同濟大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)試驗自主實驗報告

1、鋼結(jié)構(gòu)基本原理自主實驗“H型柱受壓構(gòu)件試驗” 實驗報告小組成員：實驗教師： 楊彬?qū)嶒灂r間： 2016.11.8一、實驗?zāi)康?. 通過試驗掌握鋼構(gòu)件的試驗方法，包括試件設(shè)計、加載裝置設(shè)計、測點布置、試驗結(jié)果整理等方法。2. 通過試驗觀察工字形截面軸心受壓柱的失穩(wěn)過程和失穩(wěn)模式。 3. 將理論極限承載力和實測承載力進行對比，加深對軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)計算公式的理解。二、實驗原理1、軸心受壓構(gòu)件的可能破壞形式軸心受壓構(gòu)件的截面若無削弱，一般不會發(fā)生強度破壞，整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)總發(fā)生在強度破壞之前。其中整體失穩(wěn)破壞是軸心受壓構(gòu)件的主要破壞形式。軸心受壓構(gòu)件在軸心壓力較小時處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，如有微小干擾

2、力使其偏離平衡位置， 則在干擾力除去后，仍能回復(fù)到原先的平衡狀態(tài)。隨著軸心壓力的增加，軸心受壓構(gòu)件會由穩(wěn)定平衡狀態(tài)逐步過渡到隨遇平衡狀態(tài)，這時如有微小干擾力使基偏離平衡位置，則在干擾力除去后，將停留在新的位置而不能回復(fù)到原先的平衡位置。隨遇平衡狀態(tài)也稱為臨界狀態(tài)，這時的軸心壓力稱為臨界壓力。當(dāng)軸心壓力超過臨界壓力后，構(gòu)件就不能維持平衡而失穩(wěn)破壞。軸心受壓構(gòu)件整體失穩(wěn)的破壞形式與截面形式有密切關(guān)系，與構(gòu)件的長細比也有關(guān)系。一般情況下，雙軸對稱截面如工形截面、H形截面在失穩(wěn)時只出現(xiàn)彎曲變形，稱為彎曲失穩(wěn)。 2、基本微分方程（1）鋼結(jié)構(gòu)壓桿一般都是開口薄壁桿件。根據(jù)開口薄壁桿件理論，具有初始缺陷的軸

3、心壓桿的彈性微分方程為：由微分方程可以看出構(gòu)件可能發(fā)生彎曲失穩(wěn)，扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，或彎扭失穩(wěn)。對于H型截面的構(gòu)件來說由于 所以微分方程的變?yōu)椋?由以上三個方程可以看出：Ø 3個微分方程相互獨立Ø 只可能單獨發(fā)生繞x彎曲失穩(wěn)，或繞y軸彎曲失穩(wěn)，或繞桿軸扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。Ø 失穩(wěn)形式的類型取決于長細比，長細比大的發(fā)生。（2）H字型截面壓桿的計算長度和長細比為：繞 X軸彎曲失穩(wěn)計算長度：，長細比繞Y軸彎曲失穩(wěn)計算長度：，長細比繞Z軸扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)計算長度：，端部不能扭轉(zhuǎn)也不能翹曲時，長細比上述長細比均可化為相對長細比：（3）穩(wěn)定性系數(shù)計算公式H字型截面壓桿的彎曲失穩(wěn)極限承載力：根據(jù)歐拉公式得

4、佩利公式：再由公式可算出軸心壓桿的穩(wěn)定性系數(shù)。（4）、柱子曲線這里我們參考國家規(guī)范給出的由柱子曲線確定的穩(wěn)定系數(shù)取值表格 三、實驗設(shè)計1、試件設(shè)計考慮因素：1) 充分考慮實驗?zāi)康?，設(shè)計構(gòu)件的破壞形式為沿弱軸彎曲失穩(wěn)；2) 合理設(shè)計構(gòu)件的尺寸，使其能夠在加載儀器上加載；3) 考慮一定經(jīng)濟性。最終設(shè)計形式Ø 試件截面（工字形截面）；Ø h×b×tw×tf61.868×31.116×3.328×3.328mm；Ø 試件長度：L10001300mm；Ø 鋼材屈服強度：355MPa具體截面形式如下圖：2、

5、支座設(shè)計設(shè)計原理：單刀口支座由3塊鋼板組成，上面一塊鋼板下表面開有縱槽；下鋼板設(shè)有一道縱刀口。將這2 塊鋼板和在一起就組成了單刀口支座，通過擺放，可以讓構(gòu)件繞弱軸彎曲方向與刀口轉(zhuǎn)向一致。具體形式見下圖：3、測點布置構(gòu)件跨中截面布置了應(yīng)變片和位移計?？紤]到構(gòu)件是雙軸對稱截面，所以會沿弱軸失穩(wěn)，將應(yīng)變片貼在翼緣兩端，將位移計接在X,Y軸上應(yīng)變片實際測點編號S11_5S21_6S31_7S41_8位移計D11_2D21_3荷載1_14、加載設(shè)計（1）加載方式千斤頂單調(diào)加載本試驗中的時間均采用豎向放置。采用油壓千斤頂和反力架施加豎向荷載。加載初期：分級加載；每級荷載約10%Pu；時間間隔約2min。接

6、近破壞：連續(xù)加載；合理控制加載速率；連續(xù)采集數(shù)據(jù)。卸載階段：緩慢卸載。（2）加載裝置圖（3）加載原理千斤頂在雙刀口支座上產(chǎn)生的具有一定面積的集中荷載通過刀口施加到試件上，成為近似的線荷載，在弱軸平面內(nèi)是為集中于軸線上的集中力。四、實驗前準(zhǔn)備 1、實驗構(gòu)件相關(guān)數(shù)據(jù)測量翼緣厚度t1翼緣厚度t2沿腹板長度H寬度B13.123.5661.4231.23233.4460.9931.2133.253.6761.7530.8843.153.7162.3231.1153.23.1862.8631.153.1443.512平均翼緣厚度及腹板厚度3.32861.86831.116材性實驗：屈服強度fy355.4彈

7、性模量E2060002、實驗前承載力估算采用實測截面和實測材料特性進行承載力計算1） 歐拉荷載： 2)按規(guī)范公式計算 根據(jù)柱子曲線取值表，根據(jù)上面的值，可以得到C類曲線中，并由此計算得到 理論上承載力在25.142KN31.069KN之間（理想情況下）。3、構(gòu)件對中及測量設(shè)備的檢查檢查相應(yīng)的位移計和應(yīng)變片看測量是否良好，確定位移計的正負(fù)方向。并按照：豎向放置軸心受壓幾何對中應(yīng)變對中的順序完成實驗前的準(zhǔn)備。五、實驗現(xiàn)象記錄與數(shù)據(jù)處理1、 試驗現(xiàn)象（1）加載初期：構(gòu)件本身已有一定程度的彎曲，其他無明顯現(xiàn)象，隨著加載的上升，柱子的位移及應(yīng)變呈線性變化，說明構(gòu)件處于彈性階段。（2）接近破壞：應(yīng)變不能保

8、持線性發(fā)展，跨中截面繞弱軸方向位移急劇增大。（3）破壞現(xiàn)象：柱子明顯彎曲，支座處刀口明顯偏向一側(cè)（可能已經(jīng)上下刀口板已經(jīng)碰到），千斤頂作用力無法繼續(xù)增加，試件繞弱軸方向失穩(wěn)，力不再增大位移也急劇增加，說明構(gòu)件已經(jīng)達到了極限承載力，無法繼續(xù)加載。卸載后，有殘余應(yīng)變，說明構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生了塑性變形。（4）破壞模式：繞弱軸彎曲失穩(wěn)破壞。（5）破壞照片： 局部照片 整體照片2、實驗數(shù)據(jù)分析由圖可知實際的承受荷載是在11.6KN左右，與理論計算的荷載相差甚多，但其根本原因在于加載構(gòu)件在加載前本身彎曲較大，所以在二階彎矩作用下會導(dǎo)致所能承受的荷載大幅度減小，同時由于實驗構(gòu)件要繼續(xù)重復(fù)利用下去，工人師傅也不讓我

9、們加載到失穩(wěn)，所以數(shù)值較小?？梢栽O(shè)想，如果構(gòu)件是比較理想的，那么其最終能承受的荷載應(yīng)該在歐拉荷載之下，規(guī)范荷載之上。3、 分析試驗結(jié)果和理論值之間的差異，分析產(chǎn)生這種差異的原因。1）歐拉公式是采用“理想彈性壓桿模型”，即假定桿件是等截面直桿，壓力的作用線與截面的形心縱軸重合，材料是完全均勻和彈性的，沒有考慮構(gòu)件的初始缺陷如材料不均、初始偏心及初彎曲等的影響，但在試驗中不可能保證試件沒有缺陷，同時試件的加載也不可能完全處于軸線上，故實際承載力低于歐拉公式算得力。2）規(guī)范公式計算是在以初彎曲為l/1000,選用不同的界面形式，不同的殘余應(yīng)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)，在這個過程中規(guī)范所考慮的初始缺陷影響小于此次實驗，所以實驗所得的承載力值小于計算值。六、實驗總結(jié)1、 初偏心：由于制造、安裝誤差的存在，壓桿也一定存在不同程度的初偏心。初偏心對壓桿的影響與初彎曲的十分相似，一是壓力一開始就產(chǎn)生撓曲，并隨荷載增大而增大；二是初偏心越大變形越大，承載力越??；三是無論初偏心多小,它的臨界力Ncr永遠小于歐拉臨界力NE。2、殘余應(yīng)力：殘余應(yīng)力使部分截面區(qū)域提前屈服，從而削弱了構(gòu)件剛度，導(dǎo)致穩(wěn)定承載力下降。3、初彎曲：嚴(yán)格的講，桿件不可能直，在加工、制造、運輸和安裝的過程中，不可避免的要形成不同形式、不同程度的初