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杆件承受轴向拉压、弯曲与扭转变形时绝大多数情况下将发生强度失效或刚度失效;承受压缩变形的杆件,除了强度和刚度失效,还可能失去稳定性。
  什么是受压杆件的稳定性?按照什么准则进行设计,才能保证压杆安全可靠地工作,这是工程常规设计中必须面对的问题。
  本章着重介绍关于受压杆件平衡稳定性等基本概念,压杆临界力分析的思路,以及不同类型压杆的不同失效形式和临界力计算公式及其相应的设计准则。
  1 关于压杆平衡稳定性和临界载荷等的概念和定义
  压杆平衡稳定性的概念——承受中心受压的理想直杆,当压力小于一定数值时,在任意小扰动下,压杆偏离原来的直线平衡位置(例如产生微弯),当扰动除去后,压杆又能回复到原来的直线平衡位置。则称原来的直线位置平衡是稳定的。当压力超过一定数值时,扰动除去后,压杆不能回复到原来的直线平衡位置,则称原来的直线平衡位置是不稳定的。
   临界状态与临界载荷——介于稳定和不稳定之间的平衡状态为临界状态,压杆在临界状态下的压力载荷称为“临界载荷”或“临界力”。它是压杆保持稳定的直线平衡的最高载荷。
  失稳——当压力大于临界力时,在外界扰动下,压杆由直线平衡位置转变为弯曲平衡位置,这种现象称为“失稳”或“屈曲”。

2 压杆临界载荷及其影响因素
  对于细长杆,应用小挠度微分方程,得到临界载荷的计算公式为FPcr=п2EI/(μl)2式中:μl——称相当长度。其中μ值反映压杆支承方式对 FPcr值的影响,称为“长度折算系数”。常见的各种支承方式的压杆,其失稳情况及长度折算系数FPcr 见下表。

支承方式
两端铰交
一端固定一端自由
两端固定
一端固定一端铰支






μ
1
2
0.5
0.7
FPcr
п2EI/l2
п2EI/(2l)2
п2EI/(0.5l)2
п2EI/(0.7μl)2
I——丧失稳定发生弯曲时,压杆横截面对弯曲中性轴的惯性轴,如果截面各方向惯性矩不等时,则应取最小值I=Imin 。 这一公式只适用于弹性范围,而只有细长杆才能满足这一条件。
3 三类不同压杆与临界应力总图
  临界应力与柔度
  压杆处于临界状态维持直线平衡状态时(FP=FPcr ),其横截面上的正应力称为临界应力。
  σcr=FPcr/A
  压杆的柔度是反映支承方式、杆长以及截面几何性质对临界力影响的物理量,由下式计算λ=μl/i
  其中 i=(I/A)1/2,i 称为截面的惯性半径。
  三类不同压杆的临界应力的表达式
  不同的压杆,失效形式不同。对于细长杆,由于失稳而失效;对于粗短杆,则由于强度不足而失效;介于二者之间的中长杆,则由失稳而失效,但已发生塑性变形,故为弹塑性失稳。三类压杆的临界载荷FPcr以及临界应力σcr 的计算式各不相同。
  对于细长杆: σcr=п2E/λ2  FPcr=п2EI/(μl)2
  对于中长杆: σcr
=a-bλ  FPcr=(a-bλ)A
  对于粗短杆:σcr=σr(塑性材料)  σcr=σb(脆性材料)
        FPcr=σrA    FPcr
bA
   根据柔度区分三类不同的压杆
   λ≥λp者为细长杆; λr≤λ<λp者为中长杆; λ<λr 者为粗短杆;

临界应力总图
  将上述三类压杆的不同的临界应力表达式用图形表示,称为“临界应力总图”,并列于下表中。







柔度的判别
小柔度
中柔度
大柔度
λ的数值
λ<λr
λr≤λ<λp
λ≥λp
临界应力公式
按强度问题处理
σcr= σ σcr= σb
直线式经验公式
σcr=a-bλ
欧拉公式
σcr=п2E/λ2
4 压杆稳定安全校核——安全系数法
  为了保证压杆在轴向压力FP作用下平衡是稳定的,并且具有一定安全系数,要求满足下列条件:FPFPcr/ncr
  其中FP称为工作载荷。上式还可写成:σσcr/ncr=[σ]cr
式中σ=FP/A 称为工作应力;[σ]cr 称为“稳定许用应力”;ncr 称为“稳定安全系数”。
  建筑工程设计计算中,通常将上述安全条件写成安全系数的形式:noncr。其中no=σcr/σ 称为“工作安全系数”。这种方法称为“安全系数法”。