《材料力学》第9章 压杆稳定 习题解

1第九章压杆稳定习题解[习题9-1]在§9-2中已对两端球形铰支的等截面细长压杆，按图a所示坐标系及挠度曲线形状，导出了临界应力公式22lEIPcr。试分析当分别取图b,c,d所示坐标系及挠曲线形状时，压杆在crF作用下的挠曲线微分方程是否与图a情况下的相同，由此所得crF公式又是否相同。解：挠曲线微分方程与坐标系的y轴正向规定有关，与挠曲线的位置无关。因为（b）图与（a）图具有相同的坐标系，所以它们的挠曲线微分方程相同，都是)(xMEIw。（c）、(d)的坐标系相同，它们具有相同的挠曲线微分方程：)(xMEIw，显然，这微分方程与（a）的微分方程不同。临界力只与压杆的抗弯刚度、长度与两端的支承情况有关，与坐标系的选取、挠曲线的位置等因素无关。因此，以上四种情形的临界力具有相同的公式，即：22lEIPcr。2[习题9-2]图示各杆材料和截面均相同，试问杆能承受的压力哪根最大，哪根最小（图f所示杆在中间支承处不能转动）？解：压杆能承受的临界压力为：22).(lEIPcr。由这公式可知，对于材料和截面相同的压杆，它们能承受的压力与原压相的相当长度l的平方成反比，其中，为与约束情况有关的长度系数。（a）ml551（b）ml9.477.0（c）ml5.495.0（d）ml422（e）ml881（f）ml5.357.0（下段）；ml5.255.0（上段）故图e所示杆crF最小，图f所示杆crF最大。[习题9-3]图a,b所示的两细长杆均与基础刚性连接，但第一根杆（图a）的基础放在弹性地基上，第二根杆（图b）的基础放在刚性地基上。试问两杆的临界力是否均为2min2).2(lEIPcr？为什么？并由此判断压杆长因数是否可能大于2。3螺旋千斤顶（图c）的底座对丝杆（起顶杆）的稳定性有无影响？校核丝杆稳定性时，把它看作下端固定（固定于底座上）、上端自由、长度为l的压杆是否偏于安全？解：临界力与压杆两端的支承情况有关。因为(a)的下支座不同于(b)的下支座，所以它们的临界力计算公式不同。(b)为一端固定，一端自由的情况，它的长度因素2，其临界力为：2min2).2(lEIPcr。但是，(a)为一端弹簧支座，一端自由的情况，它的长度因素2，因此，不能用2min2).2(lEIPcr来计算临界力。4为了考察（a）情况下的临界力，我们不妨设下支座（B）的转动刚度lEIMC20，且无侧向位移，则：)()(wFxMEIwcr令2kEIFcr，得：22kwkw微分方程的通解为：kxBkxAwcossinkxBkkxAkwsincos'由边界条件：0x，0w，CFCMwcr'；lx，w解得：CkFAcr，B，klklCkFcrcossin整理后得到稳定方程：20/tanlEICklkl用试算法得：496.1kl故得到压杆的临界力：222)1.2()496.1(lEIlEIFcr。因此，长度因素可以大于2。这与弹性支座的转动刚度C有关，C越小，则值越大。当0C时，。螺旋千斤顶的底座与地面不是刚性连接，即不是固定的。它们之间是靠摩擦力来维持相对的静止。当轴向压力不是很大，或地面较滑时，底座与地面之间有相对滑动，此时，不能看作固定端；当轴向压力很大，或地面很粗糙时，底座与地面之间无相对滑动，此时，可以看作是固定端。因此，校核丝杆稳定性时，把它看作上端自由，下端为具有一定转动刚度的弹性支座较合适。这种情况，2，算出来的临界力比“把它看作下端固定（固定于底座上）、上端自由、长度为l的压杆”算出来的临界力要小。譬如，设转动刚度lEIMC20，则：1025.121.222弹簧固端crcrPP，弹簧固端,1025.1crcrPP。因此，校核丝杆稳定性时，把它看作下端固定（固定于底座上）、上端自由、长度为l的压杆不是偏于安全，而是偏于危险。[习题9-4]试推导两端固定、弯曲刚度为EI，长度为l的等截面中心受压直杆的临界应力crP的欧拉公式。5[解]：设压杆向右弯曲。压杆处于临界状态时，两端的竖向反力为crP，水平反力为0，约束反力偶矩两端相等，用eM表示，下标e表示端部end的意思。若取下截离体为研究对象，则eM的转向为逆转。ecrMxvPxM)()()()(xvPMxMEIvcreecrMxvPEIv)(EIMxvEIPvecr)(，令EIPkcr2，则EIPkcr12crePMkvkv22上述微分方程的通解为：crePMkxBkxAvcossin…………………………….(a)kxBkkxAkvsincos'边界条件：①0x；0v：crePMBA0cos0sin0；crePMB。②0x0'v：0sin0cos0BkAk；0A。把A、B的值代入（a）得：)cos1(kxPMvcrekxkPMvcresin'边界条件：③Lx；0v：)cos1(0kLPMcre，0cos1kL④0x0'v：kLkPMcresin00sinkL以上两式均要求：nkL2，,......)3,1,0(n6其最小解是：2kL，或Lk2。故有：EIPLkcr222)5.0(，因此：22)5.0(LEIPcr。[习题9-5]长m5的10号工字钢，在温度为C00时安装在两个固定支座之间，这时杆不受力。已知钢的线膨胀系数107)(10125Cl，GPaE210。试问当温度升高至多少度时，杆将丧失稳定性？解：[习题9-6]两根直径为d的立柱，上、下端分别与强劲的顶、底块刚性连接，如图所示。试根据杆端的约束条件，分析在总压力F作用下，立柱可能产生的几种失稳形态下的挠曲线形状，分别写出对应的总压力F之临界值的算式（按细长杆考虑），确定最小临界力crP的算式。解：在总压力F作用下，立柱微弯时可能有下列三种情况：（a）每根立柱作为两端固定的压杆分别失稳：7（b）两根立柱一起作为下端固定而上端自由的体系在自身平面内失稳失稳时整体在面内弯曲，则1，2两杆组成一组合截面。（c）两根立柱一起作为下端固定而上端自由的体系在面外失稳故面外失稳时crP最小：243128lEdPcr。[习题9-7]图示结构ABCD由三根直径均为d的圆截面钢杆组成，在B点铰支，而在A点和C点固定，D为铰接点，10dl。若结构由于杆件在平面ABCD内弹性失稳而丧失承载能力，试确定作用于结点D处的荷载F的临界值。解：杆DB为两端铰支，杆DA及DC为一端铰支一端固定，选取。此结构为超静定结构，当杆DB失稳时结构仍能继续承载，直到杆AD及DC也失稳时整个结构才丧失承载能力，故82024.36lEI[习题9-8]图示铰接杆系ABC由两根具有相同截面和同样材料的细长杆所组成。若由于杆件在平面ABC内失稳而引起毁坏，试确定荷载F为最大时的角（假设20）。解：要使设计合理，必使AB杆与BC杆同时失稳，即：cos22,FlEIPABABcrsin22,FlEIPBCBCcr22cot)(tancossinBCABllFF)arctan(cot2[习题9-9]下端固定、上端铰支、长ml4的压杆，由两根10号槽钢焊接而成，如图所示，并符合钢结构设计规范中实腹式b类截面中心受压杆的要求。已知杆的材料为Q235钢，强度许用应力MPa170][，试求压杆的许可荷载。解：查型钢表得：m9[习题9-10]如果杆分别由下列材料制成：（1）比例极限MPaP220，弹性模量GPaE190的钢；（2）MPaP490，GPaE215，含镍3.5%的镍钢；（3）MPaP20，GPaE11的松木。试求可用欧拉公式计算临界力的压杆的最小柔度。解：（1）（2）（3）[习题9-11]两端铰支、强度等级为TC13的木柱，截面为150mm×150mm的正方形，长度ml5.3，强度许用应力MPa10][。试求木柱的许可荷载。解：由公式（9-12a）：10[习题9-12]图示结构由钢曲杆AB和强度等级为TC13的木杆BC组成。已知结构所有的连接均为铰连接，在B点处承受竖直荷载kNF3.1，木材的强度许用应力MPa10][。试校核BC杆的稳定性。解：把BC杆切断，代之以轴力N，则0AM01sin1cos13.1CNCNCCNcossin3.18.05.122sin22C6.05.125.1cos22C)(929.06.08.03.1kNN)(213333404012112433mmbhI)(547.114040213333mmAIi915.216547.11105.213il由公式（9—12b）得：0597.05.2162800280022MPast597.0100597.0][][MPammNAN581.040409292因为st][，所以压杆BC稳定。A11[习题9-13]一支柱由4根mmmmmm68080的角钢组成（如图），并符合钢结构设计规范中实腹式b类截面中心受压杆的要求。支柱的两端为铰支，柱长ml6，压力为kN450。若材料为Q235钢，强度许用应力MPa170][，试求支柱横截面边长a的尺寸。解：（查表：，），查表得：m4=mm[习题9-14]某桁架的受压弦杆长4m,由缀板焊成一体，并符合钢结构设计规范中实腹式b类截面中心受压杆的要求，截面形式如图所示，材料为Q235钢，MPa170][。若按两端铰支考虑，试求杆所能承受的许可压力。解：由型钢表查得角钢：12得查表：故[习题9-15]图示结构中，BC为圆截面杆，其直径mmd80；AC边长mma70的正方形截面杆。已知该结构的约束情况为A端固定，B、C为球形铰。两杆的材料均为Q235钢，弹性模量GPaE210，可各自独立发生弯曲互不影响。若结构的稳定安全系数5.2stn，试求所能承受的许可压力。解：BC段为两端铰支，1)(20096008014.364164444mmdI2242322220002009600/1021014.3mmmmmmNlEIPcrkNN227.10401040227)(4165.2227.1040][kNnPFstcrBCAB杆为一端固定，一端铰支，7.0)(20008337012112444mmaIkNNmmmmmmNlEIPcr4.939621.93940021002000833/1021014.3)(22423222)(37676.3755.24.939][kNnPFstcrAC故kNF376][[习题9-16]图示一简单托架，其撑杆AB为圆截面木杆，强度等级为TC15。若架上受集度为的均布荷载作用，AB两端为柱形铰，材料的强度许用应力，试求撑杆所需的直径d。13解：取mm以上部分为分离体，由，有设，m则求出的与所设基本相符，故撑杆直径选用m。[习题9-17]图示结构中杆AC与CD均由Q235钢制成，C，D两处均为球铰。已知mm，mm，mm；，，；强度安全因数，稳定安全因数。试确定该结构的许可荷载。解：（1）杆CD受压力3FFCD梁BC中最大弯矩32FMB（2）梁BC中14（3）杆CD（Q235钢的)100P=（由梁力矩平衡得）故，由（2）、（3）可知，kNF5.15][[习题9-18]图示结构中，钢梁AB及立柱CD分别由16号工字钢和连成一体的两根mmmmmm56363角钢组成，杆CD符合钢结构设计规范中实腹式b类截面中心受压杆的要求。均布荷载集度mkNq/48。梁及柱的材料均为Q235钢，MPa170][，GPaE210。试验算梁和立柱是否