工字型截面軸心受壓實(shí)驗(yàn)

《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》自主實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)老師：楊彬?qū)嶒?yàn)組員：1351078林子昂1350882符徐霞1350980李牧遙1350982張宇坤1351012王慜彥1351145張健實(shí)驗(yàn)日期：2015年11月10日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解工字形截面軸心受壓鋼構(gòu)件的整體穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)方法，包括試件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、測點(diǎn)布置、加載方式、試驗(yàn)結(jié)果整理與分析等。2．觀察工字形截面軸心受壓柱的失穩(wěn)過程和失穩(wěn)模式，加深對(duì)其整體穩(wěn)定概念的理解。3．將柱子理論承載力和實(shí)測承載力進(jìn)行比較，加深對(duì)工字形截面軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)及其計(jì)算公式的理解。二、實(shí)驗(yàn)原理軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能概述整體失穩(wěn)破壞是軸心受壓鋼構(gòu)件的主要破壞形式。軸心受壓構(gòu)件在軸心壓力較小時(shí)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，如有微小干擾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(huì)由穩(wěn)定平衡狀態(tài)逐步過渡到隨遇平衡狀態(tài)，這時(shí)如有微小干擾力使其偏離平衡位置，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(shí)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。實(shí)際軸心壓桿與理想軸心壓桿有很大區(qū)別。實(shí)際軸心壓桿都帶有多種初始缺陷，如桿件的初彎曲、初扭曲、荷載作用的初偏心、制作引起的殘余應(yīng)力，材性的不均勻等等。這些初始缺陷使軸心壓桿在受力一開始就會(huì)出現(xiàn)彎曲變形，壓桿的失穩(wěn)屬于極值型失穩(wěn)。工字形截面軸心受壓構(gòu)件的彎曲失穩(wěn)工字形截面屬于雙軸對(duì)稱截面，因此工字形截面軸心受壓構(gòu)件只可能發(fā)生彎曲失穩(wěn)或扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。對(duì)于常見的非薄壁工字形截面，其截面的抗扭剛度和翹曲剛度都很大，因此不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。當(dāng)構(gòu)件未設(shè)置沿截面強(qiáng)軸的支撐時(shí)，由于工字形截面繞強(qiáng)軸的慣性矩大于繞弱軸的慣性矩，因此構(gòu)件將發(fā)生繞弱軸的彎曲失穩(wěn)。三、實(shí)測試件幾何參數(shù)截面尺寸參數(shù)截面編號(hào)構(gòu)件長度l/cm截面高H/mm翼緣寬度B/mm翼緣厚度tf/mm腹板厚度tw/mm1113.662.3830.843.094.02113.461.9531.243.234.03113.762.8230.903.234.0平均值113.5762.3830.993.184.0計(jì)算長度/mm113.57屈服強(qiáng)度/MPa235彈性模量/MPa206000四、實(shí)驗(yàn)裝置、加載方式、測點(diǎn)布置概述實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)試件失穩(wěn)荷載的大致范圍做一估算。兩端簡支的工字形截面理想軸心受壓構(gòu)件的臨界壓力可以根據(jù)以上式子計(jì)算得到：歐拉臨界力=25.097/KN規(guī)范臨界力=19.515/KN規(guī)范臨界力的計(jì)算草稿如下：五、實(shí)驗(yàn)過程由工人師傅幫助我們貼好應(yīng)變片，安裝好位移計(jì)用手動(dòng)千斤頂加載到2KN，觀察靜態(tài)應(yīng)變儀中，各應(yīng)變點(diǎn)的讀數(shù)，若相差幅度超過15%則卸載后可正式進(jìn)行加載試驗(yàn)，否則卸載，并重新調(diào)整試件位置后繼續(xù)進(jìn)行物理對(duì)中。判斷試件是否位于中心位置。通過調(diào)整螺栓和加墊片進(jìn)行試件物理對(duì)中。記錄對(duì)中時(shí)的數(shù)據(jù)。開始緩慢加載。六、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加載初期：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，處于彈性階段。接近破壞：應(yīng)變不能保持線性發(fā)展，構(gòu)件逐漸產(chǎn)生肉眼可見的彎曲。破壞現(xiàn)象：柱子明顯發(fā)生彎曲，支座處刀口明顯偏向一側(cè)，千斤頂作用力無法繼續(xù)增加，發(fā)生繞弱軸的彎曲失穩(wěn)，力不再增加位移卻急劇增加，說明構(gòu)件已經(jīng)達(dá)到了極限承載力，無法繼續(xù)加載。破壞模式：繞弱軸彎曲失穩(wěn)破壞七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析工字形截面軸心受壓構(gòu)件的彎曲失穩(wěn)工字形截面屬于雙軸對(duì)稱截面，因此工字形截面軸心受壓構(gòu)件只可能發(fā)生彎曲失穩(wěn)或扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。對(duì)于常見的非薄壁工字形截面，其截面的抗扭剛度GIt和翹曲剛度EIω都很大，因此不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。當(dāng)構(gòu)件未設(shè)置沿截面強(qiáng)軸的支撐時(shí)，由于工字形截面繞強(qiáng)軸的慣性矩大于繞弱軸的慣性矩，因此構(gòu)件將發(fā)生繞弱軸的彎曲失穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式與實(shí)驗(yàn)曲線之間的相互解讀荷載位移圖位移曲線2對(duì)應(yīng)繞弱軸位移，位移曲線1對(duì)應(yīng)繞強(qiáng)軸位移。從圖中可以明顯看出，構(gòu)件最后破壞是繞弱軸發(fā)生失穩(wěn)，這也正符合理論計(jì)算時(shí)的結(jié)果，繞弱軸長細(xì)比較大，又弱軸控制整體穩(wěn)定極限承載力。在加載的初期，位移與荷載關(guān)系接近直線，鋼筋內(nèi)的應(yīng)力分布較為均勻，初偏心引起的彎矩大，因此撓度較小。隨著荷載逐漸增大，二階效應(yīng)的作用便體現(xiàn)出來，構(gòu)件繞弱軸撓度增大速度變快，并最終發(fā)生破壞。破壞瞬間繞強(qiáng)軸的位移也明顯增大，說明最后破壞有扭轉(zhuǎn)。荷載應(yīng)變圖在荷載施加初始階段，構(gòu)件中的點(diǎn)都是受壓的，這是因?yàn)榇藭r(shí)構(gòu)件撓度小，附加彎矩小，截面處于全截面受壓狀態(tài)。當(dāng)軸力增大后，撓度不斷增大，附加彎矩增大，此時(shí)彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力已經(jīng)超過了軸力產(chǎn)生的壓力，在彎曲的外側(cè)產(chǎn)生了拉應(yīng)變，這時(shí)構(gòu)件已接近失穩(wěn)破壞。最后受壓區(qū)先屈服，因?yàn)樵谑軌簠^(qū)彎矩和軸力作用疊加，應(yīng)變較受拉區(qū)大，構(gòu)件破壞。而在實(shí)際過程中，應(yīng)變?cè)诔跏紶顟B(tài)下就出現(xiàn)了正負(fù)的分歧（從圖中可以看出），這是因?yàn)樵嚰虞d時(shí)有初偏心，附加彎矩很大，彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了軸壓應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)誤差分析實(shí)驗(yàn)中實(shí)測理論值為15.0kN，比理論計(jì)算值19.515kN小。主要是因?yàn)闃?gòu)件加載時(shí)并不是完全的軸心受壓，存在一些初偏心。這點(diǎn)從開始的應(yīng)變數(shù)據(jù)中可以看出，在軸力較小的時(shí)候不同點(diǎn)的應(yīng)變出現(xiàn)了差異，盡管之后做了調(diào)整，但還是存在一定的初偏心。，并且本組選用的構(gòu)件由于使用次數(shù)較多，有非常大的初彎曲（僅憑肉眼都可以觀察到的程度），極大地影響了其承載能力。另外加載速度太快也是造成試驗(yàn)誤差的原因。理論計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行比較實(shí)測極限承載力小于歐拉荷載、大于規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果分析承載力產(chǎn)生差異的原因：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這些初始缺陷使軸心壓桿在受力一開始就會(huì)出現(xiàn)彎曲變形壓桿的失穩(wěn)呈極值型失穩(wěn)。歐拉公式討論范圍僅在于桿件的彈性穩(wěn)定沒有考慮桿件非彈性穩(wěn)定狀態(tài)。鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)的極限承載力是在以初彎曲為l/1000,選用不同的界面形式不同的殘余應(yīng)力模式計(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)過程中規(guī)范所考慮的初始缺陷影響大于此次實(shí)驗(yàn)軌跡所以實(shí)驗(yàn)所得的承載力值大于計(jì)算值。深入分析初偏心由于制造、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論初偏心多小它的臨界力永遠(yuǎn)小于歐拉臨界力。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。初彎曲嚴(yán)格的講桿件在加工、制造、運(yùn)輸和安裝的過程中不可避免的要形成不同形式、不同程度的初始彎曲導(dǎo)致壓力一開始就產(chǎn)生撓曲并隨荷載增大而增大。八、實(shí)驗(yàn)結(jié)論鋼結(jié)構(gòu)軸心受壓桿件的整體穩(wěn)定總是先于強(qiáng)度破壞發(fā)生在荷載未達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之前構(gòu)件已經(jīng)偏離原來的平衡位置發(fā)生倒塌。穩(wěn)定極限承載力遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限值，所以在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要特別重視軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。整理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：荷載/kN應(yīng)變1應(yīng)變2應(yīng)變3應(yīng)變4位移1位移22-2614661-790.007-0.853-51253114-1370.043-1.3436-162542284-3020.193-3.2177-210655350-3640.28-3.38.1-285787445-4460.3-3.959.1-385941562-5440.297-5.21710-4631053652-6180.293-6.13311.1-6231262834-7700.31-7.8412.1-7821450997-9000.28-9.22313-94616361168-10370.197-10.72714.1-122719381469-12800.033-13.34715-153522081767-