同濟大學鋼結構試驗自主試驗報告

1、鋼結構基本原理自主實驗“H型柱受壓構件試驗”實驗報告士東2混承附COLLECiF.O(;CIMLENCHSEERING小組成員:實驗教師：實驗時間:楊彬2016.11.8一、實驗目的1,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、軸心受壓構件的可能破壞形式軸心受壓構件的截面若無削弱，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)破壞是軸心受壓構件的主要破壞形式。軸心受

2、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，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。軸心受壓構件整體失穩(wěn)的破壞形式與截面形式有密切關系，與構件的長細比也有關系。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)鋼結構壓桿一般都是開口

3、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：EIxvIV-v0VNv-Nx”-0EIyu1V-u0VNuNyo1-0EIuIV一10VGItI-NxovNyour；N?-R=0由微分方程可以看出構件可能發(fā)生彎曲失穩(wěn)，扭轉失穩(wěn)，或彎扭失穩(wěn)。對于H型截面的構件來說由于x0=y0=0所以微分方程的變?yōu)椋篍Ixv1V-v0VNNv=0EIyuIV-u0VNu=0ei0.8壬f.W.b/hO.BAA7235三、實驗設計1、試件設計考慮因素:1）充分考慮實驗目的，設計構件的破壞形式為沿弱軸彎曲失穩(wěn);2）合理設計構件的尺寸，使其能夠在加載儀器上加載；3）考慮一定經(jīng)濟性。最終設計形

4、式試件截面（工字形截面）；hxbxtwxtf=61.86831.11633283.328mm；試件長度：L=10001300mm;鋼材屈服強度：355MPa具體截面形式如下圖:2、支座設計設計原理：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，可以讓構件繞弱軸彎曲方向與刀口轉向一致。具體形式見下圖:405-JZ竹嫄力分析力口耶3、測點布置構件跨中截面布置了應變片和位移計?？紤]到構件是雙軸對稱截面，所以會沿弱軸失穩(wěn)，將應變片貼在翼緣兩端，將位移計接在X,Y軸上應變片實際測點編號S11_5S21_6S311_7S41_

5、8位移計D11_2D21_3荷載1_1丁獷屏4、加載設計(1)加載方式一一千斤頂單調(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、實驗前準備1、實驗構件相關數(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.

6、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材性實驗：屈服強度fy彈性模量E3.328355.420600061.86831.1162、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:Ne二2Ely二22.0610516879.86210512=31.069KN2)按規(guī)范公式計算I=16879.86mm416879.86390.85=6.57L1051i-6.57=159.93根據(jù)柱子曲線取值表，根據(jù)上面的K值，可以得到C類曲線中審=0.181,并由此計算得到N=Afy

7、=0.181390.85355.4=25.142KN理論上承載力在25.142KN31.069KN之間(理想情況下)。3、構件對中及測量設備的檢查檢查相應的位移計和應變片看測量是否良好，確定位移計的正負方向。并按照：豎向放置一一軸心受壓一一幾何對中一一應變對中的順序完成實驗前的準備。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，柱子的位移及應變呈線性變化，說明構件處于彈性階段。(2)接近破壞：應變不能保持線性發(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(可能已經(jīng)上下刀口板已經(jīng)碰到)

8、，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，有殘余應變，說明構件已經(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2O-2-4-6荷載位移圖2000荷載應變圖-810000-1000-20003GV44144/4462U7AOO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件在加載前本身彎曲較大，所以在二階彎矩作用下會導致所能承受的荷載大幅度減小，同時由于實驗構件要繼續(xù)重復利用下去，工人師傅也不讓我們加載到失穩(wěn)，所

9、以數(shù)值較小?？梢栽O想，如果構件是比較理想的，那么其最終能承受的荷載應該在歐拉荷載之下，規(guī)范荷載之上。3、分析試驗結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NE2、殘余應力：殘余應力使部分截面區(qū)域提前屈服，從而削弱了構件剛度，導致穩(wěn)定承載力下降。3、初彎曲：嚴格的講，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