結構工程師:考試大整理鋼結構構件的穩定

一般地說,失穩與構件承受壓力有關,因為在壓力作用下,桿件會發生局部屈曲而導致構件的承載能力降低或全部喪失。一個誇張的例子能形象地說明這個現象,一根繩子,不論多么細,總能承受一定的抗力,但繩子不能承受任何壓力,稍一施壓,繩子便彎曲失穩了。受壓失穩的現象也同樣發生在柱與梁等結構構件上。
1.柱:壓縮失穩
a.短柱短柱(假定不發生失穩)強度為 

nf=afy (1-2)
nf---短柱承載能力
a----柱面積
fy---材料的屈服強度
 
圖1-5 柱受力圖
b.長柱 
由於長,柱在壓力n作用下會產生彎曲變形,因此柱不但受壓而且受彎。使桿件彎曲的荷載效應叫做彎矩。彎矩的大小等於力乘上一個相關的距離。在長柱受壓的情況中,彎矩等於力n乘以相應的撓度,在跨中截面彎矩m=n×δ。當n增加時,撓度δ增大,從而m也增大。當n增至其臨界值ne時,m也增加到相應的值。在ne和m的共同作用下,柱子處在失穩的平衡點上,任一微小的外界影響都會導致柱子失穩。ne被稱為臨界力,兩端鉸支的彈性柱的臨界力ne為:
ne=π2ei/l2(1-3)
 式中π=3.1416圓周率,e-材料的彈性模量
 i-截面慣性矩僅與截面大小和形狀有關
l-柱子長度
柱子愈長,ne愈小,柱子愈短,ne愈大,當l小到某值使得ne大於或等於nf時,則稱柱子為短柱,短柱不會發生失穩破壞。由上式可見,ne與屈服強度fy無關,與彈性模量(變形模量)e有關。對於長柱,當荷載達到臨界力時,對應的截面上的應力一般都小於fy。
也就是說ne<nf