2019年同濟(jì)大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)基本原理試驗(yàn)-H型截面軸心受壓柱試驗(yàn)報(bào)告

1、H型截面軸心受壓柱實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)號(hào):姓名:任課老師:實(shí)驗(yàn)老師:實(shí)驗(yàn)日期：2012年03月30日鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告7少一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、通過(guò)試驗(yàn)掌握鋼構(gòu)件的試驗(yàn)方法，包括試件設(shè)計(jì)、加載裝置設(shè)計(jì)、測(cè)點(diǎn)布置、 試驗(yàn)結(jié)果整理等方法。2、通過(guò)試驗(yàn)觀察十字型截面軸心受壓柱的失穩(wěn)過(guò)程和失穩(wěn)模式。3、將理論極限承載力和實(shí)測(cè)承載力進(jìn)行對(duì)比，加深對(duì)軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)計(jì) 算公式的理解。二、實(shí)驗(yàn)原理：1、基本微分方程根據(jù)開(kāi)口薄壁桿件理論，具有初始缺陷的軸心壓桿的彈性微分方程為：EIx(v -v；V) Nv - -0IV IVEIy(u u；V) Nu Ny0u =0EI.SV f IVEIy(uIV -u0V) N

2、u =0(b)EI /IV 喀)GIO冤)+ r；N e _ R8 = 0(c)說(shuō)明H型雙軸對(duì)稱(chēng)截面軸心壓桿在彈性階段工作時(shí)，三個(gè)微分方程是相互獨(dú) 立的，可分別單獨(dú)研究。在彈塑性階段，當(dāng)研究(a)式時(shí)，只要截面上的產(chǎn)于 應(yīng)力對(duì)稱(chēng)與 Y軸，同時(shí)又有 明=0和%=0,則該式將始終和其他兩式無(wú)關(guān)，可 單獨(dú)研究。這樣，壓桿將只發(fā)生Y方向的位移，整體失穩(wěn)呈彎曲變形狀態(tài)，稱(chēng)為 彎曲失穩(wěn)。這樣，式(b)也是彎曲失穩(wěn)，只是彎曲失穩(wěn)的方向不同而已。對(duì)于式(c),如果殘余應(yīng)力對(duì)稱(chēng)與 X軸和Y軸分布，同時(shí)假定，u0=0和句=0)-GIC f )-N5 Nyr2NF -R =02、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)歐拉荷載H型截面為雙軸對(duì)稱(chēng)截

3、面，因其剪力中心和形心重合，有x0=y0=0,代入上式可得：IV IV、EIx(v -V0 ) Nv =0(a)鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告則壓桿將只發(fā)生繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，失穩(wěn)時(shí)桿件呈扭轉(zhuǎn)變形狀態(tài)，稱(chēng)為扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。對(duì)于理想壓桿，則有上面三式可分別求得十字型截面壓桿的歐拉荷載為:繞X軸彎曲失穩(wěn)：N-2EI二2EI、, TOC o 1-5 h z Ex=，繞丫軸彎曲失穩(wěn)：NEy=10 x1.1 GIt 決02 二2 EAr。20y -2 EI1繞Ztt扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)：NEr =（一GIt） 1Fi0H字型截面壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度和長(zhǎng)細(xì)比為:繞X軸彎曲失穩(wěn)計(jì)算長(zhǎng)度:展=巴10,長(zhǎng)細(xì)比鼠=lox/ix繞Y軸彎曲失穩(wěn)計(jì)算長(zhǎng)度:

4、l0y=Nylo,長(zhǎng)細(xì)比,y=ly/iy繞Z軸扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)計(jì)算長(zhǎng)度:長(zhǎng)細(xì)比一10日=切0，端部不能扭轉(zhuǎn)也不能翹曲時(shí)為=0.5,1上述長(zhǎng)細(xì)比均可化為相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比:兀fy3、穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)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NEw二 2EA /曰72 行 0 Ew zw二2E,2wfy佩利公式：；：cr二cify（1；0）二 Exfy +（1+%）Oex1v! 2一2-fyEx再由公式邛=相可算出軸心壓桿的穩(wěn)定性系數(shù)。 fy4、柱子中-九曲線當(dāng)14 0215, 0,8札利t沌0,商曲軸b/h0,8三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):1、試件設(shè)計(jì)(1)試件截面(H形截面)hx bxtwx tf= 100 X60

5、 X4.0 X4.0mm ;(2)試件長(zhǎng)度：L= 1300mm ;(3)鋼材牌號(hào):Q235B ;(4)試件立面、截面如圖：鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告i.i-(5)試件設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素1)充分考慮實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)構(gòu)件的破壞形式為沿弱軸彎曲失穩(wěn);2)合理設(shè)計(jì)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(jì)性。2、支座設(shè)計(jì)(1) 雙刀口支座圖:二270 u 707070鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告(2)支座設(shè)計(jì)原理雙刀口支座由3塊鋼板組成，中間一塊鋼板上表面開(kāi)有橫槽，下表面開(kāi)有縱 槽；上鋼板則設(shè)有一道橫刀口，下鋼板設(shè)有一道縱刀口。將這3塊鋼板和在一起 就組成了雙刀口支座，它在兩個(gè)方向都能很好的轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)

6、支座模擬的邊界條件實(shí)現(xiàn)雙向可滑動(dòng)，模擬為雙向較支座。3、測(cè)點(diǎn)布置(1)應(yīng)變片、位移計(jì)布置圖(2)測(cè)點(diǎn)、通道對(duì)應(yīng)表:應(yīng)變片實(shí)際測(cè)點(diǎn) 編號(hào)位移計(jì)實(shí)際測(cè)點(diǎn) 編號(hào)S17_4D131_1S27_3D231_25鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告S37_1D331_3S47_2荷載31_7(3)應(yīng)變片和位移計(jì)布置原理。構(gòu)件跨中截面布置了應(yīng)變片和位移計(jì)?？紤]到構(gòu)件是雙軸對(duì)稱(chēng)截面，所以會(huì)沿弱軸失穩(wěn)，將應(yīng)變片貼在翼緣兩端，將位移計(jì)接在 X,Y軸上o4、加載裝置設(shè)計(jì)(1)加載方式一一千斤頂單調(diào)加載本試驗(yàn)中的時(shí)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(jí)加載；每級(jí)荷載約10%Pu;時(shí)間間隔約2min接近

7、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(guò)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。(4)加載裝置模擬的荷載條件兩端錢(qián)接的柱承受豎直軸心壓力荷載。四、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:1、試件截面實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)值見(jiàn)下表:實(shí)測(cè)截面平均值截面1截面2截面3截向圖度Hmm104.30103.22105.44104.25截面寬度Bmm60.7661.2960.3860.636腹板厚度Twmm4.004.004.004.00翼緣厚度Tfmm4.2414.424.144.15試件長(zhǎng)度Lmm1200.

8、001200.001200.00 1200.00刀口厚度mm36.0036.0036.0036.00計(jì)算長(zhǎng)度mm1272.001材性試驗(yàn)屈服強(qiáng)度f(wàn)yMPa267.001彈性模量EMPa206000.00 鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)際截面性質(zhì):截面規(guī)格截聞圖度Hmm104.30截面寬度Bmm60.77腹板厚度Twmm4.00翼緣厚度Tfmm4.24fyMPa235EMPa206000Iymm4149881.49Ixmm41477591.6Amm2898.612、材料拉伸試驗(yàn)：給出屈服強(qiáng)度、彈性模量材性試驗(yàn)單位數(shù)值屈服強(qiáng)度f(wàn)yMPa267.00彈性模量EMPa206000.003、試件對(duì)中豎向放置一

9、一軸心受壓一一幾何對(duì)中一一應(yīng)變對(duì)中試加載，根據(jù)應(yīng)變片的應(yīng)變讀數(shù)判斷是否對(duì)中并調(diào)整4、測(cè)點(diǎn)檢查檢查測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片和位移計(jì)是否正常工作，并確定位移計(jì)的正負(fù)方向鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告5、1)按規(guī)范公式計(jì)算u2 X 206000 X 146276.811272.002=183.810kN2)=13,12mm采用實(shí)測(cè)截面和實(shí)測(cè)材料特性進(jìn)行承載力計(jì)算 歐拉荷載1272=96,991342t 96.99235-=X = 1.043E n J206000%甲二T-0t = 0.65, a2 = 0.965f cta = 0300a 曠 0,575J=(ovU=133MCf Ty)綜上，理論上承載力應(yīng)該在 133.

10、776183.810kN之間。五、試驗(yàn)結(jié)果初步分析1、試驗(yàn)現(xiàn)象(D加載初期：無(wú)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(shuō)明構(gòu)件處于彈性階段。(2)接近破壞：應(yīng)變不能保持線性發(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(wú)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(shuō)明構(gòu)件已經(jīng)達(dá)到了極限承載力，無(wú)法繼續(xù)加載。卸鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告載后，有殘余應(yīng)變，說(shuō)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：2、荷載-應(yīng)變曲線鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告3、荷載

11、-位移曲線;5、實(shí)測(cè)極限承載力比較實(shí)測(cè)極限承載大小為135.491kN1）和歐拉公式比較：實(shí)測(cè)值小于歐拉荷載183.810kN2）和規(guī)范公式比較：10鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)測(cè)值小于規(guī)范得出的極限荷載 133.776kN。6、分析試驗(yàn)結(jié)果和理論值之間的差異，分析產(chǎn)生這種差異的原因。 實(shí)測(cè)極限承載力為135.491kN,小于歐拉荷載，大于規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果。 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(méi) 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(yàn)中不可能保證試件沒(méi)有缺陷，同時(shí)試件的加載也不可

12、能完全處 于軸線上，故實(shí)際承載力低于歐拉公式算得力。2）規(guī)范公式計(jì)算是在以初彎曲為1/1000,選用不同的界面形式，不同的 殘余應(yīng)力模式計(jì)算出近200條柱子曲線。并使用數(shù)理方程的統(tǒng)計(jì)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(gè)過(guò)程 中規(guī)范所考慮的初始缺陷影響小于此次實(shí)驗(yàn)，所以實(shí)驗(yàn)所得的承載力 值小于計(jì)算值。六、試驗(yàn)結(jié)果深入分析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(duì)壓桿的影響與初彎曲的十分相似，一是壓力一開(kāi)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，承載力越小；三是無(wú)論初偏心R多小, 它的臨界力Ncr永遠(yuǎn)小于歐拉臨界力NE2、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、