理解扭转的铺垫扭转的分类: 自由扭转 :圣维南扭矩(St. Venant Torsion),这个是理想化的概念,实际应用中伴随着结构连接和边界条件的复杂性。 这种扭转,只会在截面内产生剪应力。 ? 约束扭转 :翘曲扭矩(Warping Torsion),这个是开口型截面常会遇到的情况。
理解扭转的铺垫
扭转的分类:
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自由扭转 :圣维南扭矩(St. Venant Torsion),这个是理想化的概念,实际应用中伴随着结构连接和边界条件的复杂性。
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?
约束扭转 :翘曲扭矩(Warping Torsion),这个是开口型截面常会遇到的情况。
由于约束的存在,相邻截面之间有了约束变形能力,这样就会带来
附加的正应力和剪应力。
总结一下各种截面类型的适用情况,这张表为设计师在进行扭转分析时提供了快速参考,指出了在设计和分析时应重点考虑哪种扭矩效应。
对于
矩形和椭圆形空心截面 ,封闭的形状和较高的扭转刚度使得圣维南扭矩成为主要类型。同时,这些截面的几何特性限制了翘曲变形的发生,通常可以忽略翘曲扭矩的影响。
对于
薄壁冷弯截面 ,由于截面薄、开口,以及扭转时的翘曲效应,圣维南扭矩相对于翘曲扭矩通常是次要的。设计和分析这类结构时,
需要特别注意翘曲扭矩的影响。
扭转的基本公式
理解扭转的计算公式,需要了解“剪力流”和 应力
× 面积
× 力臂 = 力偶。我们以圆为例,较为好理解。
翘曲的影响
对于H型截面,关键是翘曲的影响。因为约束,带来
两个相邻横截面的翘曲幅度不同 ,就会引起附加的正应力。实体截面可以忽略,但是开口薄壁就不能忽略。
以上的分解图中分别呈现了偏心荷载作用下,H型钢梁的正应力和剪应力的组成部分,一目了然。
这是欧标给出的分析方法,只看剪应力图,是不是感觉少了什么?
这个地方还存在不同的观点,欢迎一起聊聊你的看法。
悬臂梁上的扭转
下面给出了一个受力简图的案例,悬臂梁受到了两种典型的荷载:偏心的集中荷载,偏心的均布荷载。
有整体杆件的受力图,有截面的应力图,这样对比看一下,是不是就了解个八九不离十了。
搞工程的人,对常识有个基本的理解,那结果的判断多半也不会有大的偏差,毕竟软件技术只会越来越先进。
截面选择
对于偏心荷载对于构件承载力的影响程度,有这么一张表可见一斑。其中三种类型的截面面积都是相等的。
所以上面这样一对比,就显而易见,想经济,就尽量不要扭。如果真的扭,也不用怕,算一算,比一比,是改布置方案,还是改截面硬上,就可以游刃有余地进行选择了。
小结
关于扭的各种参数:圣维南扭转常数 (
J ),翘曲惯性矩 (
I ω ),弯矩双力矩(
B ),翘曲扭矩(
M w ),各种复杂的公式就不在文中一一罗列了。
附上开头说的小福利,也就是关于这个话题的内容,
点公众号,发消息“006”,可获得欧标、美标的抗扭设计文本资料,里面有详细的设计案例,还有一个美标的设计小软件。
参考资料:
SCI PUBLICATION P385 DES GN OF STEEL BEAMS NTORS ON In accordance with Eurocodes and the UK National Annexes
AISC Steel Design Guide Series Torsional Analysis of Structured Steel Members
https://structural-analyser.com/
《薄壁杆件的弯曲与扭转》郝际平