2015二級建造師考試輔導：《機電工程管理與實務》（13）

　　2G311082 桿件強度的計算方法

　　1．桿件的內(nèi)力

　　桿件的種類很多，工程上一般將它們概括為實心或厚壁截面桿和薄壁截面桿、直桿和曲桿、等截面桿和變截面桿等。

　　桿件的強度是通過應力這個物理量來度量的。為了確定這些應力，一般需先求出桿件橫截面上的內(nèi)力分量，即截面上分布內(nèi)力對某選定坐標系簡化所得的主向量及主矩的分量。

　　確定桿件內(nèi)力的一般方法是截面法和利用平衡條件。

　　在分析復雜受力桿件的內(nèi)力時，也可以先將外力進行適當?shù)暮喕?，把桿件分為幾個簡單的受力桿件分別計算其內(nèi)力，然后相疊加。這就是工程常用的內(nèi)力疊加法。

　　為了表示內(nèi)力沿桿長的變化規(guī)律，可以將內(nèi)力表示成坐標x的函數(shù)，稱為內(nèi)力方程式。

　　工程上除了以內(nèi)力方程描述桿件內(nèi)力的變化規(guī)律外，更多的是使用作圖方式，因為圖形更能形象地表示內(nèi)力沿軸線的變化和危險截面的位置。內(nèi)力圖包括剪力圖、彎矩圖、扭矩圖、軸向力圖，其中軸向力圖和扭矩圖一般都很簡單。

　　2．桿件強度分析

　　在求得桿件內(nèi)力的基礎(chǔ)上，為了確定其強度，還需進一步分析它的應力。

　　桿件應力的精確理論是相當復雜的，但材料力學就是要對常見的典型構(gòu)件建立一些簡單、實用的應力近似計算公式，作為評定工程結(jié)構(gòu)強度的依據(jù)。因此，在一般情況下都采取假設(shè)來簡化應力分析。這些假設(shè)是有實驗依據(jù)的，由此得出的近似理論公式也已受到實踐的檢驗。

　　桿件的整體變形，大致可歸納為三種基本形式：桿件軸向伸長或縮短、軸線的彎曲、橫截面繞軸線的扭轉(zhuǎn)，簡稱拉伸或壓縮：彎曲、扭轉(zhuǎn)。桿件的復雜變形都可看作是這三種基本變形的組合。對應這三種變形，桿內(nèi)各單元都有應力作用。拉伸（壓縮）時，桿的橫截面上只有正應力，沒有剪應力；彎曲時，橫截面上主要的還是正應力，剪應力一般是個小量；而扭轉(zhuǎn)變形時，實心桿件的橫截面上主要是剪應力。

　　3．桿件的強度計算

　　應力分析的目的是對工程構(gòu)件進行強度評定。評定工作大致包括下列幾個方面：

　　● 分析桿內(nèi)的主要和次要應力。

　　● 分析內(nèi)力，作內(nèi)力圖，確定危險面，并根據(jù)截面上應力分布確定最大應力作用位置。

　　● 求出危險單元上的工作應力，即桿件在正常工作時，工作外力所產(chǎn)生的應力值。

　　● 由實驗或設(shè)計規(guī)范、手冊，確定材料的“破壞”應力。

　　● 建立桿件安全或“破壞”的判別條件，以判斷桿件是否能正常工作。

　　在一般情況下，桿件的橫截面上會有正應力和剪應力作用。剪應力又可分為彎曲剪應力和扭轉(zhuǎn)剪應力兩類。前者在有橫向力作用時與彎曲正應力同時出現(xiàn)，對細長桿來說，彎曲剪應力是個小量。對于實心截面桿，一般可以不考慮彎曲剪應力對桿件強度的影響。但對一些抗剪能力特別差的材料，例如順紋木材，除了應按正應力來判斷桿件強度外，還應按剪應力來檢驗它的安全。

　　對于一些薄壁截面，例如工字形截面，在腹板最高處的彎曲正應力和剪應力都相當大，這時應考慮該處的單元在兩種應力共同作用下的強度問題。

　　從桿件橫截面上的彎曲正應力和扭轉(zhuǎn)剪應力的分布可以看出，桿件的危險單元一般都在截面的邊界處，具體位置要根據(jù)截面形狀和內(nèi)力的實際方向確定。

　　桿件是由各種材料制成的，而材料能承受的應力值是有限度的，如超過承載能力，桿件將不能正常工作。因此，在設(shè)計規(guī)范和有關(guān)手冊中，對各種材料在某種工作的條件下，規(guī)定了保證不同材料安全工作的最大應力值，稱為許用應力。

　　桿件的拉伸壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種基本變形的強度計算。

　　（1）桿件軸向拉伸或壓縮時的強度計算

　　為了保證桿件在外力的作用下能夠正常工作，必須使材料截面上的實際應力（工作應力）不超過材料的許用應力，即

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　　上式稱為桿件軸向拉伸或壓縮時的強度條件。

　　式中 N——危險截面的內(nèi)力；

　　A——危險截面的截面面積。

　　利用強度條件，可以解決以下三大問題。

　　● 強度校核

　　需要判斷某已知桿件安全可靠，可根據(jù)已知載荷戶和橫截面面積A計算出桿件橫截面上的工作應力口，然后再與材料的許用應力相比較。

　　● 設(shè)計截面尺寸

　　若桿件承受的載荷是已知的，所選的材料是確定的，需要設(shè)計構(gòu)件截面的具體尺寸，可根據(jù)已知載荷和所用材料的許用應力[f）求得構(gòu)件所需截面積的大小。

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　　所需面積大小確定后，再按照結(jié)構(gòu)的用途和性質(zhì)確定截面的形狀，計算出截面的具體尺寸。

　　● 計算許可載荷

　　如果受拉或受壓桿件的橫截面積A和許用應力[o）都是已知的，則可求出桿件所能承受的最大軸力為

　　（2G311082—3）

　　然后確定許可載荷。

　　（2）桿件剪切的強度計算

　　● 剪切強度

　　為了保證桿件在工作中不被剪斷，必須使桿件的工作剪應力（工作應力）不超過材料的許用剪應力，即

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　　就是剪切強度條件。

　　● 擠壓強度

　　為了保證桿件不產(chǎn)生局部擠壓，必須滿足工作擠壓應力不超過材料的許用擠壓應力。

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　　即擠壓強度條件。

　?。?）桿件扭轉(zhuǎn)的強度計算

　　為了使軸扭轉(zhuǎn)時能正常的工作，必須使其工作時最大剪應力不超過材料的許用剪應力。

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　　為圓軸扭轉(zhuǎn)時的強度條件。

　?。?）桿件彎曲的強度計算

　　● 梁的正應力強度條件

　　為使梁能正常的工作，必須使其工作時最大應力不超過材料彎曲時的許用應力。

　　（2G311082—7）

　　即彎曲正應力的強度條件。

　　● 梁的剪應力強度條件

　　為使梁能正常的工作，必須使其工作時最大剪應力不超過材料彎曲時的許用剪應力。

　　（2G311082—8）

　　即彎曲的剪應力的強度條件。

　　4．提高桿件承載能力的方法

　　從強度條件看，可從三個方面來提高桿件的強度：一是降低桿件危險面上的內(nèi)力值；二是研究桿件截面的幾何性質(zhì)，找出一個更合理的截面形狀；三是選擇更好的材料。關(guān)于結(jié)構(gòu)材料的選用，一直是工程中一個極其重要的問題。隨著生產(chǎn)、科學的發(fā)展，新型材料、優(yōu)質(zhì)材料的研究和應用已形成了一種專門的學科。

　?、俳档蜅U件的內(nèi)力

　　降低最大彎矩不是靠簡單地減少外力負荷，而是通過改變結(jié)構(gòu)支承和形式等多種途徑，以達到提高強度的目的。

　　● 在梁上增加中間支承，相當于在原來的彎矩上疊加一個反向的彎矩，這將大大降低原梁中的最大彎矩值。

　　● 把梁改為拱形，其承載能力將會大大提高。與它對應的均勻分布壓應力將降低彎矩產(chǎn)生的拉應力，這對由脆性材料制成的拱結(jié)構(gòu)的強度是有利的。

　　以上只是舉例說明降低危險面上的內(nèi)力，提高桿件強度的一些方法。這些方法怎樣選用，能否實現(xiàn)，都必須結(jié)合實際進行全面分析。從強度來考慮是合理的，對于加工、安裝、或其他方面并非都合理；對某個桿件有利的，對其他構(gòu)件不一定有利。因此，必須從各個方面全面考慮，找出比較好的設(shè)計方案。

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　　桿件的內(nèi)力沿桿長通常是不均勻的。除了危險面上的應力外，其他大部分地區(qū)中的應力都低于材料的許用應力，從強度觀點來看，那里的材料都未被充分利用。因此，為了節(jié)省一些大型構(gòu)件的材料或減輕它的重量，可以把桿件按等強度的概念設(shè)計為變截面的。

　　例題： 對于工字形截面的梁，在彎曲變形時，由于其腹板最高處的（ ）均較大，所以需要驗算在該處的單元在兩種應力共同作用下的強度問題。

　　A. 拉應力和扭轉(zhuǎn)剪應力 B．拉應力和壓應力

　　C. 彎曲正應力和剪應力 D．壓應力和扭轉(zhuǎn)剪應力

　　答案：C

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