钢结构演示实验报告

H型截面受弯构件试验实验报告
姓名：居玥辰
学号: 1450711
专业：土木工程专业
组别：H梁-1
实验教师：王伟
理论教师：吴明儿
1试验目的
1通过试验掌握钢构件的试验方法，包括试件设计、加载装
置设计、测点布置、试验结果整理等方法。

2、通过试验观察H型截面受弯构件的失稳过程和失稳模式。

将理论极限承载力和实测承载力进行对比，验证弹性临界弯矩公式和规范计算公式。

2. 试验原理
2.1受弯构件的主要破坏形式
截面强度破坏：即随着弯矩的增大，截面自外向内逐渐达到屈服点，截面弹性核逐渐减小，最后相邻截面在玩具作用下几乎可以自由转动，此时截面即达到了抗弯承载力极限，发生强度破坏；另外若构件剪力最大处达到材料剪切屈服值，也视为强度破坏。

整体失稳：单向受弯构件在荷载作用下，虽然最不利截面的弯矩或者与其他内力的组合效应还低于截面的承载强度，但构件可能突然偏离原来的弯曲变形平面，发生侧向挠
曲或者扭转，即构件发生整体失稳。

局部失稳：如果构件的宽度与厚度的比值太大，在一定荷载条件下，会出现波浪状的鼓曲变形，即局部失稳；局部失稳会恶化构件的受力性能，是构件的承载强度不能充分发挥。

2.2基本微分方程
距端点为z处的截面在发生弯扭失稳后，截面的主轴和纵轴的切
线方向与变形前坐标轴之间产生了一定的夹角， 把变形后截面的两主
轴方向和构件的纵轴切线方向分别记为，贝心
ElxV * Mx?
It
M n =-El y U s?Mx6*
或：&
It
ElyU + MxS = 0：
Gl ■.匚l ・ £ iViNi o；
第一式是绕强轴的弯曲平衡方程，仅是关于变位 ，‘的方程，后
两
式则是变位u 和e 的耦连方程，表现为梁整体失稳的弯扭变形性质。

2.3弯扭失稳的临界荷载值 (1)弹性屈曲范围
由上述基本微分方程可求得纯弯梁的弯扭屈曲临界弯矩公式, 即:
又由 绕y 轴弯曲失稳N E *二t
OCTX
一
绕z轴扭转失稳N EB = （: + GltJ/ro1
1“
可推得：Max =巾\ NEyNEB = H）N E八N EB/N EY
考虑支撑条件的变化：
<rX…轴尸J h鬧+兀帘1时】
其中：- •：.-兀占启文样寿：：丰滲1运迥剋.敎
考虑荷载作用方式的变化：
M crx= PiMocrx
其中：伤为荷载作用方式系数，纯弯曲时取1.0；满跨均布荷载时取1.13跨中中央一点集中荷载时取1.35；两端作用等值反向弯矩时取2.65。

考虑截面形式变化：
I
n2Ely I 工lw Gif
W<rx = Pt - Ip2a十內By +（Pi a +P 畀y）十"7（1 +~ ）］
I2J 'y 7T2EI W
其中：a为横向荷载作用点到截面剪力中心的距离；
By为反映截面不均匀程度的参数；
P"佻为与荷载类型有关的截面系数，纯弯是分别为0和
1 ;满跨均布时分别取0.46和0.53;跨中中央一点集中荷载
时分别取0.55和0.40。

（2）非弹性屈曲
7?(Ely )t (Elw )t [(Gl t )t+kjl 2
Mcrx = _ ■—
g 、-{l + ----- 7
--- }
I 2
J (Ely )t H 2(EI W )t
其中：
(Ely) t '(Elw )“ (Clt)t 均为考虑塑性彤响的截面有效刚度:
k 为考虑沿构件轴向应力对扭转影响的系数；
2.4稳定系数计算公式
规范规定，受弯构件稳定系数计算公式如下:
M x q )bW x fd
43^aAh
<pb = Bb ------------ [
屮Wx l
.
0.282
= 1-0? - ------- S EO
<pb
3. 试验设计
3.1试件设计
考虑的因素：实现试验目的、考虑加载能力、考虑经济 条件 试件材质：钢材Q235B
试件描述：H 型截面 H X B x tw x tf = 100X 40 x 4.0x
4.0mm
试件加工图和照片
+
Hb]
235 fy
4冲W
模拟的边界条件：端部可绕强轴自由转动、端部可绕弱
轴自由转动、端部不可扭转、端部可以自由翘曲；
设计原理：水平方向用双刀口夹紧试件上下翼缘的侧
边，从而可以起到限制梁的侧向位移，但允许绕强轴转动的条件; 竖向梁端部搁置在支座上，可以自由转动，但无法发生扭转及竖向位移，从而达到模拟简支梁的效果。

支座简图及照片：
3.2支座设计
3.3
测点布置
应变片和位移计布置原理：需要测量的数据：荷载、应
变、变
形、转角；测点数量应该合理（考虑数据的必要性以及可 以利用的通道数等）；测点的布置应该方便控制试验过程； 数据之 间应该可以相互印证。

应变片布置图
位移计布置图
3.4加载装置设计
加载原理：逐级在吊篮上添加质量块，使上述重量通过
吊篮设备
传至简支梁跨中部位，形成集中荷载；
加载装置所模拟的荷载条件：两端铰支梁在跨中作用集
跨中截面应变片布置
跨中截面位移计布置
3-5
左fTlW 精
cb;OD;
中荷载
加载方式：单调加载；
加载初期：分级加载，每级荷载约10%*Pu时间间隔约2分钟
接近破坏：连续加载，合理控制加载速率，连续采集
数据
卸载阶段：缓慢卸载
加载装置图：
A吊我
3.5根据实测截面和实测材料特性估算承载力
根据弹性理论
M cr 4 巳即 P er
4
L
(1)若按铰接计算，求得:
已 2.612kN(266.53kg)
(2)若按刚接计算，求得:
P 6.018kN(614.13kg)
根据《钢结构设计规范》
432O^h ' (Ayt t V 235 <pb = pb _ _.. [ [ + 1—- + Hb] x —
A 2 Wx 、 匕仆 ®
(1) 若按铰接计算，求得：
F C r
1.988kN(20
2.86kg)
(2) 若按刚接计算，求得：
匕 5.482kN(559.35kg)
3.6制定加载制度
单调加载
加载初期：分级加载每级荷载约10% F u 时间间隔约为2
分钟
接近破坏：连续加载合理控制加载速率连续采集数据 卸载阶段：缓慢卸载
4. 试验准备
M C rx 二 Pi
kEly
* I
+ 伤 By +
GltF
4.1实测试件截面
实测截面图如图所示
所测数据如下表所示
4.2试件拉伸试验
试件编号屈服强度拉伸强度延伸率（% 127941231
227640532
326139532
426839832
525539134
626240532平均值26740232
4.3设备标定（已完成）
需要标定的设备：千斤顶、油压传感器、位移计、应变片、数据
0816 24 32
米集板
4.4检查测点
逐个检查测点是否工作正常
4.5试件对中
主要步骤：水平放置、几何对中、应变对中
4.6预加载
检查设备是否工作正常 检查应变片和位移计 压紧试件，消除空隙
预加载荷载一般为极限承载力的30%
5. 开始试验
5.1正式加载
分级加载 后连续加载
绘制荷载-位移实时曲线 绘制荷载-应变实时曲线
5.2判断极限承载力 承载力极限状态确定方法
$D5
SI ......... S 2
KMZjZ/zmi —
S3
7
I S4
9
Q 2
D2
斛裁面厳片布置
酣截面飾计繼
荷载不继续增加，而试件的变形明显增大
荷载位移曲线越过水平段，开始出现下降
5.3卸载
试件破坏后开始卸载
绘制卸载曲线
卸载越缓慢，曲线越饱满
卸载完成后
观察残余变形
观察残余应变
6. 试验结果初步分析
6.1实验现象描述
加载初期：外加荷载较小，构件应力较小，处于弹性阶段，无明
显变形；初步判断出构件可能发生失稳的方向，即向玻璃一侧。

接近破坏：构件向玻璃一侧的外弯和扭转变形逐渐明显。

破坏现象：构件明显出现向玻璃一侧的外弯和扭转变形，表明梁的跨中部分出现较大的内弯变形。

破坏模式：梁出现整体的平面外弯扭失稳
破坏前后构件的比较照片：
破坏前:
破坏后;
6.2绘制相关曲线
荷载应变曲线
应蹈
IX)
应变片30-1
应变片30-2
--- 应变片
303
应变片30-■<
荷载位移曲线
fc 移i+ 0 g
---- 位移计*目
---- 位移计弘丁
6.3实测承载力与理论值比较
数据汇总
根据欧拉理论计算临界失稳荷载Per = 230.58KN
根据《钢结构设计规范》计算临界失稳荷载
Pcr=162.35KN
实测得到临界失稳荷载Per二429KN
结果分析
从上述数据可知，实测临界失稳荷载远大于根据线弹性理论计算的临界失稳荷载以及根据《钢结构设计规范》计算的临界失稳荷载。

考虑原因主要有以下几点：
（1）两端支座虽设计为铰接，但由于加载过程截面接触难免产生压力和摩擦力，增大了对柱子的约束，从而增大了其临界失稳荷载；
（2）在我国钢结构设计规范采用方法中有：以初弯曲为1/1000, 选用不同的界面形式，不同的残余应力模式计算出近200条柱子曲线。

并使用数理方程的统计方式，将这些曲线分成4组，公式采用了偏于安全的系数。

（3）每次加载之后，未等到足够的时间即进行下一级加载，从而造成实测失稳临界值大于真实的失稳临界值。

（4）截面测量存在误差，从而导致应用公式得出的理论临界值普遍偏小。

7. 试验总结
本次钢结构实验我参加的是H型截面受弯构件试验，通过实际亲身学习，我初步了解了受弯构件破坏的几张常见模式；基本掌握了受弯构件整体失稳的数学原理，失稳模式以及临界承载力的两种计算方法（线弹性理论法和根据《钢结构设计规范》计算方法），观察到了
梁构件发生平面外弯扭失稳的现象，并最后独立整理数据，绘制了本实验梁发生平面外失稳的荷载与应变、荷载与位移等曲线。

8. 思考题
弹性临界弯矩，实测荷载，规范荷载之间会有什么关系？为什么？
规范荷载v弹性临界荷载v实测荷载。

由于规范荷载的设计值往往是偏于安全的，因此要小于实测荷载和弹性临界弯矩。

而由于实际中的种种条件没有达到理想条件，同时截面进入部分塑性发展阶段，因此实测荷载要大于弹性临界弯矩。

吊载装置和千斤顶加载所得极限承载力有什么差别？
由于吊载所加砝码质量不连续，可能越过临界承载力并发生破坏，所以结果比真实值要大。

而千斤顶加载是连续的，所测值与极限承载力相近。

因此吊载装置所得承载力要比千斤顶加载偏大。