工字形截面軸心受壓柱的整體穩(wěn)定實驗

1、鋼結構基本原理實驗報告實驗名稱：工字形截面軸心受壓柱的整體穩(wěn)定實驗實驗組號:25組9號工字鋼實驗組員:一、實驗目的1 .了解工字形截面軸心受壓鋼構件的整體穩(wěn)定實驗方法，包括試件設計、實驗裝置設計、測點布置、加載方式、試驗結果整理與分析等。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，加深對其整體穩(wěn)定概念的理解。3將柱子理論承載力和實測承載力進行比較， 加深對工字形截面軸心受壓構件整體穩(wěn) 定系數(shù)及其計算公式的理解。二、實驗原理軸心受壓構件整體穩(wěn)定性能概述整體失穩(wěn)破壞是軸心受壓鋼構件的主要破壞形式。軸心受壓構件在軸心壓力較小時處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，如有微小干擾力使其偏離平衡位 置，則在干擾力除去后

2、， 仍能回復到原先的平衡狀態(tài)。隨著軸心壓力的增加，軸心受壓構件 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。當軸心壓力超過臨界壓力后，構件就不能維持平衡而失穩(wěn)破壞。實際軸心壓桿與理想軸心壓桿有很大區(qū)別。實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件的彎曲失穩(wěn)工字形截面屬于雙軸對稱

3、截面，因此工字形截面軸心受壓構件只可能發(fā)生彎曲失穩(wěn)或扭轉失穩(wěn)。對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，因此不會發(fā)生扭轉失穩(wěn)。 當構件未設置沿截面強軸的支撐時，由于工字形截面繞強軸的慣性矩大于繞弱軸的慣性矩，因此構件將發(fā)生繞弱軸的彎曲失穩(wěn)。如圖所示工字形截面柱的彎曲失穩(wěn)三、試件幾何參數(shù)，包括名義幾何參數(shù)和實測幾何參數(shù)截面尺寸參數(shù)截面編號構件長度l/cm截面咼H/mm翼緣寬度B/mm翼緣厚度tf/mm腹板厚度tw/mm193.8860.7425.573.013.01293.9160.5925.493.083.08393.8760.7325.73.063.06493.9360.

4、6625.7933平均值93.960.6825.643.043.04計算長度/mm939+70=1009四、實驗裝置、加載方式、測點布置概述實驗裝置圖為進行工字形截面軸心受壓構件整體穩(wěn)定實驗采用的實驗裝置，加載設備為千斤頂。構件豎向放置，千斤頂于構件上端施加壓力，荷載值由液壓傳感器測得。為了準確實現(xiàn)構件兩端鉸接的邊界條件，設計了單刀口固定鉸支座。 單刀口支座具有良好的轉動性能，實驗中應注意刀口的擺放方向。由于工字形截面軸心受壓構件主要發(fā)生繞弱軸的彎曲失穩(wěn)，因此刀口可設置為與試件腹板平行。支座詳圖如圖所示。 從圖中可以看出單刀口支座槽口板底面到轉動中心（即刀口板刀尖）的距離是36mm。1-1工字

5、形截面軸心受壓構件整體穩(wěn)定實驗裝置圖3 / 11工字形截面軸心受壓試件支座詳圖加載方式工字形截面軸心受壓構件整體穩(wěn)定實驗采用單調加載，并采用分級加載和連續(xù)加載相結合的加載制度。在加載初期，當荷載小于理論承載力的 80%時，采用分級加載制度， 每次加載時間間隔為 2分鐘；當荷載接近理論承載力時，改用連續(xù)加載的方式， 但加載 速率應控制在合理的范圍之內。在正式加載前，為檢查儀器儀表工作狀況和壓緊試件,需進行預加載，預加載所用的荷載可取為分級荷載的前3級。具體加載步驟如下：荷載小于理論承載力的 60%時，采用分級加載，每級荷載增量不宜大于理論承 載力計算值的20%;荷載小于理論承載力的 80%時，仍

6、采用分級加載，每級荷載增量不宜大于理 論承載力計算值的5 %;荷載超過理論承載力的 80%以后，改用連續(xù)加載，加載速率一般控制在每分 鐘荷載增量不宜大于理論承載力計算值的5%構件達到極限承載力時，停止加載，但保持千斤頂回油閥為關閉狀態(tài)，持續(xù)3分鐘左右。由于構件達到了失穩(wěn)狀態(tài)，因此即使關閉回油閥，荷載仍然會出現(xiàn) 下降，而試件的變形將繼續(xù)發(fā)展；最后緩慢平穩(wěn)的打開千斤頂回油閥，將荷載逐漸卸載至零。測點布置實驗中量測項目包括施加荷載、柱子中央的出平面?zhèn)纫?、應變變化情況等。圖中給出了工字型截面軸心受壓試件的應變片和位移計布置情況。在試件的中央布置了 3個水平位移計，其中1個位移計平行于腹板放置，另外2個

7、位移計平行于翼緣放置，分別記為D1、D2、D3;應變片共4片，布置在中央截面的翼緣外側，分別記為S1、S2、S3、S4。SI _ S2S3S4測點布置四、實驗預分析過程和結果軸心受壓構件的彈性微分方程鋼結構壓桿一般都是開口薄壁桿件。根據(jù)開口薄壁桿件理論，具有初始缺陷的軸心壓桿的彈性微分方程為：甌（-v；v ）+ Nv-科2 = 0El （ucv -唸）+ 網(wǎng)押=0Ef 腫_ 梯） GA-?。┮籒xov + Nyau + 彳出夕 _ 尺賓=0式中N軸心壓力：/y對主軸里和y的慣性矩；扇性慣性矩；人截面的抗扭常數(shù)；u . v. 0構件阿力中出軸的三個位移分城即在很y方向的二個位移和繞z軸的轉動角；

8、如、v0 .直構件剪力中心軸的三個初始位移分最，即考慮初彎曲和初扭曲等初始缺陷；心、y0 剪力中心的塑標*2人+人 92藥=7+0A5 = jcrr（r2 +yL4旺截mi上的殘氽屁力，以拉應力為止。雙軸對稱截面軸心受壓構件的失穩(wěn)形式和失穩(wěn)臨界力 雙軸對稱截面的剪力中心與形心重合，代入可得E亀謂）+附“職汕劇+冊磯何V -郵）-3礦-館+斥N礦-麗=0說明雙軸對稱截面軸心壓桿在彈性階段工作時，三個微分方程互相獨立，可以分別單 獨研究。N a/對于理想壓桿，可分別求得歐拉彎曲失穩(wěn)臨界力和歐拉扭轉失穩(wěn)臨界力11 / 11rEI分別為構件廳曲失穩(wěn)時繞X軸和y軸的計算長度: 構件妞轉失穩(wěn)時繞z軸的計畀

9、長度；4 =Q =川I 構件長度心 比、從 一計尊檢度系數(shù)* ih構件的支承條件確遲。也可寫成另一種形式：Fea分別為構件繞龍軸.y軸的忙細比: 州軋快細比.實驗前需要對試件失穩(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件的臨界壓力可以根據(jù)以上式子計算得到:歐拉臨界力=15.95/KN規(guī)范臨界力=15.54/KN五、實驗過程由工人師傅幫助我們貼好應變片，安裝好位移計15%用手動千斤頂加載到 2KN,觀察靜態(tài)應變儀中，各應變點的讀數(shù)，若相差幅度超過 則卸載后可正式進行加載試驗，否則卸載，并重新調整試件位置后繼續(xù)進行物理對中。 判斷試件是否位于中心位置。通過調整螺栓和加墊片進行試件

10、物理對中。記錄對中時的數(shù)據(jù)。 開始緩慢加載。六、實驗現(xiàn)象加載初期：無明顯現(xiàn)象，隨著加載的上升，柱子的位移及應變呈線性變化，處于彈性階段。接近破壞：應變不能保持線性發(fā)展，構件逐漸產生肉眼可見的彎曲。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， 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， 說明構件已經達到了極限承載力， 無法繼續(xù)加載。破壞模式：繞弱軸彎曲失穩(wěn)破壞七、實驗結果的分析工字形截面軸心受壓構件的彎曲失穩(wěn)工字形截面屬于雙軸對稱截面，因此工字形截面軸心受壓構件只可能發(fā)生彎曲失穩(wěn)或扭 轉失穩(wěn)。對于常見的非薄壁工字形截面，其截面的抗扭剛度GI t和翹曲剛度

11、EI 3都很大,因此不會發(fā)生扭轉失穩(wěn)。 當構件未設置沿截面強軸的支撐時，由于工字形截面繞強軸的慣性矩大于繞弱軸的慣性矩，因此構件將發(fā)生繞弱軸的彎曲失穩(wěn)。實驗現(xiàn)象及破壞模式與實驗曲線之間的相互解讀T位移10-位務8荷荷載應變曲線-20001500-1000-50005001000150MPa10號曲線對應為繞弱軸位移， 8號曲線對應繞強軸位移。 從圖中可以明顯看出， 構件最后破壞是繞弱軸發(fā)生失穩(wěn)，這也正符合理論計算時的結果，繞弱軸長細比較大，又弱軸控制 整體穩(wěn)定極限承載力。在加載的初期，位移與荷載關系接近直線， 鋼筋內的應力分布較為均勻， 初偏心引起的 彎矩大，因此撓度較小。隨著荷載逐漸增大，二

12、階效應的作用便體現(xiàn)出來，構件繞弱軸撓度 增大速度變快，并最終發(fā)生破壞。破壞瞬間繞強軸的位移也明顯增大， 說明最后破壞有扭轉。T-應變1F應變2應變3Y應變4從圖中可以看出在荷載施加初始階段，構件中的點都是受壓的， 這是因為此時構件撓度小，附加彎矩小，截面處于全截面受壓狀態(tài)。但當軸力增大后，撓度不斷增大，附加彎矩增 大，此時彎矩產生的拉應力已經超過了軸力產生的壓力，在彎曲的外側產生了拉應變。這時構件已接近失穩(wěn)破壞。最后受壓區(qū)先屈服，因為在受壓區(qū)彎矩和軸力作用疊加，應變較受拉區(qū)大，構件破壞。試件穩(wěn)定承載力理論值的計算結果截面尺寸參數(shù)截面編號構件長度l/cm截面咼H/mm翼緣寬度B/mm翼緣厚度tf

13、/mm腹板厚度tw/mm-193.8860.7425.573.013.01.11:二_293.9160.5925.493.083.08393.8760.7325.73.063.06493.9360.6625.7933平均值93.960.6825.643.043.04計算長度/mm939+70=1009實測截面圖截面幾何特性面積A/mm2慣性矩Iy/mm4回轉半徑iy/mm長細比入相對長細比穩(wěn)定系數(shù)0321.87528668.1945.19194.412.8450.111極限承載 力歐拉臨界力/KN規(guī)范臨界力/KN15.9515.54理論計算值與實測值進行比較實驗中實測理論值為15.2kN，比理

14、論計算值稍微小一點。主要是因為構件加載時并不是完全的軸心受壓，存在一些初偏心。這點從開始的應變數(shù)據(jù)中可以看出，在軸力較小的時候不同點的應變出現(xiàn)了差異，盡管之后做了調整，但還是存在一定的初偏心。另外加載過程中也可能由于材料制作過程中的誤差，加載速率等的影響導致實測值變小。誤差分析實測極限承載力小于歐拉荷載、大于規(guī)范公式計算結果分析承載力產生差異的原因：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出現(xiàn)彎曲 變形壓桿的失穩(wěn)呈極值型失穩(wěn)。

15、歐拉公式討論范圍僅在于桿件的彈性穩(wěn)定；勺：沒有考慮桿件非彈性穩(wěn)定狀態(tài)。鋼結構規(guī)范設計的極限承載力是在以初彎曲為1/1000,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)在這個過程中規(guī)范所考慮的初始缺陷影響大于此次實驗軌跡所以實驗所得的承載力值大于計算值。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。初偏心對壓桿的影響與初彎曲的十分相似一是壓力一開始就產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小于歐拉臨界力。殘余應力 殘余應力使部分截面區(qū)域

16、提前屈服從而削弱了構件剛度導致穩(wěn)定承載力下 降。初彎曲嚴格的講桿件在加工、制造、運輸和安裝的過程中不可避免的要形成不同形式、 不同程度的初始彎曲導致壓力一開始就產生撓曲并隨荷載增大而增大。八、實驗結論鋼結構軸心受壓桿件的整體穩(wěn)定總是先于強度破壞發(fā)生在荷載未達到強度設計值之前構 件已經偏離原來的平衡位置發(fā)生倒塌。穩(wěn)定極限承載力大約是強度極限值的三分之一所以在鋼結構設計過程中要特別重視軸心受壓構件的整體穩(wěn)定性21.81.61.41.2 10.80.60.40.2000.511.52 入 2.533.544.5*規(guī)范a曲線 規(guī)范b曲線 規(guī)范c曲線 .規(guī)范d曲線 歐拉曲線 * H型截面 槽型截面 理截

17、面-T型截面實驗后的數(shù)據(jù)采集與處理1.原始記錄數(shù)據(jù)：何載/KNCH1CH2CH3CH4CH8CH93-25-53-43-85-1789-4945-30-82-66-153-1728-5577-30-113-108-223-1711-5989-44-187-116-290-1627-61110-49-224-99-316-1609-61111-44-272-88-347-1556-63512-32-315-95-410-1444-627130-378-60-469-1330-63513.522-420-33-506-1243-62714.280-50825-605-1037-64715411-867289-984-2-67215.21025-1503815-16791797-985初始-20-311-1832-2542.處理后的數(shù)據(jù):何載/k n應變1應變2應變3應變4位移8位移103-51-40-93-10.85676.1040.8566675-80-63-161-10.65336.10330.8633337-111-105-231-10.59676.1028440.879-185-113-298-10.31676.10270.87666710-222-96-324-10.25676.10270.8811