式中 W——为截面的抗弯截面系数,单位为“mm3”。
此式称为弯曲正应力的强度条件。
正应力强度条件可进行三方面的强度计算:
①校核梁的强度。已知荷载、截面和材料,若 Ymax≤[J],则梁是安全的。
②当已知梁的荷载、材料的容许应力和截面形状时,可通过W,计算出截面尺寸。
③已知梁的截面形状、尺寸、材料的容许应力,通过计算Mmax,确定梁所能承受的最大荷载。
(3)梁的合理截面
从正应力强度条件看出,最大正应力的大小与该截面承受的弯矩成正比;与该截面抗弯截面系数成反比。合理地安排荷载位置和支承状况,可以使M减小。但当荷载位置和支承完全确定时,就只有通过提高W来改变梁的抗弯能力。可以从以下两方面选择;
①从正应力的分布特点考虑
梁弯曲时横截面的正应力分布,是沿截面高度呈线性分布的。上、下边缘处应力最大,近中性轴处最小。按强度条件计算时,上下边缘的应力值达到材料容许应力时,中性轴附近大量材料还远未发挥作用。因此,合理截面应该使中性轴附近的材料尽量少,边缘部分的材料尽量多,这样可以物尽其用。
一般地讲,使面积的分布尽可能离中性轴远是有利的,可以提高截面W,但要防止失稳。
②从材料性质考虑
塑性材料的拉、压性能相等,用作梁时,就可以采用对中性轴上下对称的截面,这样可以使最大拉应力和最大压应力同时达到材料的容许应力。而对于像铸铁、混凝土等拉、压性能不等的材料,则应采用上下非对称的截面,以便尽量使上下边缘的应力同时达到容许拉应力和容许压应力。
所以,混凝土梁的截面常常采用T形截面。
又如木材,它是各向异性材料,其顺纹抗拉强度大于顺纹剪切强度,所以即使工字形再好,考虑到材料的性质和加工方面的问题,也不采用,而常用矩形。
还有为减少由于自重引起的弯矩而设计的薄腹梁等等,都是合理截面的实例。
(4)梁的剪应力强度条件
一般条件下,梁的强度是由正应力强度条件控制的,较少发生剪应力引起的破坏。但是有时梁的跨度较小而荷载较大时,在靠近梁支座处也可能发生剪切破坏,这时就需要用剪应力强度条件来控制。
梁的剪应力强度条件应为式中,是材料的容许剪应力。一般情况下,正应力强度条件满足后,剪应力强度条件常常自然满足。
例题:根据梁的正应力强度条件,可以解决的三大问题是( )。
A. 设计截面尺寸、校核刚度、计算梁的最大荷载
B.稳定性计算、校核刚度、计算梁的最大荷载
C. 设计截面尺寸、校核强度、计算梁的最大荷载
D. 裂度计算、校核刚度、计算梁的最大荷载
答案:C