挠度法的基本原理是将求临界力转化为求特殊点的挠度,从而极大简化计算。其过程是:首先假设失稳变形曲线,求出轴压力在变形曲线上产生的二阶弯矩;然后求最大弯矩处的挠度,便可得到临界力。这样,挠度法便可扩展运用到杆系结构,比如有侧移的框架结构,实际上就是计算框架各层的侧移,为此,首先要假设框架失稳曲线,由此可计算对应于失稳曲线二阶弯矩M,然后分别在各楼层处施加单位荷载并计算其单位荷载弯矩,最后进行图乘计算各楼层的侧移,进而求得框架临界力。
图3.1(a)—(c)分别假设了3种失稳变形曲线(正弦、抛物线和平直线)引起的二阶弯矩,在最大变形处施加单位荷载[图3.1(d)],现分别求3种情况的挠度。
图3.1 两端铰接压杆挠度法计算简图
①令简支梁屈曲时跨中挠度为δ,假定简支梁变形为正弦曲线,其挠曲线变形方程取为y=δsin(πx/l)[图3.1(a)],在轴力P作用下的弯矩为:M=Py=Pδsin(πx/l),经复核满足边界条件;撤去轴力在简支梁跨中施加单位荷载[图3.1(d)],其弯矩为:
将简支梁图3.1(a)、图3.1(d)下的弯矩图进行积分可得到简支梁跨中的挠度为:
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将式(3.2)左右两侧跨中挠度δ消掉,可得出,即为该简支梁轴向荷载作用下的临界荷载,由于假定的挠曲线方程为其屈曲变形的精确形状,相应得到了精确临界荷载。
②假定简支梁变形为二次抛物线,取其挠曲线变形方程取为y=4δx(l-x)/l2[图3.1(b)];将简支梁图3.1(b)、图3.1(d)下的弯矩图进行积分可得到简支梁跨中的挠度为:
将式(3.3)左右两侧跨中挠度δ消掉,可得临界荷载:,该值与式(3.2)所求得精确解比值为0.973,误差为2.7%。
③假定简支梁变形为一矩形,其全长挠度变形值均为δ,挠曲线变形方程取为y=δ[图3.1(c)];将简支梁图3.1(c)、图3.1(d)下的弯矩图进行积分可得到简支梁跨中的挠度为:
消去δ求得临界力为:,该值与精确解相比,误差为19%。
这里可以看到:即便假设的失稳变形曲线与精确解相差甚远,极为不合理,得到的临界力与精确解也并不是想象中的那么大。换句话说,选取偏差极大的失稳曲线,并没有导致极大的临界力误差,挠度法对假定的失稳变形曲线精度要求不是很高。从以上3种情况可以看出:选用的挠曲线函数越接近真实屈曲变形曲线,得到的临界力越接近精确解。
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