作为工科学生或工程师，您知道结构能够处理不同类型的载荷是多么重要。
但是您有没有想过轴向载荷带来的独特问题？与剪切力、扭转载荷和弯曲载荷相比，轴向载荷直接沿结构的轴线施加力。
这意味着在设计、建造和维护结构时，需要考虑一整套全新的事物。
在本文中，我将详细介绍轴向载荷，并涵盖构建可承受这一重要力的结构所需了解的一切。
所以系好安全带，让我们开始吧！
轴向载荷简介
正式定义：
其合力通过特定截面的质心并垂直于截面平面的力。
轴向载荷是一种沿其轴线对结构构件施加压力的载荷。
与剪切力、扭转载荷和弯曲载荷不同，轴向载荷产生的压应力比拉力或剪切力大。
剪切力、扭转载荷和弯曲载荷：差异
剪切力导致应力沿物体的平面分布，而扭转载荷导致应力围绕物体的纵轴分布。
当负载弯曲时，它会产生法向应力和横向剪应力。
正应力包括轴向应力和横向应力，而横向剪应力包括扭转和横向剪应力。
轴向载荷的重要性
轴向载荷很重要，因为它们可以改变植入物的结构及其周围的骨骼。
在工程中，轴向载荷是柱、梁和桁架制造方式中非常重要的一部分。
在生物力学中，轴向载荷可以改变骨骼的移动方式，从而导致骨折或关节置换等损伤。
因此，了解轴向载荷的工作原理在工程学和医学上都很重要。
轴向载荷与横向载荷的区别
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结构构件和轴向载荷
桁架和柱子是两种常见的结构构件类型，它们主要用于承受轴向载荷。
桁架：特点和应用
桁架是用来在其构件中承受轴向力的结构构件。
这些力可以是拉伸力、压缩力或可逆拉伸/压缩力，具体取决于最坏情况下的载荷和载荷组合。
桁架构件使用更少的材料来支撑相同的重量。
这使得它们非常适合需要坚固但又不太重的桥梁或屋顶。
但是桁架成员可以自由移动，只能在一个方向上承载负载。
这意味着它们的强度不足以承受左右移动或弯曲的负载。
列：特性和应用
柱子是钢结构建筑框架的垂直部分，用于支撑承受重轴向压缩载荷的地板梁或地板。
它们主要用于抵抗压缩轴向载荷，但根据它们的设置方式和制造方式，它们还可以抵抗弯曲力和剪切力。
柱子可以是圆形、方形或矩形，它们可以由混凝土、钢材或木材等材料制成。
框架成员：特点和应用
根据它们的设置和制造方式，梁和柱可以沿其长度承受横向和轴向载荷。
它们通常用于支撑建筑和施工项目中的地板、屋顶和墙壁。
但是，与桁架构件不同，框架构件不必只承受轴向载荷；它们还可以支撑横向载荷。
确定最大轴向载荷
建造结构时，重要的是要知道某个构件或结构可以承受多少轴向载荷。
计算立柱的最大轴向载荷
要了解一根柱子可以承受多少轴向载荷，您可以计算出它的 KL/r，然后在表格中查找 cFcr 的值。
可以使用等式 AP=f 计算柱横截面中的应力，其中假定 f 在整个横截面上都相同。
已知屈曲是柱的失效极限状态，方程式给出了柱 (3.1) 的临界屈曲载荷 Pcr。
但要完全计算出给定柱的临界屈曲载荷，您需要更多的方程和方法，并且设计必须考虑柱的端部和材料的特性。
近似最大承载能力
进行钢结构设计并查看相互作用比是粗略了解一个成员可以承载的最大重量的好方法。
交互比是一个成员所能承载的最大重量与实际承载的重量之间的比率。
该比率的倒数告诉您每个成员在断裂前可以承受多少重量。
请务必记住，此方法仅提供估计值。
一个成员实际能够承载的最大载荷可能低于或高于计算值。
最大轴向载荷设计
在设计结构时，根据建筑图纸和其他相关文件粗略确定构件的尺寸，并使用大多数规范和其他土木工程文献中的信息计算出它们的重量。
但是必须构建结构来处理临界负载，这是可以作用在它们上的最大负载。
这是通过将结构在其整个生命周期内可以承受的所有载荷相加来完成的。
这包括活荷载和恒荷载，以及由风、地震和其他可能的荷载引起的荷载。
细长柱中的临界载荷
临界载荷是柱子在开始弯曲之前可以承受的最大轴向重量。
欧拉公式：计算临界载荷
可用欧拉公式求出临界载荷：Pcr = (2EI)/(KL)2，其中Pcr为欧拉临界载荷，E为杨氏弹性模量，I为截面的最小截面二次矩柱（面积惯性矩），K为柱有效长度系数，L为柱无支撑长度。
临界负荷的意义
临界载荷对于确定细柱对轴向压缩力的反应有多长很重要，因为它不取决于材料的强度。
这意味着在构建可能弯曲的薄结构时，工程师需要格外注意长细比，即柱的长度除以其最小回转半径。
高长细比意味着较小的压缩载荷更可能导致结构断裂。
当沿其长度方向被压缩的直柱突然弯曲时，就会发生屈曲。这是列的故障极限状态。
轴向称重传感器及其应用
沿单轴测量力的称重传感器称为轴向称重传感器。
轴向称重传感器的工作原理
轴向称重传感器的工作原理是将施加在其上的力转化为可读可写的电信号。
他们使用应变计来测量轴向载荷改变物体形状的程度。
当力沿其轴施加在称重传感器上时，应变计会弯曲，从而改变它们的电阻。
然后将电阻的变化转化为可以测量的电信号。
轴向称重传感器的应用
轴向安装的称重传感器用于许多领域，例如航空航天、汽车和制造业。
使用轴向称重传感器的一些常见方法是：
- 在建造或使用建筑物和桥梁的结构部件（如梁和柱）时测量它们所受的力。
- 测试用途，例如计算出挤压或拉伸某物需要多大的力，或者使某物断裂或变形需要多大的力。
- 密切关注液压机、起重机和升降机等设备，确保它们安全工作。
- 我将在本文底部列出更多内容。
轴向载荷的其他方面
轴向风荷载
轴向风荷载是风流对建筑物的作用力。
过去，风力，特别是在沿海地区，导致许多建筑物倒塌。
土木工程师使用 ASCE 7-16 修改后的方程式 2.2，该方程式考虑了结构的离地高度及其对人们生命和财产的重要性，计算出离地平面以上不同高度的风速和风压。
土木工程师使用一个公式，该公式考虑了投影面积、风压、阻力系数、暴露系数、阵风响应系数和重要性系数等因素来计算轴向风荷载。
一个公式是 F = A x P x Cd，其中 F 是力或风荷载，A 是物体的投影面积，P 是风压，Cd 是阻力系数。
疲劳强度
可以使用基于轴向载荷和弯曲载荷的疲劳强度比的分析方法来计算结构在轴向载荷和弯曲载荷下的疲劳强度。
在这些方法中，旋转弯曲载荷下的疲劳强度变为轴向载荷下的疲劳强度。
为了解分析模型的工作原理，还可以在两种加载条件下进行高周疲劳试验。
此外，平面应力模型可用于计算材料在其表面上使用时的持续时间，其中一个主要应力通常为零。
最后，SN 曲线可用于计算 N 次循环时的最大许用应力和疲劳强度折减系数 kf。
滚珠轴承和最大轴向载荷
带保持器（或保持架）的径向球轴承主要用于承受径向载荷，但它们也可以承受轴向载荷。
可施加在轴承上的轴向载荷量取决于其尺寸，通常以轴承额定径向载荷的百分比形式给出。
当内孔直径与外圈直径相差较大时，轴承可承受高达径向静载荷50%的轴向载荷。
薄截面轴承中的滚道较浅，这使得它们不太能够承受轴向载荷。
如果轴承需要承受较大的轴向载荷，则应使用角接触轴承。
它们的内部制造方式与深沟球轴承不同，因此它们可以承受更高的轴向载荷。
具有一定内径的球轴承的最大轴向载荷取决于几个因素，例如轴承的尺寸、轴承滚道的深度，以及是否承受较大的径向或力矩载荷。
可施加在轴承上的轴向载荷量通常作为轴承径向载荷额定值的近似值给出。
SKF 为串联或背对背/面对面配置的单个轴承和轴承对提供最小轴向和径向载荷。
滚珠轴承所能承受的最大压力取决于它们的内部制造方式。
结构中的轴向载荷
当力直接沿结构的轴线施加在结构上时，这称为轴向载荷。
当存在点载荷时，载荷点附近的应力远高于平均应力。
这会导致非常复杂的变形，因为应力状态非常复杂。
法向应力和剪切应力都是测量横截面平均应力的方法。
无论您沿着横截面看哪里，应力的大小都是相同的。
点载荷是来自外部的力集中在一个小区域。
用例
以下是一些可以使用轴向载荷的方法：
| 用于： | 描述： |
|---|---|
| 专栏设计 | 柱子是用于支撑轴向载荷的结构构件的一个很好的例子。例如，在建筑物中，柱子支撑上面的地板和屋顶的重量，这会产生柱子必须抵抗的压缩轴向载荷。轴向载荷是设计柱子时要考虑的重要事项，以确保它们不会在力的作用下弯曲或折断。 |
| 桥梁 | 在设计桥梁时，轴向载荷也是需要考虑的非常重要的事情。压缩轴向载荷是由桥梁及其承载的车辆的重量引起的。桥梁必须能够承受这些载荷。桥梁也会受到风、地震和交通等因素的影响，所有这些都会产生弯矩和剪力。为了建造安全有用的桥梁，重要的是要了解这些负载如何相互作用。 |
| 塔式设计 | 高压缩轴向载荷施加在输电塔、蜂窝塔和风力涡轮机等塔上。在制作这些结构时，您必须考虑它们的加载方式、材料以及塔的高度和宽度等。为确保这些结构安全且经久耐用，您需要了解轴向载荷如何影响它们。 |
| 制造和测试 | 轴向载荷也是制造和测试中的一个重要概念，其中材料和产品必须能够承受一定的载荷而不断裂或变形。使用轴向力传感器等测试工具，您可以了解材料或产品在断裂前可以承受多少轴向载荷。 |
| 航空航天应用 | 在设计用于太空的火箭、导弹和其他运载工具时，轴向载荷可能非常重要。轴向载荷可能由车辆的重量、速度或振动引起。为了构建安全有效的系统，了解轴向载荷如何影响车辆的结构部件非常重要。 |
结论
正如我们在本文中所见，轴向载荷是设计和建造能够承受作用力的结构的关键部分。
在处理这个重要的力时，有很多事情需要考虑，从了解长而细的立柱的独特挑战到将轴向力传感器添加到您的工程工具包中。
但轴向载荷也提醒人们，工程是一个总是在变化的复杂领域。
随着我们不断突破可能的极限，我们将不可避免地面临新的问题，这些问题需要我们创造性地思考并共同努力解决。
因此，下次您处理轴向载荷时，请保持开放的心态并做好学习的准备。
谁知道下一个拐角处有什么新事物？
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