H型截面受彎構件試驗

1、鋼結構基本原理實驗報告共 頁）姓 名：學 號：專 業(yè)： 土木工程地下系學 院： 土木工程學院試驗名稱：H型截面受彎構件試驗試驗時間：2012年 5 月 22 日試驗組號：1試驗目的H梁-31、通過試驗掌握鋼構件的試驗方法， 包括試件設計、 加載裝置設計、 測點布置、試驗結果整理等方法。2、通過試驗觀察 H型截面受彎構件的失穩(wěn)過程和失穩(wěn)模式。將理論 極限承載力和實測承載力進行對比， 驗證彈性臨界彎矩公式和規(guī)范 計算公式。2試驗原理2.1 受彎構件的主要破壞形式? 截面強度破壞： 即隨著彎矩的增大，截面自外向內逐漸達到屈服 點，截面彈性核逐漸減小，最后相鄰截面在玩具作用下幾乎可以 自由轉動，此時截

2、面即達到了抗彎承載力極限，發(fā)生強度破壞； 另外若構件剪力最大處達到材料剪切屈服值，也視為強度破壞。? 整體失穩(wěn)： 單向受彎構件在荷載作用下，雖然最不利截面的彎矩 或者與其他內力的組合效應還低于截面的承載強度，但構件可能 突然偏離原來的彎曲變形平面，發(fā)生側向撓曲或者扭轉，即構件 發(fā)生整體失穩(wěn)。? 局部失穩(wěn)： 如果構件的寬度與厚度的比值太大，在一定荷載條件 下，會出現(xiàn)波浪狀的鼓曲變形，即局部失穩(wěn)；局部失穩(wěn)會惡化構件的受力性能，是構件的承載強度不能充分發(fā)揮2.2 基本微分方程距端點為 z 處的截面在發(fā)生彎扭失穩(wěn)后， 截面的主軸和縱軸的切線方 向與變形前坐標軸之間產生了一定的夾角， 把變形后截面的兩主

3、軸方 向和構件的縱軸切線方向分別記為，則：? = - ? ?；? = - ?；? = ? -? ? ；或： ? + ? = 0；? + ? = 0；? - ? - ? = 0； 第一式是繞強軸的彎曲平衡方程，僅是關于變位 ? 的方程，后兩式 則是變位 ?和 的耦連方程，表現(xiàn)為梁整體失穩(wěn)的彎扭變形性質。2.3 彎扭失穩(wěn)的臨界荷載值（1）彈性屈曲范圍 由上述基本微分方程可求得純彎梁的彎扭屈曲臨界彎矩公式，即：? =?2? ?2? ? ?又由繞 y 軸彎曲失穩(wěn)繞 z 軸扭轉失穩(wěn)?Ey =?2?2? ?2?E = (? ?2? + ?)/ ?02 ?2? ( 1 + ?2?)可推得：? = ?0?Ey

4、?E = ?0?Ey?E/?Ey考慮支撐條件的變化：?2? ? ?2 ?(?)2? = (?)2 ? ?2 +?2? 其中： ? 和 ? 為支撐條件決定的系數(shù) 考慮荷載作用方式的變化：? =?1?其中： ?1為荷載作用方式系數(shù)，純彎曲時取 1.0 ；滿跨均布荷載時 取 1.13 ；跨中中央一點集中荷載時取 1.35 ；兩端作用等值反向彎矩 時取 2.65 。? =?2?12 ? ?2a+ ?3?考慮截面形式變化：+ (?2a + ?3?)2 ?2 + ?(1+?2?2?)其中： a 為橫向荷載作用點到截面剪力中心的距離； ? 為反映截面不均勻程度的參數(shù)；?2、?3為與荷載類型有關的截面系數(shù)，

5、純彎是分別為 0和 1 ； 滿跨均布時分別取 0.46 和 0.53; 跨中中央一點集中荷 載時分別取 0.55 和 0.40 。2）非彈性屈曲?2(?)?2? (?)?( ?)? + ?2(?)?1+2 ?2(?)?其中：（ ?）?、（?）?、（?）? 均為考慮塑性影響的截面有效剛度； ?為考慮沿構件軸向應力對扭轉影響的系數(shù)；2.4 穩(wěn)定系數(shù)計算公式規(guī)范規(guī)定，受彎構件穩(wěn)定系數(shù)計算公式如下：?14320? = ? 2 1+?2 ?1( 4.?4?1)+ ? 235?0.282? = 1.07-1.0?3. 試驗設計 3.1 試件設計考慮的因素： 實現(xiàn)試驗目的、考慮加載能力、考慮經濟條件試件材質

6、： 鋼材 Q235B試件描述： H型截面 H Btwtf 100404.0 4.0mm 試件加工圖和照片3.2 支座設計模擬的邊界條件： 端部可繞強軸自由轉動、端部可繞弱軸自由轉動、端部不可扭轉、端部可以自由翹曲；設計原理： 水平方向用雙刀口夾緊試件上下翼緣的側邊，從而可以起到限制梁的側向位移，但允許繞強軸轉動的條件；豎向梁端部擱置在支座上，可以自由轉動，但無法發(fā)生扭轉及豎向位移，從而達到模擬簡支梁的效果。支座簡圖及照片：3.3 測點布置應變片和位移計布置原理： 需要測量的數(shù)據： 荷載、應變、變形、 轉角；測點數(shù)量應該合理（考慮數(shù)據的必要性以及可以利用的通 道數(shù)等）；測點的布置應該方便控制試驗

7、過程； 數(shù)據之間應該可以 相互印證。應變片布置圖位移計布置圖3.4 加載裝置設計加載原理： 逐級在吊籃上添加質量塊，使上述重量通過吊籃設備 傳至簡支梁跨中部位，形成集中荷載； 加載裝置所模擬的荷載條件： 兩端鉸支梁在跨中作用集中荷載加載方式：單調加載；加載初期：分級加載，每級荷載約 10%*Pu，時間間隔 約 2 分鐘 ；接近破壞：連續(xù)加載，合理控制加載速率，連續(xù)采集 數(shù)據卸載階段：緩慢卸載加載裝置圖：3.5 制定加載制度單調加載加載初期： 分級加載 每級荷載約 10% Pu 時間間隔約為 2 分鐘 接近破壞： 連續(xù)加載 合理控制加載速率 連續(xù)采集數(shù)據 卸載階段： 緩慢卸載 4. 試驗準備4.

8、1 實測試件截面 實測截面圖如圖所示所測數(shù)據如下表所示實測截面平均值截面 1截面 2截面 3截面高度 Hmm100.04101.1599.8799.10截面寬度 Bmm40.1439.7840.0540.58腹板厚度 Twmm2.782.792.742.81翼緣厚度 Tfmm2.792.882.762.73試件長度 Lmm2500.002500.002500.002500.00刀口厚度mm50.0050.0050.0050.00試件跨度mm2400.00材性試驗屈服強度 fyMPa306.77彈性模量 EMPa206000.00拉斷強度 fuMPa434.644.2 試件拉伸試驗試驗結果如下表

9、試件編號屈服強度拉伸強度延伸率（ %）127941231227640532326139532426839832525539134626240532平均值267402324.3 設備標定（已完成）需要標定的設備：千斤頂、油壓傳感器、位移計、應變片、數(shù)據采集板4.4 檢查測點逐個檢查測點是否工作正常4.5 根據實測截面和實測材料特性估算承載力根據彈性理論McrL4 Pcr 即 Pcr4 M cr4?2?2+ ?2? )?= ?1?2?2a+ ?3?+ (?2a + ?3?)2 +( 1?1)若按鉸接計算，求得：Pcr 2.612kN(266.53kg)2)若按剛接計算，求得：Pcr 6.018kN

10、(614.13kg)根據鋼結構設計規(guī)范24320?1 2 235?= ? ?2 ? 1 + ( 4.?4?1) + ? ?(1) 若按鉸接計算，求得：Pcr 1.988kN(202.86kg)(2) 若按剛接計算，求得：Pcr 5.482kN(559.35kg)4.6 試件對中主要步驟： 水平放置、幾何對中、應變對中4.7 預加載檢查設備是否工作正常檢查應變片和位移計壓緊試件，消除空隙預加載荷載一般為極限承載力的 30%5. 試驗結果初步分析5.1 實驗現(xiàn)象描述加載初期：外加荷載較小，構件應力較小，處于彈性階段，無明顯變形；初步判斷出構件可能發(fā)生失穩(wěn)的方向， 即向玻璃一側。接近破壞：構件向玻璃

11、一側的外彎和扭轉變形逐漸明顯。破壞現(xiàn)象：構件明顯出現(xiàn)向玻璃一側的外彎和扭轉變形，表明梁的跨中部分出現(xiàn)較大的內彎變形。破壞模式： 梁出現(xiàn)整體的平面外彎扭失穩(wěn) 破壞前后構件的比較照片 :破壞前：破壞后；5.2 繪制相關曲線荷載應變曲線荷載位移曲線荷載 位移圖位移（ -m1 m ）位移 1 位移 2 位移 3 位移 4 位移 55.3 實測承載力與理論值比較數(shù)據匯總? 根據歐拉理論計算臨界失穩(wěn)荷載 Pcr = 230.58KN? 根據鋼結構設計規(guī)范計算臨界失穩(wěn)荷載 Pcr =162.35KN? 實測得到臨界失穩(wěn)荷載 Pcr = 240.43KN結果分析從上述數(shù)據可知，實測臨界失穩(wěn)荷載遠大于根據線彈性理論計算的臨界失穩(wěn)荷載以及根據鋼結構設計規(guī)范計算的臨界失穩(wěn)荷載?？紤]原因主要有以下幾點：（1）兩端支座雖設計為鉸接， 但由于加載過程截面接觸難免產生 壓力和摩擦力， 增大了對柱子的約束， 從而增大了其臨界失 穩(wěn)荷載；2）在我國鋼結構設計規(guī)范采用方法中有：以初彎曲為 l/1000,選用不同的界面形式， 不同的殘余應力模式計算出近 200 條 柱子曲線。并使用數(shù)理方程的統(tǒng)計方式，將這些曲線分成 4 組，公式采用了偏于安全的系數(shù)。（3）每次加載之后，未等到足夠的時間即進行下一級加載，從而 造成實測失穩(wěn)臨界值大于真實的失穩(wěn)臨界值。（4）截面測量存在誤差， 從而導致應用公式得出的理論臨界值普 遍偏小