灾害救援中就地取材支撑件的力学分析

　　摘    要：　从力学角度归纳救援现场常见支撑形式, 分析不同支撑形式之间杆件的受力情况。根据救援现场实际情况给出常见用于支撑的杆件物品。计算得出不同受力 (支撑) 形式下杆件变形、失稳、破坏的条件, 对比不同条件之间的差异, 结合救援需求给出非专用杆件支撑的建议。

　　关键词：　救援; 形变; 应力;

　　Abstract：　Conclude the common support forms in the rescue scene from the standpoint of mechanics and analysis force conditions of support frames between different support forms. Provide common support frames that are used to support as the matter of fact. After calculating conditions of support frames become deformed, unstable and destroyed in different forces (support) , comparing the discrepancy of various conditions, and then combining rescue demands to give some suggestions of non-dedicated support frames.

　　Keyword：　rescue; metamorphoses; tesion;

　　在交通事故、地震与建筑坍塌等事故灾害的救援中, 现场情况复杂、起重和顶升作业多, 在现场就地取材使用木棍 (条、杆、块) 、钢材、铝材、混凝土材料等作为支撑件难以避免。本文对各类可能作为支撑件的常见材料进行受力、变形分析, 对其稳定性做出判断, 对现场救援提供指导。

　　1、 名词定义

　　为使文章准确简明, 在此针对救援顶撑、支撑作业中没有专门标准或约定俗成叫法的概念进行定义;对仅适用本文的概念进行定义。

　　1.1、 杆件

　　非专用支撑的杆状物, 如钢管、木条等。

　　对形状为立方体或可近似为立方体的, 其最长边长与最短边长之比≥5, 其次短边长与最短边长之比≤3。

　　对形状为圆柱 (管) 、椭圆柱 (管) 或可近似为圆柱 (管) 、椭圆柱 (管) 的杆件, 其轴线长与短轴长 (或直径) 之比≥5, 若为椭圆柱 (管) 或可近似为椭圆柱 (管) , 其长轴与短轴之比小于等于3。

　　对国家标准[1]的型材, 型钢、铝合金型材等, 长度≥20 cm。

　　对形状不规则的, 其最长轴长与过垂直于最长轴长的横截面上的形心的最短径之比≥5, 其过垂直于最长轴长的横截面上的形心的最长径与最短径之比≤3。

　　本文所述杆件不包括符合上述条件的各类液压顶杆等救援器材。

　　1.2、 被支撑物

　　救援现场需要被起吊、抬升的物体, 如车辆、楼板、混凝土块、石块等。

　　1.3、 支撑件

　　被支撑物起吊、抬升达到预定位置后, 由于临时或短时间保持其位置的物体。本文所讨论支撑件均为就地取材的杆件, 不包括各类液压顶杆等救援器材。本文中, 支撑件与杆件的定义相同。

　　1.4、 顶升件

　　将被支撑物顶升至预定位置的专门救援器材, 如千斤顶、液压顶杆、起重气垫、吊车等。

　　2、 支撑的种类

　　2.1、 仅受轴向压力的支撑 (图1)

　　图1 仅受轴向压力的支撑Fig.1 Supported by axial pressure

　　支撑杆件与地面垂直, 被支撑物的支撑接触面与地面平行。该情况下支撑件仅受轴向压力。

　　2.2、 理论上仅受轴向压力、但实践中有受弯可能 (图2)

　　图2 理论上仅受轴向压力、但实践中有受弯可能Fig.2 Only subject to axial pressure, but it is possible to bend in practice

　　图3 理论上仅受轴向压力、但实践中有受弯可能Fig.3 Only subject to axial pressure, but it is possible to bend in practice

　　图2、图3是车辆事故救援中常见的支撑形式。理想状态下, 支撑件仅受轴向压力, 但考虑杆的形状、顶撑接触面的状态等, 在实践中有受弯的可能。这种情况下, 支撑件失稳临界条件会有所降低。

　　2.3、 受弯、受剪支撑 (图4)

　　图4 受弯、受剪支撑Fig.4 Supported by bending or shear

　　支撑件作为梁, 不受轴向力。具体以受弯还是受剪作为安全条件, 要根据杆件材质、力学性能、被支撑件大小形状决定。

　　2.4、 受扭

　　在救援实践中, 支撑杆件专门承载扭矩的情况很少见, 但考虑杆件的固定等情况, 有可能受到扭矩。

　　3、 可能作为支撑件的材料

　　就地取材意味着支撑件主要来源于木材、型钢、建材等。从材质上看, 主要有混凝土、水泥、木材、金属、塑料。从种类上看, 主要有建筑材料、型钢、其它金属型材、车辆和机器设备的零件、树木、家具木材等[2]。

　　3.1、 金属类

　　3.1.1、 各类型钢[1]

　　包括各种型号和规格的角钢、槽钢、工字钢、T型钢、H型钢、Z型钢、空心型钢、钢管等。

　　3.1.2、 各类非钢金属型材

　　包括各种型号和规格的铝型材等。

　　3.2、 非金属类

　　主要是各类家具和建筑中使用的木料[2]。主要包括松木、竹类、花梨木、红酸枝、榆木等。

　　4、 对救援现场就地取材杆件的力学说明

　　杆件定义考虑了救援现场易于找到、易于使用的可就地取材的物体。这些物体的材质、形状等都会不同程度影响其力学特性。

　　4.1、 杆件的普遍受力形式

　　根据目前的应力与应变理论, 微观上, 材料受力有受正应力和切应力两种状态。宏观上, 材料受力有正向拉力 (压力) 、扭转、剪切、受弯等几种状态。把微观和宏观对应起来, 正向拉力 (压力) 、受弯对应微观上的正应力, 扭转、剪切对应微观上的切应力。

　　4.2、 压杆稳定

　　工程上, 杆件 (细长杆) 在受到正向压力时, 因材料不均质、轴向压力与轴线不重合、杆件形状不理想、外界扰动等原因, 杆件直线形态的平衡开始丧失稳定性, 称为失稳。

　　从受力上讲, 失稳是受弯的一种形式。

　　理论上, 材料受正应力的能力强于受切应力, 但对于具有细长特性的杆件来说, 受压失稳时, 弯矩很大 (杆长) , 抗弯截面很小 (杆细) , 容易发生失稳。

　　材料杆件用于支撑时, 主要受轴向压力。当轴向压缩杆件横截面上的正应力不超过材料的许用应力时, 则从强度上保证了杆件的正常工作。但在日常应用尤其是救援现场中, 就地寻找的杆件形状不规则、材料性能未知、杆件放置位置限制多, 不可能保证其工作状态为轴向压力作用线与杆件轴线重合的理想状态, 且救援现场扰动频繁, 受力过大时压杆失稳不可避免。在我们的讨论中, 金属、木材、混凝土等材料抗压的能力均远大于其保持压杆稳定的能力 (不失稳) , 因此, 能否保持压杆稳定的临界条件将作为本文研究支撑件是否安全的标准。

　　下面对同种材料在救援行动中常见的受力形式进行比较。

　　假设救援行动中, 使用一根常见的长度为1000 mm, 直径为50 mm, Q235圆柱状低碳钢作为支撑件。

　　其受压情况:

　　其中, A为该圆钢的横截面积, 大小为1.96×10-3 m2

　　[σ]为Q235材料的轴向压缩许用应力, 大小为170 MPa

　　经计算:

　　该圆钢理论上可承受超过30000 kg的压力。

　　其受扭转情况:

　　其中, Wp为该圆钢的扭转截面系数, [τ]为Q235材料的许用切应力, 大小为85 MPa。

　　经计算:

　　根据:

　　按最可能的情形, 扭转的受力点位于圆钢侧表面:

　　受力点在圆钢侧表面时, 该圆钢理论上可承受超过8000 kg的扭力。

　　其受压失稳情况:

　　上式是两端铰支等截面细长中心受压直杆发生失稳的临界力计算公式 (L.Euler公式) 。其中, Fcr为发生失稳的临界力, l为杆件长度, I为杆件横截面最小形心主惯性矩, E为材料弹性模量。经查, 取Q235钢的弹性模量E为200 GPa。

　　圆柱体截面为圆形, 圆形对圆心惯性矩

　　经计算:

　　该圆钢理论上失稳临界力约为6000 kg。

　　将上述三种情况进行比较可以发现, 在救援支撑中, 材料单纯抗压性能远远好于抗扭、失稳性能。在上述例子中, 抗扭性能略好于失稳性能。事实上, 假设上述圆钢的长度短一些, 比如长500 mm, 其失稳临界力将达到约245 kN, 超过抗扭强度。但是, 在救援中, 用于支撑的杆件受到较大扭矩的情形非常罕见, 因此在细长杆作支撑件的受压状态, 失稳是最主要的一种材料破坏形式。

　　4.3、 失稳与杆件形状的关系

　　在压杆稳定的研究中, 越“细长”的形状发生压杆失稳的临界条件越低。

　　此处以均匀圆柱体为例, 详细说明失稳临界力与“细长”的关系。

　　圆柱体截面为圆形, 圆形对圆心惯性矩

　　将I带入式 (a)

　　将式 (c) 改写为含截面积A的表达式

　　令杆件截面积与长度之比为k, 则杆件失稳临界力与k的关系形成如下函数

　　k作为截面积与长度之比, 衡量了杆件“细长”特性。由式 (e) 可见, 杆的失稳临界力与其“细长”程度成二次关系。

　　因此上述杆件的定义限定了杆件均为“细长”形状, 以最容易发生压杆失稳的情况作为临界条件, 确保在实战应用中有足够的安全裕量。

　　5、 总结

　　在救援行动中, 杆件的支撑是确保救援人员和被救者安全的重要物件。在地震、泥石流、山体滑坡和严重交通事故中, 支撑杆件就地取材数量大、难以对每一根的受力能力进行现场可靠判断。所以在上述环境下, 可以按照上文所述, 在杆件选择时避免过于“细长”;尽量选择笔直的杆件, 避免形态弯曲;如果需要轴向支撑, 要注意杆件与地面的接触位置, 保证接触位置尽量平整, 且受力方向与杆件轴向尽量重合;需要受剪受弯支撑时, 尽量使杆件受力“变弯为剪”, 从而更好地发挥出杆件力学性能, 保护救援人员和被困者的安全。

　　参考文献：

　　[1] GB/T 706-2008:热轧型钢[S].
　　[2]张帆, 李黎, 张立, 等.五种家具常用木材弹性常数及力学性能参数的测定[J].林业机械与木工设备, 2012 (1) .