1、,Chapter13 Stresses in beams,第13章 弯曲应力,13-1 引言 ( Introduction)13-2 纯弯曲时的正应力 (Normal stresses in pure beams )13-3 横力弯曲时的正应力(Normal stresses in transverse bending )13-4 梁的切应力及强度条件 (Shear stresses in beams and strength condition),第13章 弯曲应力,13-5 提高梁强度的主要措施（Measuresto strengthen the strength of beams),一、
2、弯曲构件横截面上的应力(Stresses in flexural members),当梁上有横向外力作用时，一般情况下，梁的横截面上既有弯矩M，又有剪力FS.,13-1 引言 (Introduction),只有与正应力有关的法向内力元素dFN = dA 才能合成弯矩.,只有与切应力有关的切向内力元素 dFS = dA 才能合成剪力；,所以，在梁的横截面上一般既有正应力， 又有切应力.,二、分析方法 (Analysis method),简支梁CD段任一横截面上，剪力等于零，而弯矩为常量，所以该段梁的弯曲就是纯弯曲.,若梁在某段内各横截面的弯矩为常量，剪力为零，则该段梁的弯曲就称为纯弯曲.,三、纯
3、弯曲（Pure bending),13-2 纯弯曲时的正应力 (Normal stresses in pure beams ),一、实验（ Experiment）,1.变形现象（Deformation phenomenon ),纵向线,相对转过了一个角度，,仍与变形后的纵向弧线 垂直.,各横向线仍保持为直线，,各纵向线段弯成弧线，,横向线,里坡,2.提出假设 ( Assumptions）,（a）平面假设：变形前为平面的横截面变形后仍保持为平面且垂直于变形 后的梁轴线；,（b）单向受力假设：纵向纤维不相互挤 压，只受单向拉压.,推论：必有一层变形前后长度不变的纤维中性层,中性轴 横截面对称轴,应
4、变分布规律：,直梁纯弯曲时纵向纤维的应变与它到中性层的距离成正比.,二、变形几何关系（ Deformation geometric relation ）,三、物理关系(Physical relationship),所以,Hookes Law,直梁纯弯曲时横截面上任意一点的正应力，与它到中性轴的距离成正比.,应力分布规律：,?,待解决问题,中性轴的位置,中性层的曲率半径r,四、静力关系 (Static relationship）,横截面上内力系为垂直于横截面的空间平行力系，这一力系简化得到三个内力分量.,内力与外力相平衡可得:,（1）,（2）,（3）,将应力表达式代入（1）式，得,将应力表达式代
5、入（2）式，得,将应力表达式代入(3)式，得,中性轴通过横截面形心,自然满足,得到纯弯曲时横截面上正应力的计算公式:,M为梁横截面上的弯矩；,y为梁横截面上任意一点到中性轴的距离；,Iz为梁横截面对中性轴的惯性矩.,（1）应用公式时，一般将 My 以绝对值代入. 根据梁变形的情况直接判断 的正负号. 以中性轴为界，梁变形后凸出边的应力为拉应力( 为正号).凹入边的应力为压应力（ 为负号）；,（2）最大正应力发生在横截面上离中性轴最远的点处.,则公式改写为,（1）当中性轴为对称轴时,矩形截面,实心圆截面,空心圆截面,z,y,（2）对于中性轴不是对称轴的横截面,应分别以横截面上受拉和受压部分距中性
6、轴最远的距离 和 直接代入公式:,当梁上有横向力作用时，横截面上既又弯矩又有剪力.梁在此种情况下的弯曲称为横力弯曲.,横力弯曲时，梁的横截面上既有正应力又有切应力.切应力使横截面发生翘曲，横向力引起与中性层平行的纵截面的挤压应力，纯弯曲时所作的平面假设和单向受力假设都不成立.,一、横力弯曲(Nonuniform bending),虽然横力弯曲与纯弯曲存在这些差异，但弹性力学的结果表 明，工程中常用的梁(当l/h5时)，纯弯曲时的正应力计算公式， 可以精确的计算横力弯曲时横截面上的正应力.,等直梁横力弯曲时横截面上的正应力公式为,二、公式的应用范围(The applicable range of
7、 the flexure formula ),1.在弹性范围内 (All stresses in the beam are below the proportional limit),3.平面弯曲（Plane bending）,4.直梁（Straight beams）,2.具有切应力的梁（The beam with the shear stress）,三、强度条件（Strength condition),1.数学表达式（Mathematical formula),梁内的最大工作应力不超过材料的许用应力.,2.强度条件的应用(Application of strength condition),
8、（2）设计截面,（3）确定许可载荷,（1） 强度校核,对于铸铁等脆性材料制成的梁，由于材料的,且梁横截面的中性轴一般也不是对称轴，所以梁的,（两者有时并不发生在同一横截面上）,要求分别不超过材料的许用拉应力和许用压应力,例题1 螺栓压板夹紧装置如图所示.已知板长3a150mm，压板材料的弯曲许用应力s140MP.试计算压板传给工件的最大允许压紧力F.,解：（1）作出弯矩图的最大弯矩为Fa；,（2）求惯性矩，抗弯截面系数,（3）求许可载荷,例题2 T形截面铸铁梁的荷载和截面尺寸如图所示. 铸铁的许用拉应力为 t = 30MPa ，许用压应力为c =160MPa. 已知截面对形心轴z的惯性矩为 I
9、z =763cm4 ， y1 =52mm，校核梁的强度.,解：,最大正弯矩在截面C上,最大负弯矩在截面B上,B截面,80,C截面,一、梁横截面上的切应力（Shear stresses in beams）,1.矩形截面梁(Beam of rectangular cross section),13-4 梁的切应力及强度条件,（1）两个假设(Two assumptions),（a）切应力与剪力平行； （b）切应力沿截面宽度均匀分布 （距中性轴等距离处切应力相等）.,（2）分析方法(Analysis method),（a）用横截面m-m , n-n从梁中截取 dx一段.两横截面上的弯矩不等. 所以两截
10、面同一y处的正应力也不等；,（b）假想地从梁段上截出体积元素mB1，在两端面mA1，nB1上两个法向 内力不等.,（c）在纵截面上必有沿 x 方向的切向内力dFS.故在此面上就有切应力.,根据假设，横截面上距中性轴等远的各点处切应力大小相等. 各点的切应力方向均与截面侧边平行.取分离体的平衡即可求出.,（3）公式推导(Derivation of the formula),假设m-m，n-n上的弯矩为M和M+dM，两截面上距中性轴 y1 处的正应力为1 和2.,A1为距中性轴为y的横线以外部分的横截面面积.,式中：,为面积A1对中性轴的静矩.,化简后得,由平衡方程,b,矩型截面的宽度.,整个横截
11、面对中性轴的惯性矩.,距中性轴为y的横线以外部分横 截面面积对中性轴的静矩.,（4）切应力沿截面高度的变化规律 ( The shear- stress distribution on the rectangular cross section ), 沿截面高度的变化由静矩 与y之间的关系确定.,可见，切应力沿截面高度按抛物线规律变化.,y=h/2（即在横截面上距中性轴最远处）t=0,y=0（即在中性轴上各点处），切应力达到最大值,式中，A=bh为矩形截面的面积.,截面静矩的计算方法,A为截面面积,为截面的形心坐标,2.工字形截面梁（工-section beam),假设求应力的点到中性轴的距离为
12、y.,研究方法与矩形截面同，切应力的计算公式亦为：,B,d 腹板的厚度, 距中性轴为y的横线以外部分的横截 面面积A对中性轴的静矩.,（a）腹板上的切应力沿腹板高度按二次抛物线规律变化；,（b）最大切应力也在中性轴上.这也是整个横截面上的最大切应力.,tmin,tmax,假设：,（a）沿宽度k-k上各点处的切应力 均汇交于O点；,（b）各点处切应力沿y方向的分量沿宽度相等.,在截面边缘上各点的切应力的方向与圆周相切.,3.圆截面梁(Beam of circular cross section),最大切应力发生在中性轴上,4.圆环形截面梁(Circular pipe beam),图示为一段薄壁环
13、形截面梁.环壁厚度为 ，环的平均半径为r0，由于 r0 故可假设,（a）横截面上切应力的大小沿壁厚无变化；,（b）切应力的方向与圆周相切.,式中 A=2r0 为环形截面的面积,横截面上最大的切应力发生中性轴上，其值为,z,y,r0,二、强度条件（Strength condition）,三、需要校核切应力的几种特殊情况,（1）梁的跨度较短，M 较小，而FS较大时,要校核切应力；,（2）铆接或焊接的组合截面,其腹板的厚度与高度比小于型钢 的相应比值时，要校核切应力；,（3）各向异性材料(如木材)的抗剪能力较差，要校核切应力.,max,例题3 一简易起重设备如图所示.起重量(包含电葫芦自重)F =
14、30 kN. 跨长l = 5 m. 吊车大梁AB由20a工字钢制成.其许用弯曲正应力=170MPa,许用弯曲切应力= 100MPa ，试校核梁的强度.,解：此吊车梁可简化为简支梁，力 F 在梁中间位置时有最大正应力 .,（a）正应力强度校核,由型钢表查得20a工字钢的,所以梁的最大正应力为,（b）切应力强度校核,在计算最大切应力时，应取荷载F在紧靠任一支座例如支座A处所示，因为此时该支座的支反力最大，而梁的最大切应力也就最大.,查型钢表中，20a号工字钢，有,d=7mm,据此校核梁的切应力强度,以上两方面的强度条件都满足，所以此梁是安全的.,例题4 简支梁AB如图所示. l2m，a0.2m.
15、梁上的载荷为q为10kN/m，F200kN.材料的许用应力为=160MPa，100MPa，试选择工字钢型号.,解：（1）计算支反力做内力图.,（2）根据最大弯矩选择工字钢型号,查型钢表，选用22a工字钢，其Wz309cm3,（3）校核梁的切应力,腹板厚度 d =0.75cm，由剪力图知最大剪力为210kN,查表得,max超过t很多，应重新选择更大的截面.现已25b工字钢进行试算,所以应选用型号为25b的工字钢.,13-5 提高梁强度的主要措施（Measures to strengthen the strength of beams),一、降低梁的最大弯矩值,1.合理地布置梁的荷载,按强度要求设
16、计梁时，主要是依据梁的正应力强度条件,2.合理地设置支座位置,当两端支座分别向跨中移动a=0.207l 时，最大弯矩减小.,二、增大Wz,1.合理选择截面形状,在面积相等的情况下，选择抗弯模量大的截面,工字形截面与框形截面类似.,2.合理的放置,2.对于脆性材料制成的梁,宜采用T字形等对中性轴不对称的截面且将翼缘置于受拉侧.,三、根据材料特性选择截面形状,1.对于塑性材料制成的梁,选以中性轴为对称轴的横截面.,要使y1/y2接近下列关系：最大拉应力和最大压应力同时接近许用应力,四、采用等强度梁,梁各横截面上的最大正应力都相等，并均达到材料的许用 应力，则称为等强度梁.,例如，宽度b保持不变而高度可变化的矩形截面简支梁，若设计成等强度梁，则其高度随截面位置的变化规律h(x)，可按正应力强度条件求得.,梁任一横截面上最大正应力为,求得,但靠近支座处，应按切应力强度条件确定截面的最小高度,求得,F,l/2,l/2,按上确定的梁的外形，就是厂房建筑中常用的鱼腹梁.,
