同济大学钢结构演示实验H型柱
同济大学钢结构基本原理试验H型截面轴心受压柱实验报告
H 型截面轴心受压柱实验报告学号： 姓名： 任课老师： 实验老师：实验日期：2012年03月30日一、实验目的：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、通过试验观察十字型截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式。
3、将理论极限承载力和实测承载力进行对比，加深对轴心受压构件稳定系数计算公式的理解。
二、实验原理：1、基本微分方程根据开口薄壁杆件理论，具有初始缺陷的轴心压杆的弹性微分方程为： 2、扭转失稳欧拉荷载H 型截面为双轴对称截面，因其剪力中心和形心重合，有 x 0= y 0 = 0，代入上式可得：''0()0IV IVx EI v v Nv -+= (a)''0()0IV IV y EI u u Nu -+= (b)''''2''''000()()0IV IV t EI GI r N R ωθθθθθθ---+-=(c)说明H 型双轴对称截面轴心压杆在弹性阶段工作时，三个微分方程是相互独立的，可分别单独研究。
在弹塑性阶段，当研究（a ）式时，只要截面上的产于应力对称与 Y 轴，同时又有00u =和00θ=，则该式将始终和其他两式无关，可单独研究。
这样，压杆将只发生Y 方向的位移，整体失稳呈弯曲变形状态，称为弯曲失稳。
这样，式（b ）也是弯曲失稳，只是弯曲失稳的方向不同而已。
对于式（c ），如果残余应力对称与 X 轴和 Y 轴分布，同时假定，00u =和00θ=则压杆将只发生绕 Z 轴的转动，失稳时杆件呈扭转变形状态，称为扭转失稳。
对于理想压杆，则有上面三式可分别求得十字型截面压杆的欧拉荷载为： 绕X 轴弯曲失稳：220xEx xEI N lπ=，绕Y 轴弯曲失稳：220yEy yEI N l π=绕Z 轴扭转失稳：222001()E t EI N GI l r ωθθπ=+ H 字型截面压杆的计算长度和长细比为：绕 X 轴弯曲失稳计算长度：00x x l l μ=，长细比0/x x x l i λ= 绕Y 轴弯曲失稳计算长度：00y y l l μ=，长细比0/y y y l i λ=绕Z 轴扭转失稳计算长度：00l l θθμ=，端部不能扭转也不能翘曲时0.5θμ=，长细比θλ=上述长细比均可化为相对长细比：λ=3、稳定性系数计算公式H 字型截面压杆的弯曲失稳极限承载力：根据欧拉公式22Ew w EA N πλ=得222y Ew w w f Eπσλλ==佩利公式：0(1)2y Excr f εσσ++=再由公式cryf σϕ=可算出轴心压杆的稳定性系数。
同济大学钢结构实验报告——T型柱受压
《钢结构实验原理实验报告》 —— T 型柱受压构件试验1551924张舒翔一、实验目的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T 形截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式。
3. 将理论极限承载力和实测承载力进行对比，加深对轴心受压构件稳定系数计算公式的理解。
二、实验原理1. 可能发生的失稳形式（1） 绕x 轴弯曲失稳（2） 绕y 轴弯曲同时绕杆轴扭转的弯扭失稳 2. 基本微分方程而对于T 型截面，X 0=0,Y 0≠0,得到()000x EI v v Nv Nx θ''''-+-=()000y EI u u Nu Ny θ''''-++=()()20t 00000EI GI Nx v Ny u r N R ωθθθθθθ''''----++-=()00x EI v v Nv ''''-+= ()000y EI u u Nu Ny θ''''-++= ()()20t 00000EI GI Nx v Ny u r N ωθθθθθ''''----++= 3. 长细比计算4. T 型截面的欧拉荷载5.T型截面压杆的极限承载力三、实验设计1.T型截面加工示意图2.支座设计形成约束：双向可转动端部不可翘曲端部不可扭转3.应变片及位移计布置4. 承载力估算(1) 规范公式(2) 欧拉公式()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++-++==222322322ycr421λλλααλλααλσϕf 2/1λϕ=所测得的承载力应介于两者之间四、实验前准备1.构件数据测量2. 承载力估算将截面特性带入公式得即发生弯扭失稳(1) 欧拉公式计算的承载力21/0.6586ϕλ== 95.33E y N Af KN ϕ==(2) 规范公式计算的荷载ϕ查表为0.466167.47cr y N Af KN ϕ==则最终承载力应为67.47-95.33KN3.正式加载前准备检查应变片及位移计工作良好并进行预加载，预加载荷载一般为极限承载力的30%，可实现检测设备是否正常工作、检测应变片和位移计、压紧试件，消除空隙。
同济钢结构实验报告
报告名称：《钢结构实验原理实验报告》——H型柱受压构件试验姓名：学号：时间：2014年12月E-mail ：T E L ：一、实验目的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. 通过试验观察工字形截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式。
3. 将理论极限承载力和实测承载力进行对比，加深对轴心受压构件稳定系数计算公式的理解。
二、实验原理1、轴心受压构件的可能破坏形式轴心受压构件的截面若无削弱，一般不会发生强度破坏，整体失稳或局部失稳总发生在强度破坏之前。
其中整体失稳破坏是轴心受压构件的主要破坏形式。
轴心受压构件在轴心压力较小时处于稳定平衡状态，如有微小干扰力使其偏离平衡位置， 则在干扰力除去后，仍能回复到原先的平衡状态。
随着轴心压力的增加，轴心受压构件会由稳定平衡状态逐步过渡到随遇平衡状态，这时如有微小干扰力使基偏离平衡位置，则在干扰力除去后，将停留在新的位置而不能回复到原先的平衡位置。
随遇平衡状态也称为临界状态， 这时的轴心压力称为临界压力。
当轴心压力超过临界压力后，构件就不能维持平衡而失稳破坏。
轴心受压构件整体失稳的破坏形式与截面形式有密切关系，与构件的长细比也有关系。
一般情况下，双轴对称截面如工形截面、H 形截面在失稳时只出现弯曲变形，称为弯曲失稳。
2、基本微分方程（1）、钢结构压杆一般都是开口薄壁杆件。
根据开口薄壁杆件理论，具有初始缺陷的轴心压杆的弹性微分方程为：由微分方程可以看出构件可能发生弯曲失稳，扭转失稳，或弯扭失稳。
对于H型截面的构件来说由于所以微分方程的变为：()()0200tIV0IV=''-''+''+''-''-''--θθθθθθωR Nru Ny v Nx GI EI ()0IVIV=''+''+-θNy u N u u EI y()0IV0IV =''-''+-θNx v N v v EI x 000==y x ()()0200t 0IV ω=''-''+''-''--θθθθθθR N r GI EI IV()0IV 0IVy=''+-u N u uEI ()IV 0IV x =''+-v N v v EI由以上三个方程可以看出：➢ 3个微分方程相互独立➢ 只可能单独发生绕x 弯曲失稳，或绕y 轴弯 曲失稳，或绕杆轴扭转失稳。
H形钢梁受弯全过程实验
《H形钢梁受弯全过程实验》报告一、实验目的1、了解H形钢梁的整体稳定和局部稳定实验方法，包括试件设计、实验装置设计、测点布置、加载方式、试验结果整理与分析等。
2、观察H形钢梁的整体失稳和局部失稳过程和失稳模式，加深对其整体稳定和局部稳定概念的理解。
3、将H形钢梁的理论整体稳定临界力与实测承载力进行比较，加深对工字形截面受弯构件整体稳定系数及其计算公式的理解。
二、实验原理受弯构件的主要破坏形式有以下三种：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，最后相邻截面在弯矩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：単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，使构件的承载强度不能充分发挥工字型截面的一个显著特点是两个主轴惯性矩相差极大。
因此，当跨度中间无侧向支承的梁在其最大刚度平面内受荷载作用时，当荷载较小时，梁基本在其最大刚度平面内弯曲，但当荷载增大到一定数值后，梁将偏离原来的弯曲变形平面，同时产生较大的侧向弯曲和扭转变形，最后很快使梁丧失继续承载的能力。
出现这种现象时，就称为梁丧失了整体稳定性，或称发生了弯扭失稳。
三、实验仪器和材料1、试件图1参数选择2、实验仪器a．钢梁专用实验台；b．CMOS型微型激光位移传感器HG-Cc．钢梁加载系统（反力架、分配梁、加載装置、G型夹）d．挠度计一个（测量梁中心挠度），百分表二个（测量梁两端支座的沉陷）e．荷载传感器f．倾角仪（测量梁的转角）g．JM3811静态电阻应变仪一台（绘制荷载一挠度）；微型计算机一台h．YE2533静态电阻应变仪一台（应变测量）四、实验步骤1.将胶基应变片贴在钢梁中部2.试件安装及实验装置检査a．放置钢梁支座b．吊装钢梁c．安装分配梁d．安装激光位移器e．检查仪表和实验装置3.测量梁实际跨度、截面尺寸、加载点位置、应变片位置等4.预加载a．接通相应的测试仪器并加载b．测读数据，观察试件、装置和仪表工作是否正常并及时排除故障c．检查合格后卸载至05.仪表调零或读仪表初值并记录。
同济大学钢结构实验报告——T型柱受压
《钢结构实验原理实验报告》 —— T 型柱受压构件试验1551924张舒翔一、 实验目的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T 形截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式。
3. 将理论极限承载力和实测承载力进行对比，加深对轴心受压构件稳定系数计算公式的理解。
二、 实验原理1. 可能发生的失稳形式（1） 绕x 轴弯曲失稳（2） 绕y 轴弯曲同时绕杆轴扭转的弯扭失稳2. 基本微分方程而对于T 型截面，X 0=0,Y 0≠0,得到()00x EI v v Nv ''''-+= ()000y EI u u Nu Ny θ''''-++= ()()20t 00000EI GI Nx v Ny u r N ωθθθθθ''''----++= 3. 长细比计算()000x EI v v Nv Nx θ''''-+-=()000y EI u u Nu Ny θ''''-++=()()20t 00000EI GI Nx v Ny u r N R ωθθθθθθ''''----++-=4.T型截面的欧拉荷载5.T型截面压杆的极限承载力三、实验设计1.T型截面加工示意图2.支座设计形成约束：双向可转动端部不可翘曲端部不可扭转3.应变片及位移计布置4. 承载力估算(1) 规范公式(2) 欧拉公式所测得的承载力应介于两者之间()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++-++==222322322ycr421λλλααλλααλσϕf 2/1λϕ=四、实验前准备1.构件数据测量2.承载力估算将截面特性带入公式得即发生弯扭失稳(1)欧拉公式计算的承载力21/0.6586ϕλ== 95.33E y N Af KN ϕ==(2)规范公式计算的荷载ϕ查表为0.466167.47cr y N Af KN ϕ==则最终承载力应为67.47-95.33KN3. 正式加载前准备检查应变片及位移计工作良好并进行预加载，预加载荷载一般为极限承载力的30%，可实现检测设备是否正常工作、检测应变片和位移计、压紧试件，消除空隙。
H型截面轴心受压柱实验报告可编辑
值小于计算值。
六、试验结果深入分析
1、初偏心：由于制造、安装误差的存在，压杆也一定存在不同程度的初偏心。
初偏心对压杆的影响与初弯曲的十分相似，一是压力一开始就产生挠曲，并随荷
载增大而增大；二是初偏心越大变形越大，承载力越小；三是无论初偏心 多小,它的临界力Ncr永远小于欧拉临界力NE。
增大位移也急剧增加，说明构件已经达到了极限承载力，无法继续加载。卸
载后，有残余应变，说明构件已经发生了塑性变形。
（4）破坏模式：绕弱轴弯曲失稳破坏。
（5）破坏照片：
2、荷载-应变曲线
3、荷载-位移曲线；
5、实测极限承载力比较
实测极限承载大小为135.491kN。
1）和欧拉公式比较：
实测值小于欧拉荷载183.810kN
二、实验原理：
1、基本微分方程
根据开口薄壁杆件理论，具有初始缺陷的轴心压杆的弹性微分方程为：
2、扭转失稳欧拉荷载
H型截面为双轴对称截面，因其剪力中心和形心重合，有x0y0 0，代入上式可得：
(a)
(b)
(c)
说明H型双轴对称截面轴心压杆在弹性阶段工作时，三个微分方程是相互独立的，可分别单独研究。在弹塑性阶段，当研究（a）式时，只要截面上的产于应力对称与Y轴，同时又有 和 ，则该式将始终和其他两式无关，可单独研究。这样，压杆将只发生Y方向的位移，整体失稳呈弯曲变形状态，称为弯曲失稳。这样，式（b）也是弯曲失稳，只是弯曲失稳的方向不同而已。
2、残余应力：残余应力使部分截面区域提前屈服，从而削弱了构件刚度，导致
稳定承载力下降。
3、初弯曲：严格的讲，杆件不可能直，在加工、制造、运输和安装的过程中，
同济大学钢结构实验报告材料——T型柱受压
《钢结构实验原理实验报告》 —— T 型柱受压构件试验1551924张舒翔一、 实验目的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T 形截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式。
3. 将理论极限承载力和实测承载力进行对比，加深对轴心受压构件稳定系数计算公式的理解。
二、 实验原理1. 可能发生的失稳形式（1） 绕x 轴弯曲失稳（2） 绕y 轴弯曲同时绕杆轴扭转的弯扭失稳2. 基本微分方程而对于T 型截面，X 0=0,Y 0≠0,得到()00x EI v v Nv ''''-+= ()000y EI u u Nu Ny θ''''-++= ()()20t 00000EI GI Nx v Ny u r N ωθθθθθ''''----++= 3. 长细比计算()000x EI v v Nv Nx θ''''-+-=()000y EI u u Nu Ny θ''''-++=()()20t 00000EI GI Nx v Ny u r N R ωθθθθθθ''''----++-=4.T型截面的欧拉荷载5.T型截面压杆的极限承载力三、实验设计1.T型截面加工示意图2.支座设计形成约束：双向可转动端部不可翘曲端部不可扭转3.应变片及位移计布置4. 承载力估算(1) 规范公式(2) 欧拉公式所测得的承载力应介于两者之间()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++-++==222322322ycr421λλλααλλααλσϕf 2/1λϕ=四、实验前准备1.构件数据测量2.承载力估算将截面特性带入公式得即发生弯扭失稳(1)欧拉公式计算的承载力21/0.6586ϕλ== 95.33E y N Af KN ϕ==(2)规范公式计算的荷载ϕ查表为0.466167.47cr y N Af KN ϕ==则最终承载力应为67.47-95.33KN3. 正式加载前准备检查应变片及位移计工作良好并进行预加载，预加载荷载一般为极限承载力的30%，可实现检测设备是否正常工作、检测应变片和位移计、压紧试件，消除空隙。
大型钢柱、梁的“H”型钢制作工艺
３ 翼 缘板及 腹板 的拼接及 下料
３１ 翼缘 板及腹 板 的拼 接位 置要 求 ． 翼 缘板与 腹板 的横 向对接 焊缝 。不允许 布置 在
梁 、 的同一截 面上 ， 柱 且应错 开 ２０ｍ 翼缘 板及腹 ０ ｍ；
一
（） ａ对接
图 ３ 坡 口形式
卫
（） ｂ Ｔ型接头
板 的横 向对 接焊缝 应 与梁 、柱立 筋板 焊缝 错 开 １０ ５ ｔｗ ｗｑ ｊ ｊｊ ｊｊ ． ｙ＠ ｙｙ ｗｔ ． 冶金棚赢设苗
腹板在宽度 ３２０ｍ 方 向上 由两块板 拼接组成 ， ０ ｍ 长
度方 向上 由三块 板拼接 ， 为防止 波浪变形 ， 应先 焊短 焊缝 １ ２ ３ ４ 后焊直通焊缝 ５ 、、、， 。如图 ４ 。
ｌ ５ ２
图 ５ 垂直位辅助工装
压 机
３
ｌ
４
图 ６ 水 平 位辅 助 工 资
图 ４ 拼 接顺 序
３５ 吊车梁腹板 下料起拱 ．
按钢结构设计 规范要求 ， 吊车梁腹板按 Ｌ１０ ／ ０起 ０ 拱 ，因此 ，８ｎ 吊车梁和 ２ ｌ １ ｌ ４ｎ 吊车梁分别按 １ ｍ ８ｍ
５ 板拼 接及 “ 型钢埋 弧焊 工艺 Ｈ”
５１ 焊接 工 艺试 验 ．
和 ２ ｍ起拱 。因为起拱 曲线 是抛物线 ， 各分 点 ４ｍ 其余 值 由公式 ＝ １４ — 式 中： 计算得 出。 意点的拱度值
． ｃ０
ｗ ｊ ｊ ｋｙ ｔ． ＠ ． ｊｔ ｑ ｃ ｗｊ ｊ ｙｙ ｏ
ｚ ｚ
ｍ
ｔ ｊ
． ｍ ｃ０
维普资讯
￣ Ｙ ｍ滓ＥＴＪＲ Ｉ ＡＪＧ Ｉ Ｉ Ｕ Ｎ
冶
厘四年 星 ： ！ｃ ◎ ： ＠ １ 期 总第 ０ ＝ ： 竺 二 期 第 ！ ：： ： ＝
同济大学钢结构基本原理(第二版)习题参考解答第五章
5.1 影响轴心受压稳定极限承载力的初始缺陷有哪些?在钢结构设计中应如何考虑?5.2 某车间工作平台柱高2.6m,轴心受压,两端铰接.材料用I16,Q235钢,钢材的强度设计值2215/d f N mm =.求轴心受压稳定系数ϕ及其稳定临界荷载.如改用Q345钢2310/d f N mm =,则各为多少?解答:查P335附表3-6,知I16截面特性,26.57, 1.89,26.11x y i cm i cm A cm === 柱子两端较接, 1.0x y μμ== 故柱子长细比为 1.0260039.665.7x x xli μλ⨯===,2600 1.0137.618.9y y y l i μλ⨯===因为x y λλ<,故对于Q235钢相对长细比为137.61.48λπ=== 钢柱轧制, /0.8b h ≤.对y 轴查P106表5-4(a)知为不b 类截面。
故由式5-34b得()223212ϕααλλλ⎡=++⎢⎣ ()2210.9650.300 1.48 1.482 1.48⎡=+⨯+⎢⎣⨯ 0.354=(或计算137.6λ=,再由附表4-4查得0.354ϕ=)故得到稳定临界荷载为20.35426.1110215198.7crd d N Af kN ϕ==⨯⨯⨯=当改用Q365钢时,同理可求得 1.792λ=。
由式5-34b 计算得0.257ϕ= (或由166.7λ=,查表得0.257ϕ=)故稳定临界荷载为20.25726.1110310208.0crd d N Af kN ϕ==⨯⨯⨯=5.3 图5-25所示为一轴心受压构件,两端铰接,截面形式为十字形.设在弹塑性范围内/E G 值保持常数,问在什么条件下,扭转屈曲临界力低于弯曲屈曲临界力,钢材为Q235.5.4 截面由钢板组成的轴心受压构件,其局部稳定计算公式是按什么准则进行推导得出的.5.5 两端铰接的轴心受压柱,高10m,截面为三块钢板焊接而成,翼缘为剪切边,材料为Q235,强度设计值2205/d f N mm =,承受轴心压力设计值3000kN (包括自重).如采用图5-26所示的两种截面,计算两种情况下柱是否安全.图5-26 题5.5解答:截面特性计算: 对a)截面:32394112(5002020500260)8500 1.436101212x I mm =⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯=⨯ 3384112205005008 4.167101212y I mm =⨯⨯⨯+⨯⨯=⨯ 2250020500824000A mm =⨯⨯+⨯=244.6x i mm ==131.8y i mm==对b)截面:32384112(4002540025212.5)104009.575101212x I mm =⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯=⨯ 33841122540040010 2.667101212y I mm =⨯⨯⨯+⨯⨯=⨯ 24002524001024000A mm =⨯⨯+⨯=199.7x i mm ==105.4y i mm==整体稳定系数的计算:钢柱两端铰接,计算长度10000ox oy l l mm == 对a)截面: 1000040.88244.6ox x x l i λ=== 1000075.87131.8ox y y l i λ=== 对b)截面: 1000050.08199.7kx x x l i λ=== 1000094.88105.4ox y y l i λ=== 根据题意,查P106表5-4(a),知钢柱对x 轴为b 类截面,对y 轴为c 类截面.对a)截面:对x 轴:40.880.440x λπ===()223212x x x x ϕααλλλ⎡=++⎢⎣()2210.9650.30.440.4420.44⎡=⨯+⨯+-⎢⨯⎣0.895=(或计算40.88λ=,再由附表4-4查得0.896xϕ)对y 轴:25.870.816y λπ===()223212y y y y ϕααλλλ⎡=++⎢⎣()2210.9060.5950.8160.81620.816⎡=⨯+⨯+⎢⨯⎣0.604=(或计算75.87λ=,再由附表4-5查得0.604yϕ)故取该柱的整体稳定系数为0.604ϕ=对b)截面,同理可求得0.852x ϕ=,0.489y ϕ=,故取该柱截面整体稳定系数为0.489ϕ= 整体稳定验算:对a)截面 0.604240002052971.68 3000 crd d N Af kN kN ϕ==⨯⨯=<不满足。
H型截面轴心受压柱实验报告
（3）破坏现象：柱子明显弯曲，支座处刀口明显偏向一侧（可能已经上下
刀口板已经碰到），千斤顶作用力无法继续增加，试件绕弱轴方向失稳，力不再
增大位移也急剧增加，说明构件已经达到了极限承载力，无法继续加载。卸
载后，有残余应变，说明构件已经发生了塑性变形。
（4）破坏模式：绕弱轴弯曲失稳破坏。
（5）破坏照片：
本试验中的时间均采用竖向放置。采用油压千斤顶和反力架施加竖向荷载。
加载初期：分级加载；每级荷载约10%Pu；时间间隔约2min。
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。
（2）加载装置图
（3）加载原理
千斤顶在双刀口支座上产生的具有一定面积的集中荷载通过刀口施加到试
件上，成为近似的线荷载，在弱轴平面内是为集中于轴线上的集中力。
2、残余应力：残余应力使部分截面区域提前屈服，从而削弱了构件刚度，导致
稳定承载力下降。
3、初弯曲：严格的讲，杆件不可能直，在加工、制造、运输和安装的过程中，
不可避免的要形成不同形式、不同程度的初始弯曲，导致压力一开始就产生挠曲，
并随荷载增大而增大。
4、微扭转，构件由于初始缺陷及安装误差，造成截面并非完全双轴对称，从应变片S1与S3、S2与S4的差别可以看出，构件发生的并非理想的纯弯曲失稳，失稳时同时发生了微小的逆时针扭转。这也是导致实测承载力小于计算值的原因之一。
二、实验原理：
1、基本微分方程
根据开口薄壁杆件理论，具有初始缺陷的轴心压杆的弹性微分方程为：
2、扭转失稳欧拉荷载
H型截面为双轴对称截面，因其剪力中心和形心重合，有x0y0 0，代入上式可得：
(a)
(b)
(c)
方管柱-H型钢梁隔板贯通式节点抗震性能研究
——蔓！里笙堡
接于柱（见图１．１）；梁贯通指在节点处保持梁构件的连续，柱构件被打断，分 别连接于粱上（见图１．２）：隔板贯通指上下两块隔板穿过整个柱断面，并通过 焊接形式分别连接在柱左右两边梁的上下翼缘，而各段柱身焊接于隔板以保持 连续（见图１．３）。同时也有专家针对箱型截面柱或圆管截面柱的水平隔板形式 将节点分为：内连式水平加劲隔板节点、贯通式水平加劲隔板节点、外连式水
２．分析试验数据，解析试验现象，同时对方管柱～Ｈ型钢梁隔板贯通式节 点的构造细节进行了讨论。通过分析，发现方管柱－－ｔｌ型梁隔板贯通式节点的滞 回性能、极限承载力和节点域耗能能力均与普通的柱贯通式节点基本相同。
３．建立各个节点的有限元模型，将有限元计算结果与试验结果对比，验证 了有限元模型可以在一定精度上模拟节点试件的滞回过程，计算得出节点的极 限承载力。
ｂｅａｍ １．Ｆｏｕｒ ｔｅｓｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｌｕｍｎ ａｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．
Ｔｈｅ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ，ｌｏａｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｓ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅｉｒ
薄柔高频焊接H钢柱的实验和抗震承载力评价
摘要 ： 针对大宽厚 比的高频焊 接 Ｈ钢柱塑性耗能能力较低 的特点 ， 进行 了 ｌ ０个试件 的单调和 反复加 载试验 研究 ．
试验揭示 ， 在一般低多层框架结构的长细比范围内， 翼缘和腹板板件宽厚 比的组合和轴压比是决定薄柔 Ｈ钢柱静 力和滞回性能的关键因素． 综合实验结果和系统的数值分析， 提出了经受罕遇地震往复作用时 ， 将钢柱承载；－ 降 ｂＶ
ｖ（ ｌ ４ Ｎｏ ｌ ） １ ｌ３ ＮＯ ．２ ０６ Ｖ ０
薄 柔 高 频 焊 接 Ｈ 钢 柱 的 实验 和 抗 震 承 载 力 评 价
陈 以一 马 越 ２赵 ， ，
（ １同济大学 土木工程 防灾 国家 重点 实验室 ， 上海
静 ２童 乐为２ ，
２０９ ） ０ ０ ２
２０９ ； ０ ０ ２ ２同济大学 土小 ］程学 院 ， 二 上海
ａ ｔ ｎ ．Ｏｎ ｔｅｂ ｓｓ ｌ ｗａ ｌ ｏ ｉａ ｉｎｏ ｄ ｈ ｔ ｉｋ ｅｓｒ ｔ ｓｏ ａ ｇ ｎ ｂｉ ｓ ｇ ｅ ｔｄ ｃｉ ｓ ｏ ｈ ａ ｉ，ａｌ ｏ ｂｅｃ ｍｂｎ ｔ ｆｗｉｔ —ｈ ｃ ｎｓ ａｉ ｆ ｎ ｅａ ｄ ｗｅ ｕ ｇ ｓｅ ， ｏ ｏ ｌ ｆ ｓ ｓ ｈ ｔｍｏ ｎ ｅｉｔ ｇ ｆａ ｅｃ ｍ ｐ ｓ ｄｏ ｏ —ｏ ａ ｔｂ ａ —ｏｕ ｓｃ ｎ ｂ ｏ ｓｒ ｃｅ ｎ ｓｉｍ ｉ ｏｔ ａ ｍｅ ｔｒｓｓｉ ｒｍ ｏ ｏ ｅ ｆｎ ｎ ｃ ｍｐ ｃ ｅｍ ｃ ｌｍｎ ａ ｅｃ ｎ ｔｕ ｔｄ ｉ ｅｓ ｃ ｎ
Ｔ ｓ ｓ ｏ ｇ — ｒ ｑ ｅ ｃ ｅ ｄ ｄ Ｈ Ｓｔ ｅ ｌｍｎ ｉ ｅ ｄ ｓ ｅ ｔ ｎ Ｈｉ ｈ Ｆ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｗ ｌ ｅ ｅ ｌ Ｃｏ ｕ ｓ ｗ ｔ Ｓｌ ｎ ｅ ｈ
Ｅｌｍ ｅ ｔ ｎ ｔ ｖ ｕ ｔｏ ｆＳｅｉｍ ｉ ｓｓ ａ ｃ ｅ ｎ ｓ ａ ｄ ｌ Ｅ ａｌａ ｉ ｎ ｏ ｓ ｓ ｃ Ｒｅ ｉｔ ｎ ｅ
同济大学钢结构基本原理试验-H型截面轴心受压柱实验报告
H型截面轴心受压柱实验报告学号：姓名：任课老师：实验老师：实验日期：2012年03月30日一、实验目的：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、通过试验观察十字型截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式。
3、将理论极限承载力和实测承载力进行对比，加深对轴心受压构件稳定系数计算公式的理解。
二、实验原理：1、基本微分方程根据开口薄壁杆件理论，具有初始缺陷的轴心压杆的弹性微分方程为：''''00()0IV IVx EI v v Nv Nx θ-+-=''''00()0IV IV y EI u u Nu Ny θ-+-=''''''''2''''00000()()0IV IV t EI GI Nx Ny r N R ωθθθθθθθθ----++-=2、扭转失稳欧拉荷载H 型截面为双轴对称截面，因其剪力中心和形心重合，有 x 0 y 0 0，代入上式可得：''0()0IV IVx EI v v Nv -+=(a)''0()0IV IV y EI u u Nu -+= (b)''''2''''000()()0IV IV t EI GI r N R ωθθθθθθ---+-=(c)说明H 型双轴对称截面轴心压杆在弹性阶段工作时，三个微分方程是相互独立的，可分别单独研究。
在弹塑性阶段，当研究（a ）式时，只要截面上的产于应力对称与 Y 轴，同时又有00u =和00θ=，则该式将始终和其他两式无关，可单独研究。
这样，压杆将只发生Y 方向的位移，整体失稳呈弯曲变形状态，称为弯曲失稳。
这样，式（b ）也是弯曲失稳，只是弯曲失稳的方向不同而已。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
H型截面轴心受压构件试验1、试验目的（1）认识和了解H型截面轴心受压钢构件的整体稳定实验方法，包括试件设计、实验装置设计、测点布置、加载方式、试验结果整理与分析等。
（2）观察记录H型截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式，进而加深对其整体稳定概念的理解。
（3）将柱子理论承载力和实测承载力进行比较，加深对H型截面轴心受压构件整体稳定系数及其计算公式的理解。
（4）利用理论知识，实测出实验对应的H型钢轴心受压的稳定系数。
2、实验原理根据钢结构基本原理可知，轴心受压钢构件的主要破坏形式是整体失稳破坏。
轴心受压构件在轴心压力较小时处于稳定平衡状态，随着轴心压力的增加，轴心受压构件会由稳定平衡状态逐步过渡到随遇平衡状态，这时如有微小干扰力使其偏离平衡位置，则在干扰力除去后，将停留在新的位置而不能回复到原先的平衡位置。
当轴心压力超过临界压力后，构件就不能维持平衡而失稳破坏。
实际轴心压杆与理想轴心压杆有很大区别。
实际轴心压杆都带有多种初始缺陷，如杆件的初弯曲、初扭曲、荷载作用的初偏心、制作引起的残余应力，材性的不均匀等等。
这些初始缺陷使轴心压杆在受力一开始就会出现弯曲变形，压杆的失稳属于极值型失稳。
2.1 弹性微分方程钢结构受压杆件一般都是开口薄壁杆件。
根据开口薄壁理论，具有初始缺陷的轴心压杆的弹性微分方程为()000x EI v v Nv Nx θ''''-+-= (1) ()000y EI u u Nu Ny θ''''-++= (2)()()20t 00000EI GI Nx v Ny u r N R ωθθθθθθ''''----++-= (3)y,vx,u图1 H 型截面受压柱根据以上的式子，我们可以看出，双轴对称截面轴心压杆在弹性阶段工作时，三个微分方程是互相独立的，可以分别单独研究。
在弹塑性阶段，当研究第一个式子时，只要截面上的残余应力对称于y 轴，同时又有00u =和00θ=，则该式将始终与其他两式无关，可以单独研究。
这样，压杆将只发生y 方向的位移，整体失稳呈弯曲变形状态，成为弯曲失稳。
同样，第二个式子也是弯曲失稳，只是弯曲失稳的方向不同而已。
对于第三个式子，如果残余应力对称于x 轴和y 轴分布，同时假定，u 0=0，v 0=0，则此时压杆只发生绕z 轴的转动，失稳时杆件呈扭转变形状态，称为扭转失稳。
故存在三种失稳情形，即绕x 轴弯曲或绕y 轴弯曲或绕杆轴的扭转失稳。
三种情况何者临界力低，则发生那种失稳。
2.2 H 型截面压杆的欧拉临界力 绕x 轴弯曲失稳 xox /x l i λ= 2Ex 2x EA N πλ=绕y 轴弯曲失稳yoy /y l i λ= 2Ey 2y EA N πλ=绕z 轴扭转失稳θλ=2E 2EAN θθπλ=其中绕x 轴弯曲失稳计算长度 00xx l l μ=绕y 轴弯曲失稳计算长度 00y y l l μ=绕z 轴扭转失稳计算长度 00l l θθμ=2.3 H 型截面压杆的稳定承载力考虑到截面的形状和尺寸、材料的力学性能、残余应力的分布和大小、构件的初弯曲和初扭曲等，构件不是理想压杆，钢结构设计规范中采用稳定极限承载力理论的计算方法得到：我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018采用该方法，并采用下式计算：()2cr 232y 12f σϕααλλλ⎡==++⎢⎢⎣2.4 H 型截面压杆极限承载力的规范计算公式()()Exy 2Ex 0y Ex0y cr 2121σσεσεσf f f -⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-++=3、试验准备3.1试件截面（工字形截面）h×b×tw×tf＝100×60×4.0×4.0mm；试件长度：L＝1000~1300mm；钢材牌号：Q235B图2 试件加工图3.2支座设计图3 支座设计详图实验采用双刀口支座设计，实现了双向可转动、端部不可翘曲、端部不可扭转的约束条件。
3.3实测截面尺寸实测截面截面1 截面2 截面3 平均值截面高度H（mm) 100.85 100.44 100.41 100.57截面宽度B(mm) 59.33 59.26 59.27 59.45腹板厚度Tw(mm) 4.00 4.00 4.00 4.00测得刀口厚度为h=36.00mm，由此得到计算长度 1072.00mm根据截面实测尺寸，得到基本参数计算值(由于受压构件先绕弱轴失稳，此时仅计算Ix)3.4测点布置由于构件跨中为位移与应变最大处，故在跨中截面布置了应变片和位移计。
以及与通道号的对应位置如下图所示图4. 应变片和位移片布置3.5材料性能实验图示为材料拉伸试验：图5 拉伸试验结果如下：材性试验单位数值屈服强度fy MPa 267.00弹性模量E MPa 206000.003.6实验结果预估计因为λx>λy ，可知工字型柱将会绕弱轴（x-x 轴）失稳。
1. 欧拉临界压力估算两端简支的工字型截面理想轴心受压构件的临界压力可以根据计算得到： N=236.49kN 2.极限承载力估算本次试验的极限承载力估算根据《钢结构设计规范（GB50017-2003）》的规定进行。
由规范公式有：相对长细比 3.46800.215λ==> （更正：相对长细比为0.145）理论轴心受压稳定系数： 所以有： N=112.16kN4、正式试验4.1试件对中竖向放置—轴心受压—几何对中—应变对中，并试加载，根据应变片的应变读数判断是否对中并调整。
应反复加载直至读数符合实验要求的误差。
4.2预加载215.0>λ()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++-++==222322322ycr421λλλααλλααλσϕf对试件进行预加载，目的是检测设备是否正常工作，检测应变片和位移计，压紧试件，消除空隙。
预加载荷载一般为极限承载力的30%4.3加载4.3.1加载设备为千斤顶。
构件竖向放置，千斤顶于构件上端施加压力，荷载值由液压传感器测得。
图6加载装置示意图图7 加载装置实物图4.3.2 加载方式采用单调加载，并采用分级加载和连续加载相结合的加载制度。
在加载初期，当荷载小于理论承载力的80%时，采用分级加载制度，每次加载时间间隔为2 分钟；当荷载接近理论承载力时，改用连续加载的方式，但加载速率应控制在合理的范围之内。
具体加载步骤如下：①当荷载小于理论承载力的60%时，采用分级加载，每级荷载增量不宜大于理论承载力计算值的20％；②当荷载小于理论承载力的80%时，仍采用分级加载，每级荷载增量不宜大于理论承载力计算值的5％；③当荷载超过理论承载力的80%以后，改用连续加载，加载速率一般控制在每分钟荷载增量不宜大于理论承载力计算值的5%；④当构件达到极限承载力时，停止加载，但保持千斤顶回油阀为关闭状态，持续3 分钟左右。
由于构件达到了失稳状态，因此即使关闭回油阀，荷载仍然会出现下降，而试件的变形将继续发展；⑤最后缓慢平稳的打开千斤顶回油阀，将荷载逐渐卸载至零。
4.4试验现象在加载的开始阶段，荷载的增加并没有使柱子发生明显的弯曲；随着荷载的不断增大，在接近理论极限荷载的时候，工字型钢柱出现了沿X轴方向较大的弯曲变形，可以判断此时发生了整体失稳。
最终在荷载曲线图上，当荷载为4.60 kN 时，无法继续加载，且柱子的变形已较大，因此认为实验所测承载力为4.60 kN。
破坏模式：绕x-x轴的整体弯曲失稳图8. 破坏图5、试验结果5.1数据处理对得到的试验数据（见20131031）进行一定的删减，去掉预加载以及卸载后的数据12应变=（应变1+应变2）/234应变=（应变3+应变4）/256应变=（应变5+应变6）/278应变=（应变7+应变8）/2得到下图荷载-位移曲线以及荷载-应变曲线：（修正前）（修正后）图9 荷载-位移曲线图10 荷载-应变曲线5.2数据曲线分析（1）随着荷载的增加，位移计1、3出现了同侧的应变增量，位移计2、4出现了相反侧的应变增量，说明在加载至整体失稳的过程中，工字型柱出现了沿X轴的弯曲变形，并且从位移计1、2所在侧面看，在左侧为受拉侧，右侧为受压侧。
(2)在刚开始加载的阶段（小于1.5KN时），位移计1与位移计2的位移接近于0，与刚开始加载时的观察现象一致，构件没有明显的弯曲变形；当荷载不断增大时，位移计1的位移数值迅速增大，而位移计2的变化较小；在接近理论承载力时，位移计1的读数增长变快，而位移计2加载全程变化较小；因此，可认为构件是绕x-x轴发生整体失稳，杆件中段发生沿y轴左侧方向的较大挠度，沿x轴的挠度不明显，与观察到的实验现象一致。
5.3实测极限承载力分析和欧拉公式对比：根据前述计算得到的欧拉公式结果，有：欧拉公式计算结果实验所测承载力236.49kN151.67kN 比较可知，实验所测承载力只有欧拉承载力的约64%；欧拉公式是针对理想轴心压杆模型所得出的理论计算公式，而实际的构件存在有多种初始缺陷，如杆件的初弯曲、初扭转，制作引起的残余应力等等，这些初始的缺陷使得构件在受压力的一开始就出现有弯曲变形，因此实际的承载力会与欧拉公式的承载力相差较多。
和规范公式对比：根据前述计算得到的规范公式的结果，有：《钢结构设计规范（GB50017-2003）》实验所测承载力规范公式计算结果112.16kN 151.67kN 比较可知，实验所测承载力与规范公式计算的结果比较接近，偏高约35%；规范公式在设计时即考虑了影响轴心压杆稳定极限承载力的多种因素，因此其结果比较精确；但实验所测承载力与之相比偏高，这可能是由于长期实验下支座约束与理论约束情况相差过大。
5.3实测缺陷分析图11.缺陷分析6、思考稳定破坏和强度破坏在性质、表现特征、计算方法上有何不同？性质：稳定破坏是构件的整体性质，本质上是结构的整体刚度逐渐降低为0失去稳定的过程，强度破坏是某点上的强度逐渐达到屈服值而发生破坏。
表现特征：强度破坏：内力达到极限承载力，有明显的变形；失稳破坏：具有突然性，可分为整体失稳破坏与局部失稳破坏；计算方法：强度验算一般是计算危险截面的最大应力点，看是否超过设计值。
一般依据三个准则：边缘屈服准则、全截面塑性准则有限塑性发展的强度准则。
稳定验算一般根据规范算出稳定系数，并据此算出极限承载力。
7、结论通过本次H型柱受压试验，我掌握了测试轴心受压构件基本性能的实验方法，进一步认识了弯曲失稳的破坏全过程，同时通过数据处理、理论计算等对实验进行了归纳分析。
得到的实验结论与理论较为符合，通过分析和讨论，进一步加深了对轴心受压尤其是弯曲失稳破坏的理解。
第一次在实际中见到了课堂上所学到的关于弯曲失稳的知识，同时发现理论和实际存在一定的差异，认识到了钢结构是一门理论与试验紧密结合的课程。