工字形截面軸心受壓柱的整體穩(wěn)定實驗

1、鋼結(jié)構(gòu)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?zāi)康?1 了解工字形截面軸心受壓鋼構(gòu)件的整體穩(wěn)定實驗方法，包括試件設(shè)計、實驗裝置設(shè)計、測點(diǎn)布置、加載方式、試驗結(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(jìn)行比較，加深對工字形截面軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)及其計算公式的理解。 二、實驗原理l 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

2、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(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出現(xiàn)彎曲變形，壓桿的失穩(wěn)屬于極值型失穩(wěn)。l 工字形截面軸心受壓構(gòu)件的彎曲失穩(wěn) 工字形截面

3、屬于雙軸對稱截面，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(zhuǎn)失穩(wěn)。當(dāng)構(gòu)件未設(shè)置沿截面強(qiáng)軸的支撐時，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)。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(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/mm193.8860.7425.573.013.01293.9160.5925.493.083.08393.8760.7325.73.063.0649

4、3.9360.6625.7933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(diǎn)布置概述l 實驗裝置圖為進(jìn)行工字形截面軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定實驗采用的實驗裝置，加載設(shè)備為千斤頂。構(gòu)件豎向放置，千斤頂于構(gòu)件上端施加壓力，荷載值由液壓傳感器測得。 為了準(zhǔn)確實現(xiàn)構(gòu)件兩端鉸接的邊界條件，設(shè)計了單刀口固定鉸支座。單刀口支座具有良好的轉(zhuǎn)動性能，實驗中應(yīng)注意刀口的擺放方向。由于工字形截面軸心受壓構(gòu)件主要發(fā)生繞弱軸的彎曲失穩(wěn)，因此刀口可設(shè)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(zhuǎn)動中心（即刀口板刀尖）的距離是36

5、mm 。工字形截面軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定實驗裝置圖工字形截面軸心受壓試件支座詳圖l 加載方式工字形截面軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定實驗采用單調(diào)加載，并采用分級加載和連續(xù)加載相結(jié)合的加載制度。在加載初期，當(dāng)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(dāng)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(yīng)控制在合理的范圍之內(nèi)。在正式加載前，為檢查儀器儀表工作狀況和壓緊試件，需進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)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

6、，仍采用分級加載，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(gòu)件達(dá)到極限承載力時，停止加載，但保持千斤頂回油閥為關(guān)閉狀態(tài)，持續(xù)3分鐘左右。由于構(gòu)件達(dá)到了失穩(wěn)狀態(tài)，因此即使關(guān)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。l 測點(diǎn)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?、?yīng)變變化情況等。圖中給出了工字型截面軸心受壓試件的應(yīng)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

7、板放置，另外 2 個位移計平行于翼緣放置，分別記為 D1、D2、D3；應(yīng)變片共4 片，布置在中央截面的翼緣外側(cè)，分別記為 S1、S2、S3、S4。測點(diǎn)布置四、實驗預(yù)分析過程和結(jié)果 軸心受壓構(gòu)件的彈性微分方程 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，具有初始缺陷的軸心壓桿的彈性微分方程為： 雙軸對稱截面軸心受壓構(gòu)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(dú)立，可以分別單獨(dú)研究。 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(zhuǎn)失穩(wěn)臨界力。也可寫成另一種形式： 實驗前需要對試件失穩(wěn)荷載的大致范圍做

8、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(yīng)變片，安裝好位移計 用手動千斤頂加載到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，否則卸載，并重新調(diào)整試件位置后繼續(xù)進(jìn)行物理對中。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(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

9、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、實驗結(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EI都很大，因此不會發(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，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)。l 實驗現(xiàn)象及破壞模式與實驗曲線之間的相互解讀

10、10號曲線對應(yīng)為繞弱軸位移，8號曲線對應(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)，這也正符合理論計算時的結(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)。從圖中可以看出在荷載施加初始階段，構(gòu)件中的點(diǎn)都是受壓的，這是因為此時構(gòu)件撓度小，附加彎矩小，截面處于全截面受壓狀態(tài)。但當(dāng)軸力增大后，撓度不斷增大，附加彎矩增大，此時彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力已經(jīng)

11、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。這時構(gòu)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(yīng)變較受拉區(qū)大，構(gòu)件破壞。l 試件穩(wěn)定承載力理論值的計算結(jié)果截面尺寸參數(shù)截面編號 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/mm193.8860.7425.573.013.01293.9160.5925.493.083.08393.8760.7325.73.063.06493.9360.6625.7933平均值93.960.6825.643.043.04計算長度/mm939+70=1009截面幾何特性面積A/mm2慣性矩Iy/mm4回轉(zhuǎn)

12、半徑iy/mm長細(xì)比相對長細(xì)比穩(wěn)定系數(shù)321.87528668.1945.19194.412.8450.111極限承載力歐拉臨界力/KN規(guī)范臨界力/KN15.9515.54l 理論計算值與實測值進(jìn)行比較實驗中實測理論值為15.2kN，比理論計算值稍微小一點(diǎn)。主要是因為構(gòu)件加載時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。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(dǎo)致實測值變小。l 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(jié)果分析承載力產(chǎn)生差異的原因： 歐拉

13、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。l 深入分析 初偏心 由于

14、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、實驗結(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)定極限承載力大約是強(qiáng)度極限值的三

15、分之一所以在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要特別重視軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性.實驗后的數(shù)據(jù)采集與處理1.原始記錄數(shù)據(jù)：荷載/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)：荷載/kn應(yīng)變1應(yīng)變2應(yīng)變3應(yīng)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