比例,单调增加,不卸载)变形很小，且忽略弹性变形；忽略Q、N对极限弯矩的影响。3、塑性铰及其性质：,塑性铰是达到塑性阶段的截面，极限 弯矩保持不变，相邻截面发生有限转动，挠曲线形成转折。塑性铰的性质：能传递极限弯矩Mu；单向铰，随弯矩 符号的改变而消失。在集中力作用点、刚结点、截面变 化处、固定端、剪力等零处可能会形成塑性铰。,4、破坏机构：,结构出现足够多得塑性铰而
2、成为整体或局部几何可变体系。,静定结构出现一个塑性铰，便成为机构。在一般情况下，n 次超静定结构出现（n+1）个塑性铰后，形成破坏机构。,如能完备的列出来可能的破坏机构，并求出各机构相应的可破坏荷载,刚架各种可能破坏机构,基本机构：,梁机构、,侧移机构、,结点机构,结点机构,组合机构：,将两种或两种以上的基本机构组合。,刚架的基本机构数 m=h n,在不同基本机构中，如某塑性铰转 向相反，组合后该塑性铰闭合。,这种求Pu方法称为比较法（穷举法、机构法）。,多跨连续梁如在各跨内为等截面，且荷载指向相同，只在各跨独立形成破坏机构。,二、基本理论,1）基本定理：P+P,2）唯一性定理:Pu的值是唯一
3、确定的。,3）上限定理(极小定理)：可破坏荷载是极限荷载的上限。或者 说，极限荷载是可破坏荷载中的极小者。,4）下限定理(极大定理)：可接受荷载是极限荷载的下限。或者 说，极限荷载是可接受荷载中的极大者。,可破坏荷载,可接受荷载,极限状态应满足的条件：1）单向机构条件：（当某些截面弯矩达极限弯矩时，能 够沿荷载方向作运动，成为单向机构。）2）屈服条件：（任意截面弯矩不超过极限弯矩。）3）平衡条件：（结构和任意局部能维持平衡。）,确定极限荷载的定理：,试算法：选取一破坏机构，建立平衡方程或虚功方程，求出对应的可 破坏荷载；验算在该荷载下的弯矩分布是否满足屈服条件，若满足,则该 荷载同时也是可接受
4、荷载。由单值定理，此即极限荷载。求可破坏荷载的方法 静力法：利用塑性铰截面的弯矩=极限弯矩，写出联系荷载与极限弯矩的平衡条件求得可破坏荷载。机动法：利用塑性铰处截面弯矩=极限弯矩。令机构发生刚体虚位移，建立虚功方程，计算相应的可破坏荷载。,三、分析方法,确定变截面梁的极限荷载及相应的破坏机构。（a）Mu1=2Mu,（b）Mu1=1.5Mu,解：负塑性铰出现在A点,如 MB=Mu1 则:,当Mu1=2Mu在A、C处形成塑性铰，,当Mu1=1.5Mu在A、B处形成塑性铰，,单跨阶梯形变截面梁:集中力作用在较弱段时负塑性铰 可出现在支座或截面突变处。集中力作用在较强段时正塑性铰 可出现在集中力作用点
5、或截面突 变处。,求连续梁的极限荷载。,解：作出各跨破坏 时的弯矩图,第一跨破坏：,第二跨破坏：,例：图示连续梁各跨横截面的极限弯矩均为Mu 求qu。,解:先计算各跨单独破 坏时的破坏荷载.,各跨单独破坏时的破坏机构.,各跨单独破坏时的极限弯矩图.,第一跨破坏时的q1+,第二跨破坏时的q2+,第三跨破坏时的q3+,试算法求刚架极限荷载,既是可破坏荷载，又是可接受荷载，所以是极限荷载。,例：对图示结构列出各种可能的破坏机构,用试算法求极限荷载。各杆Mu相同,解:1）确定破坏机构数 超静定次数3，可能 出现的塑性铰数5，基本机构数53=2 组合机构一个。,2）选组合机构由静力法计算破坏荷载：,由
6、得：,3）选组合机构或 由机动法计算 破坏荷载：建立虚功方程：,4）检验可破坏荷载是否为可接受荷载,作破坏机构相应的弯矩图,所得弯矩图满足内力局限条件。所以q+既是可破坏荷载是又是可接受荷载，根据唯一性定理，它就是本例的极限荷载：,另解：将塑性铰E取在跨中选组合机构如图 建立虚功方程：,所得结果是精确解的上限。误差为：0.1%,注意:1、对于组合机构用静力法建立平衡条件往往不如机动 法方便。2、如将分布荷载范围内的塑性铰取在中点也会得到令 人满意的结果。,例：求图示刚架的极限荷载。,解：假设破坏机构为：,例：求图示刚架的极限荷载。,解：假设破坏机构为：,将弯矩图折减2/2.04倍，则内力图满足
7、屈服条件，相应的荷载变成为了可接受荷载，,由上、下限定理知：,取平均值为近似解：,上、下限定理可用来求极限荷载的近似解，给出精确解的范围。,结构稳定计算复习,一、稳定问题的分类、特征,分支点失稳,极值点失稳,完善体系(无初曲率无初偏心),非完善体系(有初曲率或初偏心),体系的变形和平衡形式发生质变,平衡形式不发生质变，变形按原有形式迅速增长使结构丧失承载力,二、受压直杆的平衡状态分类、条件、特征,加外干扰，偏离原平衡位置，去外干扰，恢复原平衡位置,稳定平衡,中性平衡,不稳定平衡,PPcr,可能有直线和曲线两种平衡形式,P=Pcr,PPcr,加外干扰，偏离原平衡位置，去外干扰，变形仍然继续增加，
8、直至破坏。,三、分支点失稳问题临界状态的特性,静力特征：能量特征：,平衡形式具有二重性。势能为驻值，位移有非零解。,四、计算方法,1、静力法：,从结构丧失稳定时平衡形式将发生质变这一特征出发，对变形后结构的新平衡位置建立平衡方程，求 Pcr,对 n 个自由度体系的结构，列出新平衡形式下的 n 个独立的平衡 方程（含有 n 个独立位移参数的齐次线性代数方程）。,位移有 非零解,D=0（稳定方程）,最小根即临界荷载Pcr,对无限自由度体系的结构，建立平衡微分方程并求解，利用边界 条件得到一组含有待定常数的奇次线性代数方程。,位移有 非零解,D=0（稳定方程）,最小根即临界荷载Pcr,自由度：确定结
9、构失稳时的变形状态所需的独立参 数的数目 称为结构稳定自由度。,2、能量法：,根据临界状态的能量特征，利用总势能的一阶变分为零，求 Pcr,能量法求得的临界荷载近似解比精确解,大,大,大,大,大,大,有限自由度体系：只用有限个独立参数a1，a2，an即可表示设的失稳变形曲线，总势能：,式中，k为弹性约束的刚度系数；为弹性约束方向发生的位移；P与为外荷载和相应的位移。,无限自由度体系：采用瑞雷里兹法，将无限自由度近似的化为有限自由度处理设弹性曲线为,式中：a1，a2，an 为n个独立参数；i（x）为满足位移边界条件（尽量满足力的边界条件）的已知函数，总势能：,由势能驻值条件得一组含a1，a2，a
10、n 的齐次线性代数方程，使a1，a2，an 不全为零，D=0稳定方程临界荷载,五、几点注意:,当由弯矩M引起的曲线凸向y轴时取负号，反之取正。,2、使用能量法时，假定的失稳变形曲线必须满足几何边界条件和尽量满足力的边界条件。如果用某一横向荷载引起的挠曲线作为失稳曲线，则体系的应变能也可用该荷载的实功来代替。,3、计算时，先判断可能的失稳形式：非对称结构承受任意轴压力或对称结构承受非对称压力，可发生局部失稳或整体失稳，用矩阵位移法求Pcr。结构中除了压杆外其余杆不存在轴向压力下的失稳问题，或对称结构承受对称轴压力可发生对称或反对称失稳取半结构后，可化为弹性支座的压杆稳定问题。,公式中取负号,公式
11、中取正号,反对称失稳时,或：,正对称失稳时,注意：对于某些结构的稳定问题（如局部失稳）常可将其中 压杆取出，以弹性支座代替其它部分对它的作用，同 时并由其余部分求出弹性支承的刚度系数，然后就可 按单根压杆进行计算。,DE柱、CA梁不存在轴向荷载作用下的失稳问题，对AB柱的约束作用可用弹性支座代替,16.2 试用静力法和能量法求图示体系的临界荷载。,1、静力法：1个自由度。,整体平衡：,2、能量法,16.4 试用静力法和能量法求图示体系的临界荷载。,1、静力法：1个自由度。,2、能量法,将图示结构简化成弹性支座压杆，并求刚度系数。,A,B,C,A,k=12i,16.7 设体系对称失稳，试写临界状态的特征方程。,16.8 试写临界状态的特征方程。,例：使用静力法建立图示压杆的稳定方程。,新平衡形式,EI,EI=,M=Py,其通解,边界条件为：,或：,16.9 用静力法求图示压杆的临界荷载。解:,方程系数行列式=0得到特征方程:,16.9 用静力法求图示压杆的临界荷载。,代入例16-4（d）式：,16.11 用能量法求图示压杆的临界荷载。,谢谢大家一年来的支持与合作,再 见,
