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第三章 建設(shè)工程的組成與構(gòu)造
知識點三、建筑工程構(gòu)件的基本變形和受力分析
?。ㄒ唬┙ㄖこ虡?gòu)件的基本變形
構(gòu)件在外力作用下的變形有以下四種基本形式,如圖3-3所示。
1.軸向拉伸或壓縮變形[見圖3-3(a)、(b)].在一對方向相反、作用線與構(gòu)件軸心重合的外力作用下,構(gòu)件發(fā)生長度改變(伸長或縮短)。
2.剪切[見圖3-3(c)].在一對相距很近、方向相反的橫向外力作用下,構(gòu)件的橫截面沿外力方向發(fā)生的錯動變形。
3.扭轉(zhuǎn)[見圖3-3(d)].在一對方向相反、位于垂直桿軸線的兩平面內(nèi)的力偶作用下,構(gòu)件的任意兩橫截面發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。
4.彎曲[見圖3-3(e)].在一對方向相反、位于桿軸的縱向平面內(nèi)的力偶作用下,桿件在縱向平面內(nèi)發(fā)生的彎曲變形。
構(gòu)件的變形是多種多樣的,按其變形特點可歸納為以上四種基本變形形式。但工程中的實際構(gòu)件變形更多的是上述幾種基本變形的組合。
?。ǘ┙ㄖ?gòu)件的受力分析
構(gòu)件在上述基本變形狀態(tài)下能否安全工作,主要取決于三個方面:
①作用在構(gòu)件上力的大小。其他條件不變的情況下,施加外力越大,構(gòu)件越不安全。
?、跇?gòu)件的橫截面面積(又稱截面積)的大小。荷載相同、材料相同的情況下,構(gòu)件截面越大越安全。
③構(gòu)件本身材料的力學(xué)性能(材質(zhì))的好壞。材料強度越高,材質(zhì)越好,構(gòu)件越安全。同樣粗細的鐵棒比木棒結(jié)實。
上述三個因素中,外力是破壞因素,而構(gòu)件截面面積和材質(zhì)是抵抗破壞的因素,三者之間數(shù)量關(guān)系的合理,是構(gòu)件安全工作的保障。
此外,受壓桿件還有一個失穩(wěn)問題,例如,相同截面的長桿和短桿,同時受軸向壓力時,隨外力逐漸增大,長桿會先彎曲失穩(wěn)而遭破壞。
分析構(gòu)件受力狀態(tài),也就是分析在外力作用下構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的效應(yīng)及這些效應(yīng)是否會使構(gòu)件遭受破壞。
1.軸向拉(壓)構(gòu)件受力狀態(tài)分析。
在桿件AB的軸線上施加一對拉力P(如圖3-4所示),假設(shè)用一個平面m-m垂直于桿件軸線方向把桿件切斷,在隔離體的全斷面上必然有均布的內(nèi)力與外力P平衡,則P和N必然大小相等,方向相反,也就是說外力有多大,桿件截面上的內(nèi)力就有多大。在相同拉力P作用下,桿件截面越小,單位面積承受的力越大,桿件更易破壞。
作用在桿件單位橫截面面積上的內(nèi)力稱為軸向受拉(壓)桿件的內(nèi)應(yīng)力,拉力產(chǎn)生的應(yīng)力稱為拉應(yīng)力(規(guī)定為正),軸向壓力產(chǎn)生的應(yīng)力稱為壓應(yīng)力(規(guī)定為負)。內(nèi)應(yīng)力可用公式表示:
σ=N/A
依據(jù)每種材料自身的強度,國家規(guī)范都規(guī)定了相應(yīng)的允許強度指標(biāo)。在拉(壓)外力作用下,只要一定截面尺寸的桿件內(nèi)產(chǎn)生的最大應(yīng)力σmax小于桿件材料所允許的拉(壓)強度指標(biāo),桿件就不會破壞。
構(gòu)件截面尺寸由構(gòu)件本身的材質(zhì)所決定。
2.剪切構(gòu)件受力狀態(tài)分析。常見鉚釘、螺栓、銷釘?shù)冗B接件,都是發(fā)生剪切變形的構(gòu)件,稱為剪切構(gòu)件。工程中的梁、板、柱有時也。處于受剪切狀態(tài)。
以鉚釘破壞情況為例,研究受剪構(gòu)件的剪力和剪應(yīng)力。如圖3-5所示,板A以P/3的力(外力P平均加在每一根鉚釘上的力是P/3)作用于鉚釘下半段右側(cè),板B作用于鉚釘上半段左側(cè),為分析內(nèi)力:
桿件的截面面積為A,剪力為Q,將單位截面上的剪力稱為剪應(yīng)力,用符號τ表示:
τ=Q/A
剪應(yīng)力的單位是N/mm2或(MPa)(兆帕斯卡)。
同樣,要保證構(gòu)件有足夠的抗剪強度,必須滿足:τ小于構(gòu)件材料的容許抗剪強度指標(biāo)。
3.受彎構(gòu)件(梁)的受力狀態(tài)分析。
在建筑工程中,兩端搭在墻體上的梁及預(yù)制空心板、門窗過梁、懸挑的陽臺板和雨棚等構(gòu)件,都是以彎曲變形為主的構(gòu)件,從受力角度分析均可稱為梁。
實際工程中,梁、板、柱等構(gòu)件,都有其各自的形狀和尺寸,但在構(gòu)件受力分析時,把一個構(gòu)件抽象簡化成一條粗實線,把構(gòu)件之間的連接也抽象成不同連接形式的結(jié)點和支座。
(1)結(jié)點。結(jié)構(gòu)構(gòu)件互相連接的地方稱為結(jié)點。結(jié)點的實際構(gòu)造方式很多,在選取計算簡圖時,常將其歸納為鉸結(jié)點和剛結(jié)點兩種。
?、巽q結(jié)點。鉸結(jié)點所連接的各個桿件在結(jié)點處不能移動,但可以繞結(jié)點自由轉(zhuǎn)動。
?、趧偨Y(jié)點。剛結(jié)點所連接的各個桿件在結(jié)點處既不能相對移動也不能相對轉(zhuǎn)動,在此點各桿端結(jié)為整體,即在結(jié)點處各個桿件之間的夾角保持不變。剛結(jié)點處除產(chǎn)生桿端軸力和剪切力之外,還有防止相對轉(zhuǎn)動的約束力矩存在。實際工程中,現(xiàn)澆鋼筋混凝土剛架中的結(jié)點常屬于這類情形,。
(2)支座。將結(jié)構(gòu)構(gòu)件與基礎(chǔ)或支承部分相連接的裝置稱為構(gòu)件的支座。它的作用是將結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的位置固定,并將作用于結(jié)構(gòu)上的荷載傳遞到基礎(chǔ)或支承物上。
在實際工程中,支座的類型不同,所產(chǎn)生的約束力也不同。建筑結(jié)構(gòu)中常用的支座可以簡化和抽象為以下四種類型。
①可動鉸支座。如圖3-8(a)所示??蓜鱼q支座既允許構(gòu)件繞著鉸支座任意轉(zhuǎn)動,又允許構(gòu)件沿著鉸支座水平方向移動,但垂直方向不可有任何移動。因此,產(chǎn)生與支承平面垂直的支座反力Fy.這種支座的計算簡圖如圖3-8(b)所示,即可動鉸支座只用一根鏈桿表示。
②固定鉸支座。如圖3-9(a)所示。固定鉸支座只允許構(gòu)件繞著鉸軸任意轉(zhuǎn)動,而不允許構(gòu)件沿著水平與垂直方向移動。因此,它可以產(chǎn)生通過鉸結(jié)點A的任意方向的支座反力,一般將其分解為相互垂直的兩個方向的分力Fx和Fy.這種支座的計算簡圖如圖3-9(b)、(e)所示,即固定鉸支座用兩根相交的支桿表示。
③固定支座。固定支座所支承韻部分 完全被固定,如圖3-11(a)所示。它既不允許構(gòu)件發(fā)生轉(zhuǎn)動,也不允許構(gòu)件發(fā)生任何方向的位移。因此,它可以產(chǎn)生三個約束反力,即水平和豎向分力Fx、Fy和反力矩MA.固定支座的計算簡圖如圖3-11(b)所示。
?、芏ㄏ蛑ё?。如圖3-12(a)所示,定向支座允許構(gòu)件沿著一個方向即支承面方向平行滑動,但不允許結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動,也不允許結(jié)構(gòu)沿垂直于支承面方向移動。因此,它可以產(chǎn)生豎向反力F,和反力矩MA.定向支座的計算簡圖如圖3-12(b)所示,即用兩根平行的鏈桿表示。
?。?)梁的受力分析。不同的支座形式,結(jié)構(gòu)與構(gòu)件受力狀態(tài)不一樣。按照支座情況的不同,梁被分為簡支梁[如圖3-13(a)所示]、懸臂梁[如圖3-13(b)所示]、外伸梁[如圖3-13(C)所示]、連續(xù)梁[如圖3-13(d)所示]等。
下面以簡支梁為例來分析梁的受力狀態(tài)。
均布荷載作用下的簡支梁,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-14(a)所示,梁長為l,荷載為q.梁在荷載作用下發(fā)生彎曲,任意截面受的內(nèi)力可用彎矩Me和剪力Qc來表示[如圖3-14(b)、(c)所示].我們可用圖3-15來說明梁受力破壞的實質(zhì)。設(shè)想梁是由無數(shù)縱向纖維組成,梁受力發(fā)生彎曲變形時,凹的一側(cè)纖維縮短,凸的一側(cè)纖維被拉長。對簡支梁而言,發(fā)生彎曲變形后,梁的上部受壓,下部受拉,而且越靠近梁截面的上邊緣,壓應(yīng)力越大,越靠近梁截面的下邊緣,拉應(yīng)力越大。當(dāng)上、下邊緣的最大壓、拉應(yīng)力σmax超過梁所用材料本身的壓、拉容許強度指標(biāo)時,梁就會遭到破壞。
梁上、下邊緣壓拉應(yīng)力大小與截面處彎矩Mc成正比。截面彎矩M.越大,梁上下邊緣壓、拉應(yīng)力也越大。對于均布荷載作用下的簡支梁,在跨中處彎矩最大;在支座處剪力最大。
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