外荷载没有扭矩时是否也会扭

2021年12月31日 星期五

在之前做新型钢结构体系的时候,参考了同济所编的T型钢异形柱,里面涉及到了双力矩问题。这样就有一个疑问,为什么在之前的钢结构标准、混凝土结构标准中没有这个?然后在冷弯薄壁型钢的规范中有这样一条。 如果是开口构件需要考虑,那么这里有个问题。钢结构中的H型钢、工字形钢也是开口的,就无需考虑了?……

​ 在之前做新型钢结构体系的时候,参考了同济所编的T型钢异形柱,里面涉及到了双力矩问题。这样就有一个疑问,为什么在之前的钢结构标准、混凝土结构标准中没有这个?然后在冷弯薄壁型钢的规范中有这样一条。

​ 如果是开口构件需要考虑,那么这里有个问题。钢结构中的H型钢、工字形钢也是开口的,就无需考虑了?

为什么常规的结构不用考虑翘曲正应力;为什么开口截面需要考虑这个翘曲正应力。

理论上应该由弹性力学进行求解,但是如果用材料力学之类的方式,就得考虑一些假定了。

对于薄壁开口构件扭转的几个基本假定:

一是扭转时截面形状保持不变;二是中面没有剪切应变

上述两点转化为数学表达式就是:

(1)对于截面上个点,切向位移为: (2)对于中面:

自由扭转下

写出三类方程:

(1)平衡方程 (2)物理方程

​ 理论上需要得到扭矩与广义应变之间的关系

(3)几何方程

首先来考虑自由扭转,就是说满足: 在这种情形下,截面上剪应变满足一定分布规律(具体可参照材料力学书),与转角变化率满足一定关系。继而得到扭矩和转角变化率的关系满足: 这里称为扭转刚度。不过这里并非极惯性矩,参考材料力学书,这是一个变化的数据。

相应可以得到以位移形式表达的平衡方程为: 需要两个边界条件。

​ 此时进一步求得竖向变形。

基于假定中面上没有剪应变,相应有: 保持假定: 则: 相应得到

约束扭转

约束扭转下三类方程:

(1)平衡方程(保持不变) 基于叠加原理。如果将变形分为自由扭转和剩下一部分翘曲变形。相应的纵向变形由两部分组成,对于前一部分自由扭转,记纵向位移,中面沿切向位移

,相应切应变为: 对于后一部分,记纵向位移为,相应切应变为: 根据中面切应变为假定,得到: 推导得到: 再基于一个认为没有轴力情形下,轴线向无变形(这个似乎也可以推导),则有纵向应变为: (这里可以看到的是,翘曲与自由扭转相互是耦合的)。此正应力完全由翘曲变形产生,相应可得到只有翘曲变形下纵向正应力,并进一步得到切应力及相应产生扭矩的表达式。最后得到:

上述即相应的物理方程和几何方程。

平衡方程转化为由位移形式表达的方程,就是: 可以看到区别在于扭矩的表达式发生了变化。

相应边界条件为:

自由端:两个荷载条件

固定端:均为零。

​ 不存在单独的翘曲扭矩,其出现,一定是与自由扭转力矩伴随的。

​ 基于一定边界条件,上述平衡方程可回归到自由扭转时的方程。

不同截面自由扭转刚度对比

1、按照童根树书中所写,等厚度t,边长h的正方形钢管

2、按照材料力学书中长宽比1:1正方形

3、很大薄壁矩形,其

4、相应四肢相等十字型开口薄壁矩形截面,其

假定,对比1,2可以发现薄壁闭口和相应正方形间差距并不大,而如果两者面积相同时,薄壁闭口更大;对比1,4可以发现几乎是1000倍差距。

对于轴心受压构件或压弯、拉弯构件,基于边界上荷载分布,如果产生了双力矩,是会同时产生扭转的。而薄壁构件扭转的影响因素可能相对较大。

在冷弯薄壁的规范中:

5.1.2 计算开口截面的轴心受拉构件的强度时,若轴心力不通过截面弯心(或不通过Z形截面的扇性零点),则应考虑双力矩的影响。

注:本条规定也适用于轴心受压、拉弯、压弯构件。

这里其实讲的就是如果有双力矩,就得考虑。但说明里也说了,翘曲应力计算复杂,故对于闭口截面(实心的也算其中一种吧)、双轴对称截面就不考虑了。(但是实际上还是会有扭转的)。

其他启示

那么接下来回答几个问题:

1、外荷载没有扭矩时是否也会扭?

当然会,如果边界上双力矩不为零的话;

2、为什么闭口截面比开口截面要扭转的小的多?

问题在于扭转刚度的显著差异。闭口截面要大的多。

开口截面使用时有哪些弊端。扭转变形严重(两方面因素),正应力增大。

3、对于圆形或矩形截面等如果有双力矩是否会产生轴向应力?

对于实心截面,材料力学书里写的是圆形不会,矩形、椭圆等会产生少量。感觉应该还是跟翘曲扭转刚度相关。

尽管没有见到完整的推导,但是如果基于薄壁构件约束扭转下的话,就是平衡方程中翘曲扭矩项基本可以忽略,只有自由扭转项。然后由于自由扭转刚度相对较大,相应扭转也会比开口薄壁要好很多。

上述推导中给的启示:应力可以通过叠加原理,基于不同位移(应变)的叠加得到。


2021年12月23日 星期四 天气晴

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