《結(jié)構(gòu)力學(xué)極限荷載》課件

結(jié)構(gòu)力學(xué)極限荷載極限荷載是結(jié)構(gòu)能夠承受的最大荷載。它決定了結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性。引言結(jié)構(gòu)力學(xué)是研究結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的力學(xué)行為，是土木工程、機(jī)械工程、航空航天等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科。極限荷載分析是結(jié)構(gòu)力學(xué)的重要分支，用于預(yù)測結(jié)構(gòu)在破壞或失效前的承載能力。1.1極限荷載分析的重要性結(jié)構(gòu)安全極限荷載分析有助于確定結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的承載能力，確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。優(yōu)化設(shè)計通過分析，可以確定結(jié)構(gòu)的最佳尺寸和材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低成本。經(jīng)濟(jì)效益極限荷載分析可以幫助避免結(jié)構(gòu)過設(shè)計，節(jié)省材料和成本，提高工程經(jīng)濟(jì)效益。1.2極限荷載分析的應(yīng)用領(lǐng)域橋梁設(shè)計確保橋梁在承受極限荷載時保持安全穩(wěn)定，避免坍塌或過度變形。建筑物設(shè)計確保建筑物在強(qiáng)風(fēng)、地震或其他極端情況下能夠承受極限荷載，保證安全。大型機(jī)械設(shè)計確保大型機(jī)械在工作過程中承受極限荷載，避免因結(jié)構(gòu)失效造成事故。航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計確保航空航天器在飛行過程中能夠承受極限荷載，保證安全性和可靠性。2.塑性理論基礎(chǔ)塑性理論是極限荷載分析的核心基礎(chǔ)，它研究材料在屈服后的行為，并提供計算極限荷載的理論依據(jù)。2.1應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系1彈性階段應(yīng)力和應(yīng)變成正比，材料恢復(fù)原狀。2屈服階段應(yīng)力達(dá)到屈服極限，應(yīng)變增加，材料發(fā)生永久變形。3強(qiáng)化階段應(yīng)力超過屈服極限，應(yīng)變增加，材料發(fā)生塑性變形。4頸縮階段應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度，應(yīng)變急劇增加，材料最終斷裂。2.2塑性屈服準(zhǔn)則屈服強(qiáng)度材料發(fā)生明顯塑性變形的應(yīng)力值，是結(jié)構(gòu)承載力的重要指標(biāo)。屈服準(zhǔn)則描述材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的條件，常用的有最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則和馮·米塞斯準(zhǔn)則。塑性變形材料在屈服強(qiáng)度之后發(fā)生的永久變形，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。2.3塑性應(yīng)變率定義塑性應(yīng)變率是指材料在塑性變形過程中，應(yīng)變隨時間變化的速率。塑性應(yīng)變率的大小與材料的性質(zhì)、應(yīng)力水平和溫度等因素有關(guān)。影響因素材料的硬度和韌性會影響塑性應(yīng)變率。較硬的材料通常具有較低的塑性應(yīng)變率，而較韌的材料通常具有較高的塑性應(yīng)變率。3.剛性-完全塑性分析剛性-完全塑性分析是一種簡化的結(jié)構(gòu)分析方法，假設(shè)結(jié)構(gòu)材料為理想剛塑性材料，即在屈服后無限大的應(yīng)變能力。這種方法適用于分析結(jié)構(gòu)的極限承載能力，特別是在塑性變形對結(jié)構(gòu)破壞起主要作用的情況下。3.1理想化結(jié)構(gòu)模型簡化假設(shè)為了簡化分析，結(jié)構(gòu)模型通常進(jìn)行理想化。例如，將梁簡化為線元素，忽略其橫截面尺寸。忽略材料的非線性特性，假設(shè)材料在屈服后仍然保持線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。幾何形狀結(jié)構(gòu)的幾何形狀會影響其力學(xué)性能。模型中應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的真實(shí)幾何形狀，例如梁的長度、柱的高度等。模型應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的支撐條件，例如簡支、固定或鉸支承。3.2平衡方程力平衡靜力學(xué)基本原理，結(jié)構(gòu)受到外力作用，必須保持靜止?fàn)顟B(tài)，各力必須平衡。力矩平衡結(jié)構(gòu)受力后，各力矩相加必須為零，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動。邊界條件結(jié)構(gòu)與外部支撐或連接點(diǎn)的約束條件，例如固定支座、鉸支座等。3.3塑性機(jī)構(gòu)分析塑性機(jī)構(gòu)的形成塑性機(jī)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限荷載時，出現(xiàn)塑性鉸的結(jié)構(gòu)形式。塑性機(jī)構(gòu)的判定根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料的屈服強(qiáng)度，判斷結(jié)構(gòu)是否形成塑性機(jī)構(gòu)。塑性機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性塑性機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性是指在極限荷載作用下，塑性機(jī)構(gòu)是否能保持穩(wěn)定狀態(tài)。塑性機(jī)構(gòu)的應(yīng)用塑性機(jī)構(gòu)分析可以用來計算結(jié)構(gòu)的極限荷載，并確定結(jié)構(gòu)的失效模式。梁的極限荷載分析極限荷載分析是結(jié)構(gòu)力學(xué)的重要內(nèi)容之一，該部分將重點(diǎn)探討梁的極限荷載問題。4.1簡支梁11.概述簡支梁是結(jié)構(gòu)力學(xué)中最基本的梁類型之一，兩端自由支撐，承受外力作用。22.極限荷載計算采用塑性理論方法，根據(jù)梁的截面形狀、材料性質(zhì)和荷載條件，計算梁的極限荷載值。33.塑性鉸在極限荷載作用下，梁的某些截面發(fā)生塑性屈服，形成塑性鉸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。44.典型案例簡支梁的極限荷載分析在建筑、橋梁、機(jī)械等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。4.2連續(xù)梁連續(xù)梁連續(xù)梁是指跨越兩個或多個支座的梁，連續(xù)梁具有良好的承載能力和剛度，在橋梁、建筑物等結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。極限荷載分析連續(xù)梁的極限荷載分析需要考慮梁的各個支座處的約束條件，通過建立平衡方程和塑性機(jī)制來求解極限荷載。塑性鉸連續(xù)梁在達(dá)到極限荷載時，會在某些位置形成塑性鉸，塑性鉸的形成會導(dǎo)致梁的破壞。4.3懸臂梁懸臂梁的定義懸臂梁是一種一端固定，另一端自由的梁。懸臂梁通常用于建筑物和橋梁等結(jié)構(gòu)中。懸臂梁的極限荷載懸臂梁的極限荷載是導(dǎo)致梁破壞的最大荷載。極限荷載取決于梁的材料、截面和跨度。框架結(jié)構(gòu)的極限荷載分析框架結(jié)構(gòu)是建筑工程中常見的結(jié)構(gòu)形式，對其進(jìn)行極限荷載分析至關(guān)重要。了解框架結(jié)構(gòu)在極限荷載下的承載能力，確保結(jié)構(gòu)安全，避免破壞。5.1平面框架簡化模型平面框架通常被簡化為二維模型，便于分析。荷載類型平面框架承受多種荷載，例如集中荷載、分布荷載、風(fēng)荷載等。分析方法常用的分析方法包括塑性鉸法、矩陣分析法等。5.2空間框架復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間框架結(jié)構(gòu)比平面框架更復(fù)雜，需要考慮三維空間中的受力情況。穩(wěn)定性分析空間框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析需要考慮多種因素，例如節(jié)點(diǎn)約束、構(gòu)件截面和材料特性。應(yīng)用廣泛空間框架結(jié)構(gòu)在各種工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如橋梁、高層建筑和體育場館。板的極限荷載分析板是二維結(jié)構(gòu)，其形狀通常為矩形、圓形或其他曲線形狀。板結(jié)構(gòu)在工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，例如橋梁、地板、墻體、容器等。6.1矩形板11.薄板厚度遠(yuǎn)小于其平面尺寸的矩形板，可近似為薄板結(jié)構(gòu)分析。22.厚板厚度與平面尺寸接近的矩形板，需考慮橫向剪切變形影響。33.應(yīng)力分布矩形板的極限荷載分析需要確定板內(nèi)應(yīng)力分布。44.塑性屈服板材達(dá)到塑性屈服條件時，承受的荷載即為極限荷載。6.2圓形板圓形板的極限荷載圓形板的極限荷載分析是結(jié)構(gòu)力學(xué)的重要組成部分。圓形板結(jié)構(gòu)在建筑、橋梁和機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。塑性屈服準(zhǔn)則圓形板的塑性屈服準(zhǔn)則通常采用vonMises準(zhǔn)則或Tresca準(zhǔn)則。這些準(zhǔn)則用于確定圓形板材料在極限荷載下的屈服條件。數(shù)值方法有限元方法可以有效地分析圓形板在極限荷載下的行為。通過建立有限元模型，可以模擬圓形板的變形和應(yīng)力分布。殼體的極限荷載分析殼體結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用廣泛，如飛機(jī)機(jī)身、火箭外殼、水塔等。殼體結(jié)構(gòu)的極限荷載分析，需要考慮其特殊的幾何形狀和材料特性。7.1圓柱殼幾何形狀圓柱殼是一個具有圓形橫截面的曲面結(jié)構(gòu)。荷載類型圓柱殼可承受軸向、徑向或扭轉(zhuǎn)荷載。分析方法極限荷載分析采用薄殼理論和塑性屈服準(zhǔn)則。7.2球殼形狀球殼通常指以球心為中心的球體的一部分，并由曲面和封閉邊界組成。這使得它們能夠承受來自各個方向的載荷，使其成為結(jié)構(gòu)應(yīng)用的理想選擇。應(yīng)用球殼廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，包括建筑、航空航天和儲罐設(shè)計。由于其優(yōu)異的強(qiáng)度和剛度，它們通常用于建造大型結(jié)構(gòu)，例如體育場和圓頂建筑。分析對球殼的極限荷載分析涉及確定殼體在屈服之前能夠承受的最大載荷。這需要考慮殼體的材料特性、幾何形狀和載荷條件。案例分析本部分將通過實(shí)際案例分析，展示極限荷載分析方法的應(yīng)用。通過案例，可以更直觀地理解理論知識，并加深對結(jié)構(gòu)極限荷載的認(rèn)識。8.1鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于高層建筑，如摩天大樓和大型體育場館。橋梁鋼結(jié)構(gòu)在橋梁建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，例如跨海大橋和懸索橋。屋頂結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性使其成為屋頂和幕墻系統(tǒng)的理想材料。工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)適用于各種工業(yè)建筑，包括工廠、倉庫和制造車間。8.2混凝土結(jié)構(gòu)1材料特性混凝土具有非線性、脆性、抗壓強(qiáng)度高、