工程力学梁的应力及强度计算样本
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课时授课计划
教学过程：
复习：1、复习刚架构成及特点。
2、复习平面静定刚架内力图绘制过程。
新课：
第九章梁应力及强度计算
第一节纯弯曲梁横截面上正应力
一、纯弯曲横梁截面上正应力计算公式
平面弯曲时，如果某段梁横截面上只有弯矩M，而无剪力Q = 0，这种弯曲称为纯弯曲。
1、矩形截面梁纯弯曲时变形观测
现象：
（1）变形后各横向线仍为直线，只是相对旋转了一种角度，且与变形后梁轴曲线保持垂直，即小矩形格仍为直角；
（2）梁表面纵向直线均弯曲成弧线，并且，靠顶面纵线缩短，靠底面纵线拉长，而位于中间位置纵线长度不变。
2、假设
（1）平面假设：梁变形后，横截面仍保持为平面，只是绕某一轴旋转了一种角度，且仍与变形后梁轴曲线垂直。
中性层：梁纯弯曲变形后，在凸边纤维伸长，凹边纤维缩短，纤维层中必有一层既不伸长也不缩短，这一纤维层称为中性层。
中性轴：中性层与横截面交线称为中性轴。
中性轴将横截面分为两个区域——拉伸区和压缩区。
注意：中性层是对整个梁而言；
中性轴是对某个横截面而言。
中性轴通过横截面形心，是截面形心主惯性轴。
（2）纵向纤维假设：梁是由许多纵向纤维构成，且各纵向纤维之间无挤压。各纵向纤维只产生单向拉伸或压缩。
3、推理
纯弯曲梁横截面上只存在正应力，不存在剪应力。
二、纯弯曲横梁截面上正应力分布规律
由于各纵向纤维只承受轴向拉伸或压缩，于是在正应力不超过比例极限时，由胡克定律可知
ρ
εσy
E
E =⋅=
通过上式可知横截面上正应力分布规律，即横截面上任意一点正应力与该点到中性轴之间距离成正比，也就是正应力沿截面高度呈线性分布，而中性轴上各点正应力为零。
二、惯用截面惯性矩与抗弯截面系数
1、惯用截面惯性矩I Z
惯性矩是截面各微元面积与各微元至截面上某一指定轴线距离二次方乘积积分。
它是与截面形状及尺寸有关几何量。
123bh I C
z =12
3hb I C
y =64
4
D I I C C y z π=
=
2、常用截面抗弯截面系数
在对梁进行强度计算时，总要寻找最大正应力。有公式可知，当y=ymax
时，即截面上离中性轴最远各点处，弯曲正应力最大。
max
max max y I M
I y M Z Z =
⋅=σmax
y I W Z
Z =
令：Z
W M =
max σ则有：
矩形截面抗弯截面系数：圆形截面抗弯截面系数：43
max /64/232
Z Z I d d W y d ππ===
32
max /12/26Z Z I bh bh W y h ===
空心圆截面抗弯截面系数：
D
d
d W z =
-=
ααπ),1(32
43
64
)
( 4 4 d D I I C
C y z - = = π
工字型的抗弯截面系数
5mm
3
)
4(2)]2(21[)2(22
*
y h b y h y y h b S z -=-+⋅-=
将上式带入剪应力公式得：
)
4(222
y h I Q z -=τ
上式表白矩形截面横梁截面上剪应力，沿截面高度呈抛物线规律变化。
在截面上、下边沿处y=±h/2,则=0；在中性轴上，y=0，剪应力值最大，其值为
A Q bh Q bh Qh I Qh y h I Q z z 5.1231288)4(23
2
222max
==⨯==-=τ
即
A Q
5
.1max
=τ
上市阐明：矩形截面横梁截面上最大剪应力为平均剪应力Q/A1.5倍。
综上所述：剪应力沿其截面高度分布规律与正应力不同，正应力最大在截面上下边沿各点，剪应力为零；剪应力最大在中性轴上各点，正应力为零。
三、工字形横截面剪应力
工字形截面是由上、下翼缘及中间腹板构成。
四、圆形截面横梁截面上最大剪应力
圆形截面横梁截面上最大竖向剪应力也都发生在中性轴上，沿中性轴均匀分布。
A
Q
⋅
=
3
4
max
τ
其他形状截面上，普通地说，最大剪应力也出当前中性轴上各点。
结合书P161-162 例8-3进行详细解说。
例1矩形截面简支梁如图,已知：l=2m，h=15cm，b=10cm，
h1=3cm，q=3kN/m。试求A支座截面上K点的剪应力及该截面的最大剪应力。
3
*
4
3
3
236
25
.5
5.4
10
2810
12
15
10
12
cm
y
S
cm
bh
c
z
z
=
⨯
⨯
=
A
=
=
⨯
=
=
I
MPa
b
S
Q
z
z
A
k
252
.0
10
10
10
2810
10
236
10
3
1
4
3
3
=
⨯
⨯
⨯
⨯
⨯
⨯
=
I
=
τ
MPa
A
Q
3.0
10
10
15
10
3
5.1
5.1
2
3
max
=
⨯
⨯
⨯
⨯
=
=
τ
解：1.求剪力：Q
A
=3kN
2.求K点剪应力：
3.求最大剪应力：
A B
l
q
y
z
o
h
b
h
1
y
c
K
3kN
3kN
Q图