同濟(jì)大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)基本原理試驗(yàn)H型截面軸心受壓柱實(shí)驗(yàn)報(bào)告(論文資料)

1、.鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告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：2、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)歐拉荷載H型截面為雙軸對(duì)稱(chēng)截面，因其剪力中心和形心重合，有 x0= y0 = 0，代入上式可得： (a) (b) (c)說(shuō)明H型雙軸

2、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)又有和，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，和則壓桿將只發(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)：，繞Y軸彎曲失穩(wěn)：繞Z軸扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)：H字型截面壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度和長(zhǎng)細(xì)比

3、為：繞 X軸彎曲失穩(wěn)計(jì)算長(zhǎng)度：，長(zhǎng)細(xì)比繞Y軸彎曲失穩(wěn)計(jì)算長(zhǎng)度：，長(zhǎng)細(xì)比繞Z軸扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)計(jì)算長(zhǎng)度：，端部不能扭轉(zhuǎn)也不能翹曲時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比上述長(zhǎng)細(xì)比均可化為相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比：3、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)歐拉公式得佩利公式：再由公式可算出軸心壓桿的穩(wěn)定性系數(shù)。4、柱子曲線(xiàn)當(dāng)0.215，=crfy=1-12當(dāng)0.215，=crfy=1222+3+2-2+3+22-42 1=0.65,2=0.965,3=0.300三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：1、試件設(shè)計(jì)（1）試件截面（H形截面）hbtwtf100604.04.0mm；（2）試件長(zhǎng)度：L1300mm；（3）鋼材牌號(hào)：Q235B；（4）試件立面、截

4、面如圖：（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（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）支座模擬的邊界條件實(shí)現(xiàn)雙向可滑動(dòng)，模擬為雙向鉸支座。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_3D23

5、1_2S37_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。4、加載裝置設(shè)計(jì)（1）加載方式千斤頂單調(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(xiàn)荷載，在弱軸平面內(nèi)是為集中于軸線(xiàn)上的集

6、中力。（4）加載裝置模擬的荷載條件兩端鉸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截面高度Hmm104.30 103.22 105.44 104.25 截面寬度Bmm60.7661.29 60.3860.63 腹板厚度Twmm4.00 4.00 4.00 4.00 翼緣厚度Tfmm4.24 4.424.144.15試件長(zhǎng)度Lmm1200.00 1200.00 1200.00 1200.00 刀口厚度mm36.00 36.00 36.00 36.00 計(jì)算長(zhǎng)度mm1272.00 材性試驗(yàn)屈服強(qiáng)度f(wàn)yMPa267.00 彈性模量EMPa

7、206000.00 實(shí)際截面性質(zhì)：截面規(guī)格截面高度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EMPa206000.00 3、試件對(duì)中豎向放置軸心受壓幾何對(duì)中應(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。5、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1） 歐拉荷載N

8、E=2EIyl0y2=2206000146276.811272.002=183.810kN2） 按規(guī)范公式計(jì)算Iy=149881.49mm4iy=IyA=13.12mmy=l0yiy=127213.12=96.99y=yfyE=96.99235206000=1.043=crfy=1222+3+2-2+3+22-42 1=0.65,2=0.965,3=0.300y=0.575Ncr=yfyA=133.776kN綜上，理論上承載力應(yīng)該在133.776183.810kN之間。五、試驗(yàn)結(jié)果初步分析1、試驗(yàn)現(xiàn)象（1）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(xiàn)性變化，說(shuō)明構(gòu)件處于彈性階段。

9、（2）接近破壞：應(yīng)變不能保持線(xiàn)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(xiàn)3、荷載-位移曲線(xiàn)；5、實(shí)測(cè)極限承載力比較實(shí)測(cè)極限承載大小為135.491kN。1）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：實(shí)測(cè)值小于規(guī)范得出的極限荷載133.776kN。6、分析

10、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(xiàn)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)試件的加載也不可能完全處于軸線(xiàn)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(xiàn)。并使用數(shù)理方程的統(tǒng)計(jì)方式，將這些曲線(xiàn)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??；三是無(wú)論初偏心e0多小,它的臨界力Ncr永遠(yuǎn)小于歐拉臨界力NE。2、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、初彎曲：嚴(yán)格的講，桿件不可能直，在加工、制造、