结构的稳定计算(清华版)详解课件

1、第十五章结构的稳定计算15-1 两类稳定问题概述15-2 两类稳定问题计算简例15-3 有限自由度体系的稳定 静力法和能量法本课程主要内容高强度材料应用、结构形式的发展，结构趋于轻型、薄壁化，更易失稳，稳定计算日益重要。失稳大到整个结构，小到局部构件！ 钢筋的失稳（纵筋与箍筋的绑扎箍筋的间距）； 柱模板（沿高度方向加箍）; 桁架中的受压杆件（上弦杆）； 高层结构中受压柱的失稳（轴压比）。共性：受压； 几何特征问题。（强度与长细比的关系）一、结构设计应满足三方面的要求 1、强度 2、刚度 3、稳定性。二、基本概念 1、失稳：当荷载达到某一数值时，体系由稳定平衡状态转变为不稳定状态，而丧失原始平衡

2、状态的稳定性，简称“失稳” 2、临界状态：由稳定平衡状态过度到不稳定状态的中间状态（中性平衡状态）。 3、临界荷载：临界状态时相应的荷载。 强度问题与稳定问题（1）两种极限状态： 我国规范规定：在进行建筑结构设计时必须考虑两种极限状态。 1）承载能力极限状态（Ultimate limit state） 指结构或构件达到最大承载力或达到不适合继续承载的变形的极限状态。主要包括结构、构件的强度（Strength）和稳定（Stability）的计算。 2）正常使用极限状态（Serviceability limit state） 指结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值，如 轴心受压杆的长细比：

3、 梁的挠度： 梁的裂缝宽度：（2）强度、稳定问题的区别： 1）强度问题 指由作用（Action）对结构或构件产生的截面最大内力（或截面上某点的最大应力）是否超过截面的承载能力（或材料强度），因此，强度问题是应力问题。 2）稳定问题 是要找出作用与结构内部抵抗力之间的不稳定平衡状态即变形开始急剧增大的状态，从而设法避免进入该状态，因此，稳定问题是一种变形问题。 说明：作用 直接作用：如：永久荷载、可变荷载，等 间接作用：如：地震、基础沉降、砼收缩、 温度变化，等（3）弹性稳定问题的特点： 一阶分析（FOAFirst Order Analysis） 以未变形的结构变形分析它的平衡，不考虑变形对作用

4、效应的影响。应力问题通常采用一阶分析，也称线性分析。 二阶分析（SOASecond Order Analysis） 针对已变形的结构变形分析它的平衡，考虑变形对作用效应的影响。稳定问题则采用二阶分析，也称几何非线性分析。 1）稳定问题采用二阶分析小变形，可用一阶分析计算。 叠加原理适用条件：材料符合虎克定律： 强度问题（应力） 稳定问题（变形） 2）不能应用叠加原理 3）稳定问题不必区分静定和超静定结构15-1 两类稳定问题概述平衡状态从稳定性角度考察稳定平衡状态：干扰消失后，结构能够回到原来的平衡位置。不稳定平衡状态：结构继续偏离，不能回到原来的位置。中性平衡状态：由稳定平衡到不稳定平衡过渡

5、的中间状态假设结构原来处于某个平衡状态，后来由于受到轻微干扰而稍微偏离其原来位置分析方法大挠度理论。小挠度理论。静力法能量法刚性小球平衡状态(1)稳定平衡状态(2)不稳定平衡状态(3)随遇平衡状态根据受力状态稳定问题分类1. 完善体系：理想中心受压杆，无初曲率或弯曲变形 完善体系从稳定到不稳定，其受力、变形状态将变化，也即随荷载变大有分叉点，称分支点稳定。分支点失稳失稳前后平衡状态的变形性质发生变化2. 非完善体系 受压杆有初曲率或受偏心荷载，为压弯联合受力状态 非完善体系，一般受力、变形性质不发生改变。但随着荷载增大存在一极值荷载（此后变形增大荷载反而减少），这类稳定现象称极值点稳定。极值点

6、失稳失稳前后变形性质没有变化FPcrcr突跳失稳FPcrcr由受压变成受拉，系统产生翻转C3、失稳:随着荷载的逐渐增大,结构的原始平衡位置由稳定平衡 转为不稳定平衡.这时原始平衡状态丧失其稳定性.分支点失稳：（第一类失稳）完善体系（或称理想体系）直杆（无初曲率），中心受压（无初偏心）。Pl/2l/2POP1Pcr=1Pcr(稳定)(不稳定)(大挠度理论)(小挠度理论)DDP2原始平衡状态是不稳定的。存在两种不同形式的平衡状态(直线、弯曲）。分支点B将原始平衡路径 分为两段。在分支点B出现 平衡的二重性。原始平衡由 稳定转变为不稳定。临界荷载、临界状态2 Pcr由于荷载自Pcr至压溃历程极短，故

7、Pcr就成了失稳的标志。而大挠度理论和小挠度理论求出的临界荷载十分贴近，可采用简单的小挠度理论求Pcr。 Pcr Pcrqcr原始平衡：轴向受压新平衡形式：压弯组合 Pcr原始平衡：轴向受压新平衡形式：压弯组合原始平衡：平面弯曲新平衡形式：斜弯曲加扭转 结构的变形产生了质的改变。即原来的平衡形式成为不稳定而可能出现新的与原来平衡形式有质的区别的平衡形式，同时，这种现象带有突然性质变失稳。分支点失稳的特点：其它结构的分支点失稳极值点失稳：（第二类失稳）非完善体系：具有初曲率的压杆承受偏心荷载的压杆 P PPOPcr(大挠度理论)(小挠度理论)PePe接近于中心压杆的欧拉临界荷载稳定问题与强度问题

8、的区别：强度问题是在稳定平衡状态下：当 ,小变形，进行线性分析（一阶分析）。当 ,大变形，进行几何非线性分析（二阶分析）。重点是求 内力、 应力稳定问题重点是研究荷载与结构抵抗力之间的平衡；找出变形急剧增长的临界点及相应的临界荷载。在变形后的几何位置上建立平衡方程，属于几何非线性分析（二阶分析）。非线性分析，叠加原理不再适用。 极值点失稳的特点：结构一开始受压就处于压弯状态，失稳与稳定无明显的界限，只是当接近失稳时，荷载增加很小，而挠度迅速增加。P-曲线具有极值点。由于结构的变形过大，结构将不能正常使用量变失稳。 一、分支点失稳lEIP-临界荷载稳定平衡中性平衡不稳定平衡PP完善体系结构变形产

9、生了性质上的突变，带有突然性。二、极值点失稳偏心受压PP有初曲率非完善体系虽不出现新的变形形式，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。pcrpe稳定自由度P1个自由度PP2个自由度无限自由度15-2 两类稳定问题计算简例在稳定计算中，一个体系产生弹性变形时，确定其变形状态所需的独立几何参数的数目。 稳定问题的分析方法 在稳定分析中，有基于小变形的线性理论和基于大变形的非线性理论： 线性理论(小挠度理论)中变形是一阶微量，计算中将略去高阶微量使计算得以简化，其结果与大变形时的实验结果有较大偏差。 非线性理论(大挠度理论)中考虑有限变形对平衡的影响，其结果与实验结果吻合

10、的很好，但分析过程复杂。 Plk1、单自由度完善体系的分支点失稳EI=1）按大挠度理论分析 PRAPOAPcrB(稳定)(不稳定)(大挠度理论)不稳定平衡(小挠度理论)随遇平衡 分支点A处的临界平衡也是不稳定的。2）按小挠度理论分析 ( 1) 小挠度理论能够得出正确的临界荷载,但不能反映当较大时平衡路径的下降(上升)趋势。随遇平衡状态是简化假设带来的假象。注: 1）平衡方程是对变形以后的结构新位置建立的。 2）建立平衡方程时方程中各项应是同量级的，主要力项（有限量）要考虑结构变形对几何尺寸的微量变化，次要力项（微量）不考虑几何尺寸的微量变化。 Plk2、单自由度非完善体系的极值点失稳EI=1）

11、按大挠度理论分析 P RAP/klO=0=0.1=0.210.7850.380.6600.421.371.47/2P/klO10.20.6600.10.7850.30.556这个非完善体系是极值点失稳.Pcr 随增大而减小. PlkEI=2）按小挠度理论分析 PRAP/klO设：1，0（0），体系能恢复原位置，平衡是稳定的； 如总势能Ep=U+ UP =0（=0），体系能在任意位置平衡，平衡为中性的； 如总势能Ep=U+ UP 0（0），体系不能恢复原位置，平衡是不稳定的。 用能量法求临界荷载，依据于临界状态的平衡条件，它等价于势能驻值原理：弹性体系在临界状态，其总势能为驻值，即Ep=0PlA

12、BklMA=kPABBEI=0弹性体系的平衡方程势能驻值原理：对于弹性体系， 在一切微小的可能位移中，同时又满足平衡条件的位移（真实位移）使结构的势能为驻值，即：Ep=0 , Ep=应变能U+外力势能UPMA=k22ql=2sin22ql=)cos1(qll-=MA=k弹性应变能荷载势能:应用势能驻值条件:位移有非零解得：PlABkBEI= 总势能是位移的二次函数，1）PUP表示体系具有足够的应变能克服荷载势能，使压杆恢复到原有平衡位置)当=0，Ep为极小值0。对于稳定平衡状态，真实的位移使Ep为极小值2）Pk/l ，当0，Ep恒小于零（Ep为负定） (即UUP表示体系缺少足够的应变能克服荷载

13、势能，压杆不能恢复到原有位置) 。当=0，Ep为极大值0。原始的平衡状态是不稳定的。3）P=k/l ，当为任意值时，Ep恒等于零(即U=UP) 。 体系处于中性平衡（临界状态）这时的荷载称为临界荷载Pcr=k/l 。PPcrP=Pcr 结论：1）当体系处于稳定平衡状态时，其总势能必为最小。2）临界状态的能量特征是：势能为驻值Ep=0 ，且位移有非零 解。即在荷载达到临界值前后，总势能由正定过渡到非正定。3）如以原始平衡位置作为参考状态，当体系处于中性平衡P=Pcr 时，必有总势能=0。对于多自由度体系，结论仍然成立。Pkky1y2R1=ky1R2=ky2YA=Py1/lYD=Py2/lABCD

14、2）能量法在新的平衡位 置各杆端的相 对水平位移)(1222121+-=yyyyl)(212221221+-+=yyyyllD点的水平位移弹性支座应变能:)(22221+=yykU荷载势能:)(222121+-=-=yyyylPPUPl体系总势能:)2(2)2(21222121-+-=+=yPklyPyyPkllUUPEp势能驻 值条件:0)2(21=-+yPklPy0)2(21=+-PyyPkl0,021=yyEpEp以后的计算步骤同静力法能量法步骤:给出新的平衡形式;写出总势能表达式;建立势能驻值条件;应用位移有非零解的条件,得出特征方程; 解出特征值,其中最小的即临界荷载Pcr。势能驻值

15、条件等价于以位移表示的平衡方程。体系总势能:)2(2)2(21222121-+-=+=yPklyPyyPkllUUPEp总势能Ep是位移y1 、y2的对称实数二次型。1）如果Pkl/3=Pcr，是正定的。5）如果kl/3 Pkl，是负定的。由此可见，多自由度体系在临界状态的能量特征仍然是：在荷载达到临界值的前后，势能由正定过渡到非正定。（或说：势能达驻值，位移有非零值）非正定PPllABCk例2：用两种方法求图示体系的临界荷载。并绘其失稳曲线。1、静力法：两个自由度，取1 2 为位移参数，设失稳曲 线如图。分析受力列平衡方程：2qk()21qq-kBC:AC:由位移参数不全为零得稳定方程并求解

16、：求失稳曲线：实际失稳曲线只是理论上存在的失稳曲线2、能量法：外力势能：PPllABCk2qk()21qq-k应变能：总势能：根据势能驻值条件：由位移参数不全为零得稳定方程：以下计算同静力法。例3：用静力法求图示体系的临界荷载。两个自由度，取1 2 为位移参数，设失稳曲 线如图。分析受力列平衡方程：BC:AC:由位移参数不全为零得稳定方程：lllEI2EIEI=EI=ABCPBABCPP例3：用能量法求图示体 系的临界荷载。两个自由度，取1 2 为位移参数，设失稳曲 线如图。求变形能和外力势能：lllEI2EIEI=EI=ABCPBABCPP当杆件上无外荷载作用时，杆端力的功=变形能。P例4：

17、用静力法求图示体系的临界荷载。EI=两个自由度，取1 2 为位移参数，设失稳曲 线如图。分析受力列平衡方程：由位移参数不全为零得稳定方程：AlllBCD()21qq+k()23qq-kBC1-1P例4：用能量法求图示体系的临界荷载。 EI=两个自由度，取1 2 为位移参数，设失稳曲 线如图。由位移参数不全为零得稳定方程：AlllBCD()21qq+k()23qq-kBC求变形能和外力势能：Dl/2EPlCEl/2DlP利用对称性求 EI=1、正对称失稳取半刚架如图： 取1为位移参数，设失稳 曲线如图。PAlllBCDC1qk02、反对称失稳取半刚架如图： 取1为位移参数，设失稳 曲线如图。C)

18、(21qq+k0C小挠度、小位移情况下：Pl1抗转弹簧A-稳定方程（特征方程）-临界荷载总结一、静力法2个自由度体系-稳定方程lAPlBP11.618-临界荷载-失稳形式静力法 1、定义：假定体系处于微弯失稳的临界状态，列出相应的平衡微分方程，进而求解临界荷载的方法。 2、步骤： （1）建立坐标系、取隔离体、绘受力图。 （2）列静力平衡方程。 （3）将挠曲线方程代入平衡方程后，利用边界条件求稳定方程。 （4）解稳定方程，求临界荷载。具有弹性支座压杆的稳定PlP1练习:简化成具有弹簧支座的压杆PllPlPPk试求图示结构的临界荷载。l解：ppxy2.外力势能1.应变能弯曲应变能P拉压应变能PP剪切应变能 外力从变形状态退回到无位移的原始状态中所作的功.y(x)q(x)3.结构势能二、能量法结构势能例