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结构稳定理论(研究生).ppt
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1、 (研究生教学用教案研究生教学用教案)湖南科技大学土木工程学院湖南科技大学土木工程学院 钟新谷钟新谷 2008年年10月月.第一节第一节 概论概论一、研究结构稳定问题的意义一、研究结构稳定问题的意义结构稳定是结构安全与经济的主要问题结构稳定是结构安全与经济的主要问题与强度问题具有同等意义与强度问题具有同等意义对于材料、杆系结构、薄壁结构更为重要对于材料、杆系结构、薄壁结构更为重要现代高强材料的应用,结构稳定成为控制问现代高强材料的应用,结构稳定成为控制问题,特别是大跨度拱桥,桁架桥等题,特别是大跨度拱桥,桁架桥等结构可能发生整体和局部失稳,结构失稳是结构可能发生整体和局部失稳,结构失稳是灾难性
2、的灾难性的.二、事故举例二、事故举例19世纪后期世纪后期,钢结构已被广泛应用,不断出现钢结构已被广泛应用,不断出现的事故的事故,促使人们不断地进行试验和研究促使人们不断地进行试验和研究1875年俄罗斯克夫达桥年俄罗斯克夫达桥1907年加拿大魁北克桥年加拿大魁北克桥1925年前苏联莫兹尔桥年前苏联莫兹尔桥1970年澳大利亚墨尔本附近的西门桥年澳大利亚墨尔本附近的西门桥 我国也有类似的事故我国也有类似的事故三、事故的类型:三、事故的类型:压杆失稳(结构中局部杆件失稳,导致结构压杆失稳(结构中局部杆件失稳,导致结构崩溃)崩溃)局部失稳导致结构整体失稳局部失稳导致结构整体失稳整体失稳整体失稳.四、结构
3、稳定问题研究历史四、结构稳定问题研究历史1、18世纪。早在世纪。早在1744年,年,L.欧拉就在他的欧拉就在他的著作曲线的变分法中,用最小位能原理著作曲线的变分法中,用最小位能原理导出弹性直杆的临界荷载公式导出弹性直杆的临界荷载公式 但当时人们还没有认识到欧拉公式的意但当时人们还没有认识到欧拉公式的意义。到了义。到了19世纪后期世纪后期,钢结构已被广泛应用,钢结构已被广泛应用,不断出现的事故不断出现的事故,促使人们不断地进行试验和促使人们不断地进行试验和研究并提出了一些经验公式研究并提出了一些经验公式 2、1889年年F.恩盖塞给出塑性稳定的理论解。恩盖塞给出塑性稳定的理论解。1891年年G.
4、H.布赖恩作简支矩形板单向均匀受布赖恩作简支矩形板单向均匀受压的稳定分析。普兰特尔和米歇尔几乎同时压的稳定分析。普兰特尔和米歇尔几乎同时发表了梁的侧倾问题的研究成果发表了梁的侧倾问题的研究成果.3、.符拉索夫对薄壁杆件空间失稳问题的研究符拉索夫对薄壁杆件空间失稳问题的研究,T.von卡门对板壳结构非线性失稳问题的研究等卡门对板壳结构非线性失稳问题的研究等 4、中国学者钱学森在薄壳稳定理论方面,李国豪在、中国学者钱学森在薄壳稳定理论方面,李国豪在弹性稳定理论及桥梁结构稳定理论方面也都作出了弹性稳定理论及桥梁结构稳定理论方面也都作出了贡献。贡献。5、用有限元法对板、壳结构进行屈曲分析也已有了、用有
5、限元法对板、壳结构进行屈曲分析也已有了长足的进步。然而,关于结构物的屈曲及屈曲后的长足的进步。然而,关于结构物的屈曲及屈曲后的塑性破坏强度的理论分析包括着一系列复杂的问题塑性破坏强度的理论分析包括着一系列复杂的问题 6、残余应力、结构物的弹塑性化及大挠度非线性问、残余应力、结构物的弹塑性化及大挠度非线性问题等题等 7、60年代出现了一门称为突变理论的新学科,正年代出现了一门称为突变理论的新学科,正在被用来描述渐变力产生突变效应的现象,其中也在被用来描述渐变力产生突变效应的现象,其中也包括结构失稳现象。包括结构失稳现象。.上述经典理论研究上述经典理论研究S.P.铁木辛柯(一译铁铁木辛柯(一译铁摩
6、辛柯)等在摩辛柯)等在19071934年间进行了全面的年间进行了全面的总结,所著弹性稳定理论成为结构稳定总结,所著弹性稳定理论成为结构稳定理论的经典著作。理论的经典著作。五、稳定问题的概念与分类五、稳定问题的概念与分类1、稳定问题的概念、稳定问题的概念不稳定平衡不稳定平衡不稳定平衡不稳定平衡随遇平衡随遇平衡随遇平衡随遇平衡稳定平衡稳定平衡稳定平衡稳定平衡不稳定平衡不稳定平衡不稳定平衡不稳定平衡随遇平衡随遇平衡随遇平衡随遇平衡稳定平衡稳定平衡稳定平衡稳定平衡.1)稳定平衡:稳定平衡:偏离平衡位置,总势能增加。偏离平衡位置,总势能增加。2)不稳定平衡:不稳定平衡:偏离平衡位置,总势能减少。偏离平衡
7、位置,总势能减少。3)随遇平衡:随遇平衡:偏离平衡位置,总势能不变。偏离平衡位置,总势能不变。系统当外力作用时系统当外力作用时.2、结构失稳的两种基本形式结构失稳的两种基本形式 1)第一类失稳(分支点失稳):)第一类失稳(分支点失稳):结构变形结构变形产生了性质上的突变,带有突然性。产生了性质上的突变,带有突然性。l/2PPc rl(b)弯曲平衡状态弯曲平衡状态P(a)直线平衡状态直线平衡状态 lP2POP1D(c)荷载荷载位移曲线(位移曲线(P 曲线)曲线)Pc rDCAB.2)第二类失稳(极值点失稳):)第二类失稳(极值点失稳):虽不出现新虽不出现新的变形形式,但结构原来的变形将增大或材的
8、变形形式,但结构原来的变形将增大或材料的应力超过其许可值,结构不能正常工作。料的应力超过其许可值,结构不能正常工作。(a)偏心受压杆偏心受压杆PePPPOPe(b)荷载荷载位移曲线(位移曲线(P 曲线)曲线)Pc rCAB.还存在一类仅发生在扁平二杆桁架或扁还存在一类仅发生在扁平二杆桁架或扁平三铰拱和扁壳的失稳现象,当荷载、变形平三铰拱和扁壳的失稳现象,当荷载、变形达到一定程度时,可能从凸形受压的结构翻达到一定程度时,可能从凸形受压的结构翻转成凹形的受拉结构,这种急跳现象本质上转成凹形的受拉结构,这种急跳现象本质上也属极值点失稳(跳跃屈曲)。也属极值点失稳(跳跃屈曲)。.稳定问题还可分为动力稳
9、定与静力稳定。稳定问题还可分为动力稳定与静力稳定。上述稳定性概念是指静力稳定。动力稳定性上述稳定性概念是指静力稳定。动力稳定性可按能量特征表述为:一个受外荷作用的体可按能量特征表述为:一个受外荷作用的体系,在正阻尼情况下,体系的位能随时间而系,在正阻尼情况下,体系的位能随时间而衰减时,则该体系是动力稳定的;在负阻尼衰减时,则该体系是动力稳定的;在负阻尼情况下,体系的位能随时间而增大,则体系情况下,体系的位能随时间而增大,则体系是动力不稳定的是动力不稳定的。结构稳定理论主要是研究。结构稳定理论主要是研究结构的静力失稳。结构的静力失稳。.3、结构稳定问题分析方法、结构稳定问题分析方法1)静力法)静
10、力法 基于体系出现变形性质不同的平衡分支,建立基于体系出现变形性质不同的平衡分支,建立新平衡状态下的平衡微分方程,求出该微分方程的新平衡状态下的平衡微分方程,求出该微分方程的通解。然后,使它满足问题所给定的边界条件及相通解。然后,使它满足问题所给定的边界条件及相容条件,从而得到一个以某些积分常数为未知量的容条件,从而得到一个以某些积分常数为未知量的线性齐次方程组。其零解对应于原始平衡状态,非线性齐次方程组。其零解对应于原始平衡状态,非零解对应于新的平衡分支。故可令线性齐次方程组零解对应于新的平衡分支。故可令线性齐次方程组有非零解得稳定方程,并由此求出临界荷载。对于有非零解得稳定方程,并由此求出
11、临界荷载。对于比较复杂的问题,其微分方程往往不易直接求解,比较复杂的问题,其微分方程往往不易直接求解,因此常采用渐近法、差分法或其他数值方法。因此常采用渐近法、差分法或其他数值方法。.2)能量法能量法 基于最小位能原理求解。由最小位基于最小位能原理求解。由最小位能原理可知能原理可知,当体系的总位能当体系的总位能的一阶变分等于零的一阶变分等于零,该该体系处于平衡状态。因此,可采用体系处于平衡状态。因此,可采用220的条件的条件确定体系的平衡。体系稳定性的能量标志是:确定体系的平衡。体系稳定性的能量标志是:体系体系的总位能最小时,的总位能最小时,即即220 时,该体系是稳定的;时,该体系是稳定的;
12、总位能为常数时,即总位能为常数时,即220时,该体系处于随遇时,该体系处于随遇平衡;总位能最大时,即平衡;总位能最大时,即220时,体系是不稳时,体系是不稳定的。由此定的。由此,可利用可利用220的条件确定临界荷载,的条件确定临界荷载,常用的方法有直接近似法、里兹法、伽辽金法及有常用的方法有直接近似法、里兹法、伽辽金法及有限元法等。能量法特别适用于求各种复杂问题的近限元法等。能量法特别适用于求各种复杂问题的近似解。似解。.6、主要研究几种结构的稳定问题、主要研究几种结构的稳定问题1)杆(梁)件及组合构件的)杆(梁)件及组合构件的整体稳定问题整体稳定问题单个杆件的弹性轴心受压稳定(不同支承条件,
13、不单个杆件的弹性轴心受压稳定(不同支承条件,不同荷载形式)同荷载形式)理想中心受压杆件的弹塑性屈曲(双模理论与折算理想中心受压杆件的弹塑性屈曲(双模理论与折算模量理论)模量理论)非理想中心受压杆件的稳定问题非理想中心受压杆件的稳定问题构件的整体稳定构件的整体稳定2)梁的侧倾(弯扭失稳)稳定问题(在弯矩作用下,)梁的侧倾(弯扭失稳)稳定问题(在弯矩作用下,或集中荷载作用下)或集中荷载作用下)3)板的稳定问题(受压、受剪)板的稳定问题(受压、受剪)4)拱的稳定问题(平面内失稳定,平面外失稳)拱的稳定问题(平面内失稳定,平面外失稳).5)壳体的稳定问题(失稳的形态,屈曲后强度的利)壳体的稳定问题(失
14、稳的形态,屈曲后强度的利用)用)6)整体与局部的稳定问题)整体与局部的稳定问题7)钢结构焊接残余应力对稳定的影响)钢结构焊接残余应力对稳定的影响8)疲劳失稳)疲劳失稳读书报告读书报告要求:提交纸质文档一份要求:提交纸质文档一份 PPT文件并作报告文件并作报告题目:题目:1)稳定问题的研究历史)稳定问题的研究历史 2)理想中心压杆问题的弹性屈曲)理想中心压杆问题的弹性屈曲 3)稳定问题与强度问题的区别)稳定问题与强度问题的区别 4)工字钢的弯扭失稳的研究)工字钢的弯扭失稳的研究 .第二节第二节 轴心受压杆(梁)件整轴心受压杆(梁)件整体稳定问题体稳定问题.一、单个杆件的弹性轴心受压稳定一、单个杆
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