H型截面受彎構(gòu)件試驗(yàn)

1、鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告（共 頁(yè)）姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專(zhuān) 業(yè)： 土木工程地下系學(xué) 院： 土木工程學(xué)院試驗(yàn)名稱(chēng)： H型截面受彎構(gòu)件試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)間： 2012年5月22日試驗(yàn)組號(hào)： H梁-31試驗(yàn)?zāi)康?、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H型截面受彎構(gòu)件的失穩(wěn)過(guò)程和失穩(wěn)模式。將理論極限承載力和實(shí)測(cè)承載力進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證彈性臨界彎矩公式和規(guī)范計(jì)算公式。2試驗(yàn)原理2.1 受彎構(gòu)件的主要破壞形式Ø 截面強(qiáng)度破壞：即隨著彎矩的增大，截面自外向內(nèi)逐漸達(dá)到屈服點(diǎn)，截面彈性核逐漸減小，最后相鄰截面在玩具作用下幾乎可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)截面即達(dá)

2、到了抗彎承載力極限，發(fā)生強(qiáng)度破壞；另外若構(gòu)件剪力最大處達(dá)到材料剪切屈服值，也視為強(qiáng)度破壞。Ø 整體失穩(wěn)：?jiǎn)蜗蚴軓潣?gòu)件在荷載作用下，雖然最不利截面的彎矩或者與其他內(nèi)力的組合效應(yīng)還低于截面的承載強(qiáng)度，但構(gòu)件可能突然偏離原來(lái)的彎曲變形平面，發(fā)生側(cè)向撓曲或者扭轉(zhuǎn)，即構(gòu)件發(fā)生整體失穩(wěn)。Ø 局部失穩(wěn)：如果構(gòu)件的寬度與厚度的比值太大，在一定荷載條件下，會(huì)出現(xiàn)波浪狀的鼓曲變形，即局部失穩(wěn)；局部失穩(wěn)會(huì)惡化構(gòu)件的受力性能，是構(gòu)件的承載強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。2.2 基本微分方程距端點(diǎn)為z處的截面在發(fā)生彎扭失穩(wěn)后，截面的主軸和縱軸的切線(xiàn)方向與變形前坐標(biāo)軸之間產(chǎn)生了一定的夾角，把變形后截面的兩主軸方向和

3、構(gòu)件的縱軸切線(xiàn)方向分別記為，則： M=-EIX''Mx；M=-EIyu''Mx；M=GIt-EIw'''Mxu'； 或：EIX''+Mx=0； EIyu''+Mx=0； GIt-EIw'''-Mxu'=0；第一式是繞強(qiáng)軸的彎曲平衡方程，僅是關(guān)于變位 的方程，后兩式則是變位 u 和 的耦連方程，表現(xiàn)為梁整體失穩(wěn)的彎扭變形性質(zhì)。2.3 彎扭失穩(wěn)的臨界荷載值（1）彈性屈曲范圍由上述基本微分方程可求得純彎梁的彎扭屈曲臨界彎矩公式，即：Mocrx=2EIyl2IwIy(1+GI

4、tl22EIw)又由 繞y軸彎曲失穩(wěn) NEy=2EIyloy2繞z軸扭轉(zhuǎn)失穩(wěn) NE=(2EIwlo2+GIt)/r02可推得： Mcrx=r0NEyNE=r0NEyNE/NEyl 考慮支撐條件的變化： Mcrx=2EIy(yl)2IwIyy2w2+GIt(yl)22EIw其中：y 和 w 為支撐條件決定的系數(shù)l 考慮荷載作用方式的變化：Mcrx=1Mocrx其中：1 為荷載作用方式系數(shù)，純彎曲時(shí)取1.0；滿(mǎn)跨均布荷載時(shí)取1.13；跨中中央一點(diǎn)集中荷載時(shí)取1.35；兩端作用等值反向彎矩時(shí)取2.65。l 考慮截面形式變化：Mcrx=12EIyl22a+3By+(2a+3By)2+IwIy(1+GI

5、tl22EIw)其中：a 為橫向荷載作用點(diǎn)到截面剪力中心的距離； By 為反映截面不均勻程度的參數(shù)； 2、3 為與荷載類(lèi)型有關(guān)的截面系數(shù)，純彎是分別為0和1 ；滿(mǎn)跨均布時(shí)分別取0.46和0.53;跨中中央一點(diǎn)集中荷載時(shí)分別取0.55和0.40。（2）非彈性屈曲Mcrx=2（EIy）tl2（EIw）t（EIy）t1+(GIt）t+kl22(EIw）t其中：（EIy）t、（EIw）t、(GIt)t 均為考慮塑性影響的截面有效剛度；k 為考慮沿構(gòu)件軸向應(yīng)力對(duì)扭轉(zhuǎn)影響的系數(shù)；2.4 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式l 規(guī)范規(guī)定，受彎構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式如下：MxbWxfd1b=b43202AhWx1+yt14.4h2

6、+b×235fyb'=1.07-0.282b1.03. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)3.1 試件設(shè)計(jì)l 考慮的因素：實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康摹⒖紤]加載能力、考慮經(jīng)濟(jì)條件l 試件材質(zhì)：鋼材 Q235Bl 試件描述：H型截面 H×B×tw×tf100×40×4.0×4.0mml 試件加工圖和照片3.2 支座設(shè)計(jì)l 模擬的邊界條件：端部可繞強(qiáng)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)、端部可繞弱軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)、端部不可扭轉(zhuǎn)、端部可以自由翹曲；l 設(shè)計(jì)原理：水平方向用雙刀口夾緊試件上下翼緣的側(cè)邊，從而可以起到限制梁的側(cè)向位移，但允許繞強(qiáng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的條件；豎向梁端部擱置在支座上，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但無(wú)

7、法發(fā)生扭轉(zhuǎn)及豎向位移，從而達(dá)到模擬簡(jiǎn)支梁的效果。l 支座簡(jiǎn)圖及照片：3.3 測(cè)點(diǎn)布置l 應(yīng)變片和位移計(jì)布置原理：需要測(cè)量的數(shù)據(jù)：荷載、應(yīng)變、變形、轉(zhuǎn)角；測(cè)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)該合理（考慮數(shù)據(jù)的必要性以及可以利用的通道數(shù)等）；測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)該方便控制試驗(yàn)過(guò)程；數(shù)據(jù)之間應(yīng)該可以相互印證。l 應(yīng)變片布置圖 位移計(jì)布置圖3.4 加載裝置設(shè)計(jì)l 加載原理：逐級(jí)在吊籃上添加質(zhì)量塊，使上述重量通過(guò)吊籃設(shè)備 傳至簡(jiǎn)支梁跨中部位，形成集中荷載；l 加載裝置所模擬的荷載條件：兩端鉸支梁在跨中作用集中荷載l 加載方式：?jiǎn)握{(diào)加載； 加載初期：分級(jí)加載，每級(jí)荷載約10%*Pu，時(shí)間間隔約2分鐘 ；接近破壞：連續(xù)加載，合理控制加載速率

8、，連續(xù)采集數(shù)據(jù)卸載階段：緩慢卸載l 加載裝置圖：3.5 制定加載制度l 單調(diào)加載l 加載初期：分級(jí)加載每級(jí)荷載約 時(shí)間間隔約為2分鐘l 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)l 卸載階段：緩慢卸載4.試驗(yàn)準(zhǔn)備4.1 實(shí)測(cè)試件截面實(shí)測(cè)截面圖如圖所示所測(cè)數(shù)據(jù)如下表所示。實(shí)測(cè)截面平均值截面1截面2截面3截面高度Hmm100.04 101.15 99.87 99.10 截面寬度Bmm40.14 39.78 40.05 40.58 腹板厚度Twmm2.78 2.79 2.74 2.81 翼緣厚度Tfmm2.79 2.88 2.76 2.73 試件長(zhǎng)度Lmm2500.00 2500.00 2500

9、.00 2500.00 刀口厚度mm50.00 50.00 50.00 50.00 試件跨度mm2400.00 材性試驗(yàn)屈服強(qiáng)度f(wàn)yMPa306.77 彈性模量EMPa206000.00 拉斷強(qiáng)度f(wàn)uMPa434.64 4.2 試件拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果如下表試件編號(hào)屈服強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度延伸率（%）127941231227640532326139532426839832525539134626240532平均值267402324.3 設(shè)備標(biāo)定（已完成）l 需要標(biāo)定的設(shè)備：千斤頂、油壓傳感器、位移計(jì)、應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集板4.4 檢查測(cè)點(diǎn)逐個(gè)檢查測(cè)點(diǎn)是否工作正常。4.5 根據(jù)實(shí)測(cè)截面和實(shí)測(cè)材料特性估算承載力l

10、 根據(jù)彈性理論 即 Mcrx=12EIyl22a+3By+2a+3By2+IwIy1+GItl22EIw（1）若按鉸接計(jì)算，求得：（2）若按剛接計(jì)算，求得：l 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范b=b43202AhWx1+yt14.4h2+b×235fy（1）若按鉸接計(jì)算，求得：（2）若按剛接計(jì)算，求得：4.6試件對(duì)中l(wèi) 主要步驟：水平放置、幾何對(duì)中、應(yīng)變對(duì)中4.7預(yù)加載l 檢查設(shè)備是否工作正常l 檢查應(yīng)變片和位移計(jì)l 壓緊試件，消除空隙l 預(yù)加載荷載一般為極限承載力的30%5.試驗(yàn)結(jié)果初步分析5.1實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述l 加載初期：外加荷載較小，構(gòu)件應(yīng)力較小，處于彈性階段，無(wú)明 顯變形； 初步判斷出構(gòu)件可

11、能發(fā)生失穩(wěn)的方向，即向玻璃一側(cè)。l 接近破壞：構(gòu)件向玻璃一側(cè)的外彎和扭轉(zhuǎn)變形逐漸明顯。l 破壞現(xiàn)象：構(gòu)件明顯出現(xiàn)向玻璃一側(cè)的外彎和扭轉(zhuǎn)變形，表明梁的跨中部分出現(xiàn)較大的內(nèi)彎變形。l 破壞模式：梁出現(xiàn)整體的平面外彎扭失穩(wěn)l 破壞前后構(gòu)件的比較照片:破壞前：破壞后；5.2 繪制相關(guān)曲線(xiàn)l 荷載應(yīng)變曲線(xiàn)l 荷載位移曲線(xiàn)5.3實(shí)測(cè)承載力與理論值比較l 數(shù)據(jù)匯總ü 根據(jù)歐拉理論計(jì)算臨界失穩(wěn)荷載 Pcr = 230.58KNü 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算臨界失穩(wěn)荷載Pcr =162.35KNü 實(shí)測(cè)得到臨界失穩(wěn)荷載 Pcr = 240.43KNl 結(jié)果分析從上述數(shù)據(jù)可知，實(shí)測(cè)臨界失穩(wěn)荷載遠(yuǎn)大于根據(jù)線(xiàn)彈性理論計(jì)算的臨界失穩(wěn)荷載以及根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算的臨界失穩(wěn)荷載?？紤]原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）兩端支座雖設(shè)計(jì)為鉸接，但由于加載過(guò)程截面接觸難免產(chǎn)生壓力和摩擦力，增大了對(duì)柱子的約束，從而增大了其臨界失穩(wěn)荷載；（2）在我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用方法中有：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)。（3）每次加載之后，未等到足夠的時(shí)間即進(jìn)行下一級(jí)加載，從而造成實(shí)測(cè)失穩(wěn)臨界值大于真實(shí)的失穩(wěn)臨界值。（4）截面測(cè)量存在誤差，從而導(dǎo)致應(yīng)用公式得出的理