災(zāi)害救援中就地取材支撐件的力學(xué)分析,力學(xué)論文摘要：從力學(xué)角度歸納救援現(xiàn)場(chǎng)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(jù)救援現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況給出常見用于支撐的桿件物品。計(jì)算得出不同受力(支撐)形式下桿件變形、失穩(wěn)、毀壞的條件,比照不同條件之間的差異,結(jié)合救援需求給出非專用桿件支撐的建議。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：救援;形變;應(yīng)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(zāi)禍的救援中,現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜、起重和頂升作業(yè)多,在現(xiàn)場(chǎng)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(duì)各類可能作為支撐件的常見材料進(jìn)行受力、變形分析,對(duì)其穩(wěn)定性做出判定,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)救援提供指導(dǎo)。1、名詞定義為使文章準(zhǔn)確簡(jiǎn)明,在這里針對(duì)救援頂撐、支撐作業(yè)中沒有專門標(biāo)準(zhǔn)或約定俗成叫法的概念進(jìn)行定義;對(duì)僅適用本文的概念進(jìn)行定義。1.1、桿件非專用支撐的桿狀物,如鋼管、木條等。對(duì)形狀為立方體或可近似為立方體的,其最長(zhǎng)邊長(zhǎng)與最短邊長(zhǎng)之比5,其次短邊長(zhǎng)與最短邊長(zhǎng)之比3。對(duì)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(zhǎng)與短軸長(zhǎng)(或直徑)之比5,若為橢圓柱(管)或可近似為橢圓柱(管),其長(zhǎng)軸與短軸之比小于等于3。對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]的型材,型鋼、鋁合金型材等,長(zhǎng)度20cm。對(duì)形狀不規(guī)則的,其最長(zhǎng)軸長(zhǎng)與過垂直于最長(zhǎng)軸長(zhǎng)的橫截面上的形心的最短徑之比5,其過垂直于最長(zhǎng)軸長(zhǎng)的橫截面上的形心的最長(zhǎng)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(xiàn)場(chǎng)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(dá)預(yù)定位置后,由于臨時(shí)或短時(shí)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(yù)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(shí)踐中有受彎可能(圖2)圖2理論上僅受軸向壓力、但實(shí)踐中有受彎可能Fig.2Onlysubjecttoaxialpressure,butitispossibletobendinpractice圖3理論上僅受軸向壓力、但實(shí)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(tài)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(tài)等,在實(shí)踐中有受彎的可能。這種情況下,支撐件失穩(wěn)臨界條件會(huì)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(xì)以受彎還是受剪作為安全條件,要根據(jù)桿件材質(zhì)、力學(xué)性能、被支撐件大小形狀決定。2.4、受扭在救援實(shí)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(zhì)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(jī)器設(shè)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(hào)和規(guī)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(hào)和規(guī)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(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)就地取材桿件的力學(xué)講明桿件定義考慮了救援現(xiàn)場(chǎng)易于找到、易于使用的可就地取材的物體。這些物體的材質(zhì)、形狀等都會(huì)不同程度影響其力學(xué)特性。4.1、桿件的普遍受力形式根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)力與應(yīng)變理論,微觀上,材料受力有受正應(yīng)力和切應(yīng)力兩種狀態(tài)。宏觀上,材料受力有正向拉力(壓力)、扭轉(zhuǎn)、剪切、受彎等幾種狀態(tài)。把微觀和宏觀對(duì)應(yīng)起來,正向拉力(壓力)、受彎對(duì)應(yīng)微觀上的正應(yīng)力,扭轉(zhuǎn)、剪切對(duì)應(yīng)微觀上的切應(yīng)力。4.2、壓桿穩(wěn)定工程上,桿件(細(xì)長(zhǎng)桿)在遭到正向壓力時(shí),因材料不均質(zhì)、軸向壓力與軸線不重合、桿件形狀不理想、外界擾動(dòng)等原因,桿件直線形態(tài)的平衡開場(chǎng)喪失穩(wěn)定性,稱為失穩(wěn)。從受力上講,失穩(wěn)是受彎的一種形式。理論上,材料受正應(yīng)力的能力強(qiáng)于受切應(yīng)力,但對(duì)于具有細(xì)長(zhǎng)特性的桿件來講,受壓失穩(wěn)時(shí),彎矩很大(桿長(zhǎng)),抗彎截面很小(桿細(xì)),容易發(fā)生失穩(wěn)。材料桿件用于支撐時(shí),主要受軸向壓力。當(dāng)軸向壓縮桿件橫截面上的正應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力時(shí),則從強(qiáng)度上保證了桿件的正常工作。但在日常應(yīng)用尤其是救援現(xiàn)場(chǎng)中,就地尋找的桿件形狀不規(guī)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(tài)為軸向壓力作用線與桿件軸線重合的理想狀態(tài),且救援現(xiàn)場(chǎng)擾動(dòng)頻繁,受力過大時(shí)壓桿失穩(wěn)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(yuǎn)大于其保持壓桿穩(wěn)定的能力(不失穩(wěn)),因而,能否保持壓桿穩(wěn)定的臨界條件將作為本文研究支撐件能否安全的標(biāo)準(zhǔn)。下面對(duì)同種材料在救援行動(dòng)中常見的受力形式進(jìn)行比擬。假設(shè)救援行動(dòng)中,使用一根常見的長(zhǎng)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(shí),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(yīng)力,大小為170MPa經(jīng)計(jì)算:該圓鋼理論上可承受超過30000kg的壓力。其受扭轉(zhuǎn)情況:華而不實(shí),Wp為該圓鋼的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù),[]為Q235材料的許用切應(yīng)力,大小為85MPa。經(jīng)計(jì)算:根據(jù):按最可能的情形,扭轉(zhuǎn)的受力點(diǎn)位于圓鋼側(cè)外表:受力點(diǎn)在圓鋼側(cè)外表時(shí),該圓鋼理論上可承受超過8000kg的扭力。其受壓失穩(wěn)情況:上式是兩端鉸支等截面細(xì)長(zhǎng)中心受壓直桿發(fā)生失穩(wěn)的臨界力計(jì)算公式(L.Euler公式)。華而不實(shí),Fcr為發(fā)生失穩(wěn)的臨界力,l為桿件長(zhǎng)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(jīng)查,取Q235鋼的彈性模量E為200GPa。圓柱體截面為圓形,圓形對(duì)圓心慣性矩經(jīng)計(jì)算:該圓鋼理論上失穩(wěn)臨界力約為6000kg。將上述三種情況進(jìn)行比擬能夠發(fā)現(xiàn),在救援支撐中,材料單純抗壓性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于抗扭、失穩(wěn)性能。在上述例子中,抗扭性能略好于失穩(wěn)性能。事實(shí)上,假設(shè)上述圓鋼的長(zhǎng)度短一些,比方長(zhǎng)500mm,其失穩(wěn)臨界力將到達(dá)約245kN,超過抗扭強(qiáng)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(xì)長(zhǎng)桿作支撐件的受壓狀態(tài),失穩(wěn)是最主要的一種材料毀壞形式。4.3、失穩(wěn)與桿件形狀的關(guān)系在壓桿穩(wěn)定的研究中,越細(xì)長(zhǎng)的形狀發(fā)生壓桿失穩(wěn)的臨界條件越低。此處以均勻圓柱體為例,具體講明失穩(wěn)臨界力與細(xì)長(zhǎng)的關(guān)系。圓柱體截面為圓形,圓形對(duì)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(zhǎng)度之比為k,則桿件失穩(wěn)臨界力與k的關(guān)系構(gòu)成如下函數(shù)k作為截面積與長(zhǎng)度之比,衡量了桿件細(xì)長(zhǎng)特性。由式(e)可見,桿的失穩(wěn)臨界力與其細(xì)長(zhǎng)程度成二次關(guān)系。因而上述桿件的定義限定了桿件均為細(xì)長(zhǎng)形狀,以最容易發(fā)生壓桿失穩(wěn)的情況作為臨界條件,確保在實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中有足夠的安全裕量。5、總結(jié)在救援行動(dòng)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(yán)重交通事故中,支撐桿件就地取材數(shù)量大、難以對(duì)每一根的受力能力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)可靠判定。所以在上述環(huán)境下,能夠根據(jù)上文所述,在桿件選擇時(shí)避免過于細(xì)長(zhǎng)盡量選擇筆直的桿件,避免形態(tài)彎