力学概念| 预应力钢压杆

本文摘要（由AI生成）：

本文讨论了结构工程中稳定性问题的关键性，特别是在细长杆件受压时。失稳现象可能导致结构破坏和倒塌，因此稳定性在结构设计中至关重要。对于长细比大的钢结构，稳定性问题显著影响强度承载力，可能导致大幅折减。预应力技术是一种有效解决方案，通过引入预应力，排除失稳影响，提高承载能力。预应力拉索作为弹性支座，减小压杆计算长度，提高失稳临界荷载。此外，结构设计中还需考虑其他力学概念和设计原则，确保结构安全、经济、美观。

细长杆件受压时,却表现出与强度失效截然不同的性质。以一个生活常识来说明,取一枚铁钉与一根直径相同的长铁丝,铁钉能承受手的压力,但长铁丝稍压即弯,无法承受手的压力。细长压杆表现出的这种与强度、刚度问题完全不同的性质,就是稳定性问题,这类压杆的破坏并非强度不足引起的,而是由于压杆丧失初始平衡构形,即压杆丧失稳定(简称失稳)引起的。压杆失稳带有突发性,往往是造成结构破坏倒塌的重要原因。因此,稳定性是结构设计重要任务之一。

钢结构受压杆件的稳定性往往是设计中的控制因素。在杆件长细比较大(大于150)时,考虑稳定性对强度承载力的折减可以达到 70%左右，大大损耗了强度幅值。采用预应力技术可使压杆不受长细比制约,排除杆件失稳影响,只依据杆件截面强度来设计承载力,从而挽回传统压杆设计中的强度折减损失。因此预应力压杆可以节约材料、减轻自重、降低成本。

为了便于讨论,我们先来看一个比较简单的问题。图1a 所示的组合结构,其中压杆    除受到轴向压力荷载    作用之外,还受到来自4根预应力拉索的作用,每根拉索的拉力为    。拉索显然增加了压杆的负担,它们对压杆的稳定到底是有利还是不利呢?

▲图1

我们知道，刚度描述了结构抵抗由外荷载引起的变形的能力。可将刚度    定义为作用在弹性体上的力    与位移    的比值。设索与杆的夹角    很小,并且索的张力不因杆的弯曲变形而改变。在压杆的中点给压杆施加侧向集中力    ,使压杆产生挠度    ,如图1b 所示,如果忽略压杆本身的抗弯刚度,则

这就是索张力给压杆提供的附加侧向刚度。因此,图1a可以用图1c来代替,其中弹簧的刚度    。

从上面的讨论可知,张拉索的作用相当于给压杆提供了一个弹性支座。这个弹性支座减小了压杆的计算长度,从而提高了它的失稳临界荷载。根据铁木辛哥《材料力学》，临界荷载与弹性支座刚度的关系为：

当,并且    和    的关系是线性的。压杆的失稳形式与弹性支座刚度的关系是:

• 当      ,失稳形式如图2a所示,与      (简支杆)的失稳形式相同。
• 当      ,失稳形式如图2b所示,与      的失稳形式相同。

▲图2

由此可知，预应力拉索给细长的钢柱提供了弹性支座,从而保证了柱的稳定性。它们不仅具有建筑所要求的功能,同时也是结构的重要组成部分。

以下是青岛北站的预应力压杆照片