災害救援中就地取材支撐件的力學分析,力學論文

災害救援中就地取材支撐件的力學分析,力學論文摘要：從力學角度歸納救援現場常見支撐形式,分析不同支撐形式之間桿件的受力情況。根據救援現場實際情況給出常見用于支撐的桿件物品。計算得出不同受力(支撐)形式下桿件變形、失穩、毀壞的條件,比照不同條件之間的差異,結合救援需求給出非專用桿件支撐的建議。本文關鍵詞語：救援;形變;應力;Abstract：Concludethecommonsupportformsintherescuescenefromthestandpointofmechanicsandanalysisforceconditionsofsupportframesbetweendifferentsupportforms.Providecommonsupportframesthatareusedtosupportasthematteroffact.Aftercalculatingconditionsofsupportframesbecomedeformed,unstableanddestroyedindifferentforces(support),comparingthediscrepancyofvariousconditions,andthencombiningrescuedemandstogivesomesuggestionsofnon-dedicatedsupportframes.Keyword：rescue;metamorphoses;tesion;在交通事故、地震與建筑坍塌等事故災禍的救援中,現場情況復雜、起重和頂升作業多,在現場就地取材使用木棍(條、桿、塊)、鋼材、鋁材、混凝土材料等作為支撐件難以避免。本文對各類可能作為支撐件的常見材料進行受力、變形分析,對其穩定性做出判定,對現場救援提供指導。1、名詞定義為使文章準確簡明,在這里針對救援頂撐、支撐作業中沒有專門標準或約定俗成叫法的概念進行定義;對僅適用本文的概念進行定義。1.1、桿件非專用支撐的桿狀物,如鋼管、木條等。對形狀為立方體或可近似為立方體的,其最長邊長與最短邊長之比5,其次短邊長與最短邊長之比3。對形狀為圓柱(管)、橢圓柱(管)或可近似為圓柱(管)、橢圓柱(管)的桿件,其軸線長與短軸長(或直徑)之比5,若為橢圓柱(管)或可近似為橢圓柱(管),其長軸與短軸之比小于等于3。對國家標準[1]的型材,型鋼、鋁合金型材等,長度20cm。對形狀不規則的,其最長軸長與過垂直于最長軸長的橫截面上的形心的最短徑之比5,其過垂直于最長軸長的橫截面上的形心的最長徑與最短徑之比3。本文所述桿件不包括符合上述條件的各類液壓頂桿等救援器材。1.2、被支撐物救援現場需要被起吊、抬升的物體,如車輛、樓板、混凝土塊、石塊等。1.3、支撐件被支撐物起吊、抬升到達預定位置后,由于臨時或短時間保持其位置的物體。本文所討論支撐件均為就地取材的桿件,不包括各類液壓頂桿等救援器材。本文中,支撐件與桿件的定義一樣。1.4、頂升件將被支撐物頂升至預定位置的專門救援器材,如千斤頂、液壓頂桿、起重氣墊、吊車等。2、支撐的種類2.1、僅受軸向壓力的支撐(圖1)圖1僅受軸向壓力的支撐Fig.1Supportedbyaxialpressure支撐桿件與地面垂直,被支撐物的支撐接觸面與地面平行。該情況下支撐件僅受軸向壓力。2.2、理論上僅受軸向壓力、但實踐中有受彎可能(圖2)圖2理論上僅受軸向壓力、但實踐中有受彎可能Fig.2Onlysubjecttoaxialpressure,butitispossibletobendinpractice圖3理論上僅受軸向壓力、但實踐中有受彎可能Fig.3Onlysubjecttoaxialpressure,butitispossibletobendinpractice圖2、圖3是車輛事故救援中常見的支撐形式。理想狀態下,支撐件僅受軸向壓力,但考慮桿的形狀、頂撐接觸面的狀態等,在實踐中有受彎的可能。這種情況下,支撐件失穩臨界條件會有所降低。2.3、受彎、受剪支撐(圖4)圖4受彎、受剪支撐Fig.4Supportedbybendingorshear支撐件作為梁,不受軸向力。詳細以受彎還是受剪作為安全條件,要根據桿件材質、力學性能、被支撐件大小形狀決定。2.4、受扭在救援實踐中,支撐桿件專門承載扭矩的情況很少見,但考慮桿件的固定等情況,有可能遭到扭矩。3、可能作為支撐件的材料就地取材意味著支撐件主要來源于木材、型鋼、建材等。從材質上看,主要有混凝土、水泥、木材、金屬、塑料。從種類上看,主要有建筑材料、型鋼、其它金屬型材、車輛和機器設備的零件、樹木、家具木材等[2]。3.1、金屬類3.1.1、各類型鋼[1]包括各種型號和規格的角鋼、槽鋼、工字鋼、T型鋼、H型鋼、Z型鋼、空心型鋼、鋼管等。3.1.2、各類非鋼金屬型材包括各種型號和規格的鋁型材等。3.2、非金屬類主要是各類家具和建筑中使用的木料[2]。主要包括松木、竹類、花梨木、紅酸枝、榆木等。4、對救援現場就地取材桿件的力學講明桿件定義考慮了救援現場易于找到、易于使用的可就地取材的物體。這些物體的材質、形狀等都會不同程度影響其力學特性。4.1、桿件的普遍受力形式根據當前的應力與應變理論,微觀上,材料受力有受正應力和切應力兩種狀態。宏觀上,材料受力有正向拉力(壓力)、扭轉、剪切、受彎等幾種狀態。把微觀和宏觀對應起來,正向拉力(壓力)、受彎對應微觀上的正應力,扭轉、剪切對應微觀上的切應力。4.2、壓桿穩定工程上,桿件(細長桿)在遭到正向壓力時,因材料不均質、軸向壓力與軸線不重合、桿件形狀不理想、外界擾動等原因,桿件直線形態的平衡開場喪失穩定性,稱為失穩。從受力上講,失穩是受彎的一種形式。理論上,材料受正應力的能力強于受切應力,但對于具有細長特性的桿件來講,受壓失穩時,彎矩很大(桿長),抗彎截面很小(桿細),容易發生失穩。材料桿件用于支撐時,主要受軸向壓力。當軸向壓縮桿件橫截面上的正應力不超過材料的許用應力時,則從強度上保證了桿件的正常工作。但在日常應用尤其是救援現場中,就地尋找的桿件形狀不規則、材料性能未知、桿件放置位置限制多,不可能保證其工作狀態為軸向壓力作用線與桿件軸線重合的理想狀態,且救援現場擾動頻繁,受力過大時壓桿失穩不可避免。在我們的討論中,金屬、木材、混凝土等材料抗壓的能力均遠大于其保持壓桿穩定的能力(不失穩),因而,能否保持壓桿穩定的臨界條件將作為本文研究支撐件能否安全的標準。下面對同種材料在救援行動中常見的受力形式進行比擬。假設救援行動中,使用一根常見的長度為1000mm,直徑為50mm,Q235圓柱狀低碳鋼作為支撐件。其受壓情況:華而不實,A為該圓鋼的橫截面積,大小為1.9610-3m2[]為Q235材料的軸向壓縮許用應力,大小為170MPa經計算:該圓鋼理論上可承受超過30000kg的壓力。其受扭轉情況:華而不實,Wp為該圓鋼的扭轉截面系數,[]為Q235材料的許用切應力,大小為85MPa。經計算:根據:按最可能的情形,扭轉的受力點位于圓鋼側外表:受力點在圓鋼側外表時,該圓鋼理論上可承受超過8000kg的扭力。其受壓失穩情況:上式是兩端鉸支等截面細長中心受壓直桿發生失穩的臨界力計算公式(L.Euler公式)。華而不實,Fcr為發生失穩的臨界力,l為桿件長度,I為桿件橫截面最小形心主慣性矩,E為材料彈性模量。經查,取Q235鋼的彈性模量E為200GPa。圓柱體截面為圓形,圓形對圓心慣性矩經計算:該圓鋼理論上失穩臨界力約為6000kg。將上述三種情況進行比擬能夠發現,在救援支撐中,材料單純抗壓性能遠遠好于抗扭、失穩性能。在上述例子中,抗扭性能略好于失穩性能。事實上,假設上述圓鋼的長度短一些,比方長500mm,其失穩臨界力將到達約245kN,超過抗扭強度。但是,在救援中,用于支撐的桿件遭到較大扭矩的情形非常罕見,因而在細長桿作支撐件的受壓狀態,失穩是最主要的一種材料毀壞形式。4.3、失穩與桿件形狀的關系在壓桿穩定的研究中,越細長的形狀發生壓桿失穩的臨界條件越低。此處以均勻圓柱體為例,具體講明失穩臨界力與細長的關系。圓柱體截面為圓形,圓形對圓心慣性矩將I帶入式(a)將式(c)改寫為含截面積A的表示出式令桿件截面積與長度之比為k,則桿件失穩臨界力與k的關系構成如下函數k作為截面積與長度之比,衡量了桿件細長特性。由式(e)可見,桿的失穩臨界力與其細長程度成二次關系。因而上述桿件的定義限定了桿件均為細長形狀,以最容易發生壓桿失穩的情況作為臨界條件,確保在實戰應用中有足夠的安全裕量。5、總結在救援行動中,桿件的支撐是確保救援人員和被救者安全的重要物件。在地震、泥石流、山體滑坡和嚴重交通事故中,支撐桿件就地取材數量大、難以對每一根的受力能力進行現場可靠判定。所以在上述環境下,能夠根據上文所述,在桿件選擇時避免過于細長盡量選擇筆直的桿件,避免形態彎