土木工程力学习题答案第3-4章

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圆钢 选 30圆钢
两根角钢 查型钢表
选2∟36×36×5等边角钢( )
钢丝
取n=200
3-5-9图3-24所示三角支架,AB为圆截面钢杆,许用应力[σ]=160MPa;BC为正方形截面木杆,许用应力[σ]=10MPa。荷载FP=30kN,试由强度条件设计钢杆、木杆的尺寸。
结点B
钢杆BA
图3-24设计杆的尺寸
3-6-6实验:在橡皮筋上画两道线标注长 50mm的工作长度,加载做实验。(图3-30)标号80g/㎡的A4纸每张约重0.05N,用A4纸给橡皮筋加载。
1、用两张A4纸加载,量得工作长度的伸长量 =5.5mm。则线应变 。
2、增减吊重的重量,使 ,则此时的线应变
。 。假设橡皮筋仍在弹性范围工作,由胡克定律的应力-应变形式图3-30理解弹性模量
1.
FNAB=16kN
FNBC=22kN
2.
FNAB=-15kN
FNBC=-15kN+30kN=15kN
FNCD=35kN
图3-5用简易截面法求轴力
3-3-4看动画“柱的轴力函数”(图3-6),了解将任意截面的轴力表达成关于截面位置的函数式,借助坐标系转换为函数图线,再转变为工程应用的轴力图的过程。
3-4-5看视频“危险截面”(图3-17),试计算该危险截面的面积。
图3-17危险截面
3-4-6图3-18所示矩形截面直杆,两端的宽度加大,钻孔以施加拉力。试计算1-1、2-2、3-3截面的正应力。确定危险截面
1-1截面
2-2截面
1-1截面
图3-18指定截面的正应力直杆中间段各截面为危险截面
3.5 直杆轴向拉压时的强度计算(一)班级 姓名 座号
取钢杆的直径d = 20.4mm。
木杆BC
取木杆正方形截面的边长a = 78mm。
3-5-10图3-25所示可以安装在墙壁或柱子上的旋转式起重机,用电动葫芦提升或移动重物,旋臂的转动由人力操作。设电动葫芦吊重5kN并在图示位置,钢拉杆BC的直径d = 10mm,许用应力 。(1)校核拉杆的强度;(2)确定拉杆容许承受的拉力。
6
6
6.5
7
结论
力与变形成正比
3-6-4填空:1.工程中的直杆在轴向拉伸压缩时也产生弹性变形,只是不容易察觉。
2.试在图3-29中写出胡克定律的三种形式。它们反映材料在弹性范围内外力、变形、内力一致的量的关系。
3.E为材料的弹性模量,反映材料抵抗弹性变形的能力。
图3-29胡克定律的三种形式
3-6-5钢锯条的工作长度为30mm,宽 11mm,厚0.6mm,钢的弹性模量 。要使锯条伸长0.01mm,需在其两端施加多大拉力?
3-4-3看视频“直杆拉压时横截面的应力”、动画“直杆拉压应力计算”。(图3-15)
填空:1.直杆拉压时横截面的正应力公式为 。其中FN为轴力,A为面积。
2.1m2= mm2,1cm2= mm2;圆截
面的直径d=10cm,面积A=7854mm2。
判断:1.应力是内力在截面上的分布。(×)图3-15直杆拉压时横截面的应力
(1)画隔离体的受力图;(2)画轴力图;(3)危险截面的应力计算;(4)校核强度。
图3-19中,钢拉杆AB的轴力FN=17.32kN,钢材的许用应力[σ]=160MPa。设该杆分别为如下横截面,试校核拉杆的强度。
1.横截面为正方形,边长a=12mm。

强度足够
2.横截面为圆形,直径d=12mm。

强度足够图3-19校核拉杆的强度
等于-114kN;
FNCB读为BC杆段C截面的轴力,
等于-126.6k来自百度文库;
绝对值最大的轴力发生在C截面。图3-7轴力图
3.3 直杆轴向拉压时的内力(二)班级 姓名 座号
3-3-6试画图3-8所示各杆的轴力图。
图3-8画轴力图
3-3-7画图3-9所示竖杆不计自重,画杆的轴力图。
图3-9画竖杆的轴力图
3-3-8试画图3-10所示各杆的轴力图。
图3-4求指定截面的内力
3-3-3看动画“简易法计算轴力”。
填空(选填轴,横,正,负,变化,不变):1.杆件截面的轴力等于截面一侧轴向外力的代数和。外力单独作用,使截面附近杆段伸长为正。2.轴力随轴向外力变化而变化,无外力作用区段,轴力为零。
用简易截面法求图3-5所示杆件各段的轴力。区段不含轴向集中力的作用点。
3-5-1填空:杆件材料抵抗破坏的能力称为杆件的强度。工程上是用杆中分布内力的密集程度——应力来标志杆件的强度是否足够。轴向拉压杆的强度条件为 式中, 为杆件的最大工作应力。发生最大工作应力的截面称为危险截面。FN、A为该截面的轴力和面积。[σ]称为许用应力,也称容许应力。
3-5-2写出轴向拉压强度校核的步骤:
3-7-1看图片“工程中的轴向拉伸压缩直杆”、视频“悬索结构”、“桁架”,(课件第3章知识拓展),了解直杆拉伸压缩在工程中的应用。
图3-31工程中的轴向拉伸压缩直杆
3-7-2看视频“惯性”、“抽桌布”“谁先断”、“缓慢起吊”,(课件3.6),动手做实验。
3-5-3图3-20给出了某钢板的轴力图,钢板的宽度b=100mm,厚度t=10mm,钉孔直
径d=20mm,许用应力[σ]=160Mpa。校核钢板的强度。
1-2、2-2截面削弱最多,是可能的危险截面;这两个截面的面积相同,轴力较大的1-1截面为危
险截面。
钢板的强度足够图3-20校核钢板的强度
3-5-4图3-21所示正方形截面砖柱,上段横截面边长a1=240mm,下段横截面边长a2=370mm,砖的许用应力[σ]=10MPa,试校核柱的强度。

3-5-7图3-23所示厂房桁架,已知钢拉杆ID的轴力FNID= 80kN,钢杆的许用应力 =160MPa。试确定该杆横截面的面积。
图3-23设计拉杆的直径

3-5-8某钢拉杆的两端承受100kN, ,它的横截面假若为如下形状,
试设计截面:(1)有圆钢 27、 28、 30、 32可供选择,试选择圆钢型号;(2)拉杆由两根等边角钢组成,试选角钢型号(查附录B型钢规格表);(3)拉杆为钢丝束,每根钢丝的直径d = 2 mm,试确定钢丝束中钢丝的根数
1、10号工字钢2、10号槽钢3、等边角钢4、钢管
(50×50×6)(外径60,壁厚7.99)
图3-16型钢
=100000N/1430m㎡=100000N/1274m㎡=100000N/568.8m㎡=100000N/1306m㎡
=69.9MPa=78.5MPa=175.8MPa=76.6MPa
其中空心圆截面面积
图3-3内力的存在
现象:拉伸过程中,随着拉力增大,松紧带变长,A、B截面间的距离增大,中间黑块变长。
结论:1.由于外部作用,伴随变形所产生的杆件内部的相互作用力称为杆件的内力。2.外力、变形、内力同时存在,并且同步一致。
画图计算:为了计算内力,需用截面法。已知上图宽松紧带两端受拉力5N,用截面法计算A截面上的内力。
得此时的 , 0.65MPa。
可见,弹性模量相当于将橡皮筋拉到原来的两倍所对应的正应力,与应力的单位相同。
2、钢的弹性模量 。假设能将钢杆拉长到原来的两倍,而且仍在弹性范围工作,则此时杆中的正应力 。
比较橡皮筋与钢杆的 值可见,弹性模量 反映材料抵抗弹性变形的能力。
3.7 直杆拉伸压缩在工程中的应用班级 姓名 座号
图3-10画轴力图
3-3-9图3-11a、b表示同一根绳子由几个力气相当的学生分别拉伸,试问哪一种拉法绳子比较危险?请画轴力图来解释自己的猜想。
图3-11四人拉绳与两人拉绳图3-12计柱的自重画轴力图
3-3-10图3-12所示大理石柱,柱高h=10m,圆截面直径d=1m,材料的容重 。柱顶作用轴向压力FP=500kN,试计石柱的自重,画轴力图。填空:最大轴力发生在B截面,等于-712.1kN。
图3-22校核三角架的强度
AB杆

BC杆

三角架的强度足够
3.5 直杆轴向拉压时的强度计算(二)班级 姓名 座号
3-5-6写出轴向拉压杆件截面设计的步骤:
(1)画隔离体的受力图;(2)画轴力图;(3)危险截面的应力、强度条件
已知杆件AB的轴力FN=20kN,材料的许用应力[σ]= 100MPa,试按强度条件确定杆件横截面的面积A。
3-2-2看动画“组合变形”(图3-2),填空(选填:纵,横,轴):常用外力分解图3-1柱的受力变形
分组的方法将组合变形分解为基本变形。外力分解的形式有(1)外力沿杆件轴向、横向分解;(2)外力向杆件的轴线平移。
图3-2外力分解分组
3.3 直杆轴向拉压时的内力(一)班级 姓名 座号
3-3-1看视频、动画“内力的存在”,动手做小实验:取宽松紧带,用水笔划线(图3-3)。两端拉伸松紧带,观察变形现象并分析原因。
2. 在轴力相等的杆段,面积越大的截面,其应力也越大。(×)
3.杆段所受轴力为压力时,横截面的应力为压应力。(∨)
计算:已知直杆某截面的轴力FN=30kN,横截面面积A=300mm2,计算横截面上的正应力。
3-4-4看图片“型钢”(课件4.4试一试资源链接)。设轴向拉压杆分别由图3-16所示型钢做成,轴力FN=100kN,计算横截面上的正应力。
结点B
(1)校核拉杆的强度

强度足够
图3-25拉杆的强度计算(2)确定拉杆的许可拉力
杆BC可承受拉力12.6kN
3.6 直杆拉伸压缩时的变形班级 姓名 座号
3-6-1看视频“弹性变形与塑性变形”,(图3-26)动手做小实验。
实验元件:铁丝,支座块
图3-26弹性变形与塑性变形
填空:固体在外力作用下会产生两种不同性质的变形:一种是弹性变形——当外力撤除时随着消失的变形;外力较大时,固体除了产生弹性变形外,还会产生塑性变形——外力撤除之后残留下来的变形。
等截面柱段,上段的B截面、下段的C截面为可能危险截面。
上段的B截面为危险截面

柱的强度足够图3-21校核砖柱的强度
3-5-5图3-22所示三角支架,AB杆由10号槽钢做成,CB杆由10号工字钢做成,许用应力[σ]=160MPa。校核三角架的强度。
取结点B为隔离体,画受力图。选择投影方程的使用顺序,可以不解联立方程。
实验元件:笔记本,橡皮筋
填空:应力的单位是Pa(读作“帕斯卡”)。1Pa=1N/㎡。工程中常用MPa(读作“兆帕”)做单位。试完成下列单位转换:
1MPa= Pa= N/m2= 1N/mm2
今后,在有关应力的计算中,常用N、mm、MPa单位系。即力以N为单位,长度以mm为单位,计算结果应力的单位为MPa;力以N为单位,应力以MPa为单位,计算结果长度的单位为mm;应力以MPa为单位,长度以mm为单位,计算结果力的单位为N。
1)截:在需求内力的A横截面处,假想地用平面将杆件截开;
2)取;取截面左侧的杆段为隔离体;
3)画:画隔离体的受力图;
4)平衡:列平衡方程解未知力。
3-3-2求图3-4所示轴向拉压杆1-1、2-2截面的内力。1-1截面在力作用点B的左侧,无限邻近点B。
1-1截面的内力 未知轴力设为拉力
2-2截面的内力
3.4 直杆拉压时横截面的正应力(一)班级 姓名 座号
3-4-1看动画“分布内力、应力”(图3-13)。
填空:连续分布在截面上的内力称为分布内力。法向分布内力ΔFN在一点处的面集度σ称为正应力,切向分布内力ΔFS在一点处的面集度τ称为切应力。
图3-13分布内力与应力图3-14应力单位体验
3-4-2看视频、动画“应力单位的体验”(图3-14)。运用身边的物品做小实验体验1MPa。
3-6-2看视频“弹性变形”、“钢筋加工”(课件3.5,图3-27)。了解生活中或实验室的一些弹性变形,了解工程中塑性变形的应用。
3-6-3看视频“胡克定律”(课件3.5),动手做实验(图3-28)。
实验元件:橡皮筋,线,垫圈图3-27弹性变形
图3-28胡克定律
荷载
FP
2FP
3FP
4FP
变形量 /mm
3-3-5试在图3-7所示轴力图上,标出各组成部分的名称(选填基线、图线、纵坐标值、纵坐标线、正负号、图名、单图3-6轴力函数
位),并根据图示阶梯柱的轴力图填空:
示范:FNAB读为AB杆段A截面的轴力,
等于-50kN;
FNBA读为AB杆段B截面的轴力,
等于-53.98kN;
FNBC读为BC杆段B截面的轴力,
3.1、3.2 直杆的受力变形班级 姓名 座号
3-1-1看视频、动画“杆件基本受力变形形式”(课件3.1),动手做小实验。
实验元件:海绵杆
画图表示杆件基本受力变形形式
3-1
3-2-1看视频“力的平移”、动画“柱的受力变形形式”(图3-1),动手做小实验。了解力的平移定理在杆件受力变形分析中的运用。
实验元件:海绵杆
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