作為工科學生或工程師，您知道結構能夠處理不同類型的載荷是多麼重要。
但是您有沒有想過軸向載荷帶來的獨特問題？與剪切力、扭轉載荷和彎曲載荷相比，軸向載荷直接沿結構的軸線施加力。
這意味著在設計、建造和維護結構時，需要考慮一整套全新的事物。
在本文中，我將詳細介紹軸向載荷，並涵蓋構建可承受這一重要力的結構所需了解的一切。
所以係好安全帶，讓我們開始吧！
軸向載荷簡介
正式定義：
其合力通過特定截面的質心並垂直於截面平面的力。
軸向載荷是一種沿其軸線對結構構件施加壓力的載荷。
與剪切力、扭轉載荷和彎曲載荷不同，軸向載荷產生的壓應力比拉力或剪切力大。
剪切力、扭轉載荷和彎曲載荷：差異
剪切力導致應力沿物體的平面分佈，而扭轉載荷導致應力圍繞物體的縱軸分佈。
當負載彎曲時，它會產生法向應力和橫向剪應力。
正應力包括軸向應力和橫向應力，而橫向剪應力包括扭轉和橫向剪應力。
軸向載荷的重要性
軸向載荷很重要，因為它們可以改變植入物的結構及其周圍的骨骼。
在工程中，軸向載荷是柱、樑和桁架製造方式中非常重要的一部分。
在生物力學中，軸向載荷可以改變骨骼的移動方式，從而導致骨折或關節置換等損傷。
因此，了解軸向載荷的工作原理在工程學和醫學上都很重要。
軸向載荷與橫向載荷的區別
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結構構件和軸向載荷
桁架和柱子是兩種常見的結構構件類型，它們主要用於承受軸向載荷。
桁架：特點和應用
桁架是用來在其構件中承受軸向力的結構構件。
這些力可以是拉伸力、壓縮力或可逆拉伸/壓縮力，具體取決於最壞情況下的載荷和載荷組合。
桁架構件使用更少的材料來支撐相同的重量。
這使得它們非常適合需要堅固但又不太重的橋樑或屋頂。
但是桁架成員可以自由移動，只能在一個方向上承載負載。
這意味著它們的強度不足以承受左右移動或彎曲的負載。
列：特性和應用
柱子是鋼結構建築框架的垂直部分，用於支撐承受重軸向壓縮載荷的地板梁或地板。
它們主要用於抵抗壓縮軸向載荷，但根據它們的設置方式和製造方式，它們還可以抵抗彎曲力和剪切力。
柱子可以是圓形、方形或矩形，它們可以由混凝土、鋼材或木材等材料製成。
框架成員：特點和應用
根據它們的設置和製造方式，樑和柱可以沿其長度承受橫向和軸向載荷。
它們通常用於支撐建築和施工項目中的地板、屋頂和牆壁。
但是，與桁架構件不同，框架構件不必只承受軸向載荷；它們還可以支撐橫向載荷。
確定最大軸向載荷
建造結構時，重要的是要知道某個構件或結構可以承受多少軸向載荷。
計算立柱的最大軸向載荷
要了解一根柱子可以承受多少軸向載荷，您可以計算出它的 KL/r，然後在表格中查找 cFcr 的值。
可以使用等式 AP=f 計算柱橫截面中的應力，其中假定 f 在整個橫截面上都相同。
已知屈曲是柱的失效極限狀態，方程式給出了柱 (3.1) 的臨界屈曲載荷 Pcr。
但要完全計算出給定柱的臨界屈曲載荷，您需要更多的方程和方法，並且設計必須考慮柱的端部和材料的特性。
近似最大承載能力
進行鋼結構設計並查看相互作用比是粗略了解一個成員可以承載的最大重量的好方法。
交互比是一個成員所能承載的最大重量與實際承載的重量之間的比率。
該比率的倒數告訴您每個成員在斷裂前可以承受多少重量。
請務必記住，此方法僅提供估計值。
一個成員實際能夠承載的最大載荷可能低於或高於計算值。
最大軸向載荷設計
在設計結構時，根據建築圖紙和其他相關文件粗略確定構件的尺寸，並使用大多數規範和其他土木工程文獻中的信息計算出它們的重量。
但是必須構建結構來處理臨界負載，這是可以作用在它們上的最大負載。
這是通過將結構在其整個生命週期內可以承受的所有載荷相加來完成的。
這包括活荷載和恆荷載，以及由風、地震和其他可能的荷載引起的荷載。
細長柱中的臨界載荷
臨界載荷是柱子在開始彎曲之前可以承受的最大軸向重量。
歐拉公式：計算臨界載荷
可用歐拉公式求出臨界載荷：Pcr = (2EI)/(KL)2，其中Pcr為歐拉臨界載荷，E為楊氏彈性模量，I為截面的最小截面二次矩柱（面積慣性矩），K為柱有效長度係數，L為柱無支撐長度。
臨界負荷的意義
臨界載荷對於確定細柱對軸向壓縮力的反應有多長很重要，因為它不取決於材料的強度。
這意味著在構建可能彎曲的薄結構時，工程師需要格外注意長細比，即柱的長度除以其最小迴轉半徑。
高長細比意味著較小的壓縮載荷更可能導致結構斷裂。
當沿其長度方向被壓縮的直柱突然彎曲時，就會發生屈曲。這是列的故障極限狀態。
軸向稱重傳感器及其應用
沿單軸測量力的稱重傳感器稱為軸向稱重傳感器。
軸向稱重傳感器的工作原理
軸向稱重傳感器的工作原理是將施加在其上的力轉化為可讀可寫的電信號。
他們使用應變計來測量軸向載荷改變物體形狀的程度。
當力沿其軸施加在稱重傳感器上時，應變計會彎曲，從而改變它們的電阻。
然後將電阻的變化轉化為可以測量的電信號。
軸向稱重傳感器的應用
軸向安裝的稱重傳感器用於許多領域，例如航空航天、汽車和製造業。
使用軸向稱重傳感器的一些常見方法是：
- 在建造或使用建築物和橋樑的結構部件（如樑和柱）時測量它們所受的力。
- 測試用途，例如計算出擠壓或拉伸某物需要多大的力，或者使某物斷裂或變形需要多大的力。
- 密切關注液壓機、起重機和升降機等設備，確保它們安全工作。
- 我將在本文底部列出更多內容。
軸向載荷的其他方面
軸向風荷載
軸向風荷載是風流對建築物的作用力。
過去，風力，特別是在沿海地區，導致許多建築物倒塌。
土木工程師使用 ASCE 7-16 修改後的方程式 2.2，該方程式考慮了結構的離地高度及其對人們生命和財產的重要性，計算出離地平面以上不同高度的風速和風壓。
土木工程師使用一個公式，該公式考慮了投影面積、風壓、阻力係數、暴露係數、陣風響應係數和重要性係數等因素來計算軸向風荷載。
一個公式是 F = A x P x Cd，其中 F 是力或風荷載，A 是物體的投影面積，P 是風壓，Cd 是阻力係數。
疲勞強度
可以使用基於軸向載荷和彎曲載荷的疲勞強度比的分析方法來計算結構在軸向載荷和彎曲載荷下的疲勞強度。
在這些方法中，旋轉彎曲載荷下的疲勞強度變為軸向載荷下的疲勞強度。
為了解分析模型的工作原理，還可以在兩種加載條件下進行高週疲勞試驗。
此外，平面應力模型可用於計算材料在其表面上使用時的持續時間，其中一個主要應力通常為零。
最後，SN 曲線可用於計算 N 次循環時的最大許用應力和疲勞強度折減係數 kf。
滾珠軸承和最大軸向載荷
帶保持器（或保持架）的徑向球軸承主要用於承受徑向載荷，但它們也可以承受軸向載荷。
可施加在軸承上的軸向載荷量取決於其尺寸，通常以軸承額定徑向載荷的百分比形式給出。
當內孔直徑與外圈直徑相差較大時，軸承可承受高達徑向靜載荷50%的軸向載荷。
薄截面軸承中的滾道較淺，這使得它們不太能夠承受軸向載荷。
如果軸承需要承受較大的軸向載荷，則應使用角接觸軸承。
它們的內部製造方式與深溝球軸承不同，因此它們可以承受更高的軸向載荷。
具有一定內徑的球軸承的最大軸向載荷取決於幾個因素，例如軸承的尺寸、軸承滾道的深度，以及是否承受較大的徑向或力矩載荷。
可施加在軸承上的軸向載荷量通常作為軸承徑向載荷額定值的近似值給出。
SKF 為串聯或背對背/面對面配置的單個軸承和軸承對提供最小軸向和徑向載荷。
滾珠軸承所能承受的最大壓力取決於它們的內部製造方式。
結構中的軸向載荷
當力直接沿結構的軸線施加在結構上時，這稱為軸向載荷。
當存在點載荷時，載荷點附近的應力遠高於平均應力。
這會導致非常複雜的變形，因為應力狀態非常複雜。
法向應力和剪切應力都是測量橫截面平均應力的方法。
無論您沿著橫截面看哪裡，應力的大小都是相同的。
點載荷是來自外部的力集中在一個小區域。
用例
以下是一些可以使用軸向載荷的方法：
| 用於： | 描述： |
|---|---|
| 專欄設計 | 柱子是用於支撐軸向載荷的結構構件的一個很好的例子。例如，在建築物中，柱子支撐上面的地板和屋頂的重量，這會產生柱子必須抵抗的壓縮軸向載荷。軸向載荷是設計柱子時要考慮的重要事項，以確保它們不會在力的作用下彎曲或折斷。 |
| 橋樑 | 在設計橋樑時，軸向載荷也是需要考慮的非常重要的事情。壓縮軸向載荷是由橋樑及其承載的車輛的重量引起的。橋樑必須能夠承受這些載荷。橋樑也會受到風、地震和交通等因素的影響，所有這些都會產生彎矩和剪力。為了建造安全有用的橋樑，重要的是要了解這些負載如何相互作用。 |
| 塔式設計 | 高壓縮軸向載荷施加在輸電塔、蜂窩塔和風力渦輪機等塔上。在製作這些結構時，您必須考慮它們的加載方式、材料以及塔的高度和寬度等。為確保這些結構安全且經久耐用，您需要了解軸向載荷如何影響它們。 |
| 製造和測試 | 軸向載荷也是製造和測試中的一個重要概念，其中材料和產品必須能夠承受一定的載荷而不斷裂或變形。使用軸向力傳感器等測試工具，您可以了解材料或產品在斷裂前可以承受多少軸向載荷。 |
| 航空航天應用 | 在設計用於太空的火箭、導彈和其他運載工具時，軸向載荷可能非常重要。軸向載荷可能由車輛的重量、速度或振動引起。為了構建安全有效的系統，了解軸向載荷如何影響車輛的結構部件非常重要。 |
結論
正如我們在本文中所見，軸向載荷是設計和建造能夠承受作用力的結構的關鍵部分。
在處理這個重要的力時，有很多事情需要考慮，從了解長而細的立柱的獨特挑戰到將軸向力傳感器添加到您的工程工具包中。
但軸向載荷也提醒人們，工程是一個總是在變化的複雜領域。
隨著我們不斷突破可能的極限，我們將不可避免地面臨新的問題，這些問題需要我們創造性地思考並共同努力解決。
因此，下次您處理軸向載荷時，請保持開放的心態並做好學習的準備。
誰知道下一個拐角處有什麼新事物？
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