同济大学钢结构试验自主实验报告详解

钢结构基本原理自主实验“H型柱受压构件试验”实验报告

小组成员：

实验教师：杨彬

实验时间： 2016.11.8

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：

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。

()

()020000

t IV

0IV =''-''+''+''-''-''--θθθθθθωR N r u Ny v Nx GI EI ()00IV

IV =''+''+-θNy u N u u EI y ()

0IV

0IV =''-''+-θNx v N v v EI x 000==y x (

)

()0200t 0IV ω=''-''+''-''--θθθθθθR N r GI EI IV

()0IV 0

IV

y

=''+-u N u u

EI ()

IV

0IV x =''+-v N v v EI

➢ 失稳形式的类型取决于长细比，长细比大的发生。 （2）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：00

x 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：

00

y 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：

00

l 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

2

22

y

Ew w w f E πσλλ==

佩利公式：

0(1)2

y Ex

cr f εσσ++=

再由公式

cr

y

f σϕ=

可算出轴心压杆的稳定性系数。

（4）、柱子ϕλ-曲线

这里我们参考国家规范给出的由柱子曲线确定的稳定系数取值表格

三、实验设计 1、试件设计

考虑因素：

1) 充分考虑实验目的，设计构件的破坏形式为沿弱轴弯曲失稳；

2) 合理设计构件的尺寸，使其能够在加载仪器上加载；

3) 考虑一定经济性。

最终设计形式

➢试件截面（工字形截面）；

➢h×b×t w×t f＝61.868×31.116×3.328×3.328mm；

➢试件长度：L＝1000~1300mm；

➢钢材屈服强度：355MPa

具体截面形式如下图：

2、支座设计

设计原理：

单刀口支座由3块钢板组成，上面一块钢板下表面开有纵槽；下钢板设有一道纵刀口。将这2 块钢板和在一起就组成了单刀口支座，通过摆放，可以让构件绕弱轴弯曲方向与刀口转向一致。

具体形式见下图：

3、测点布置

构件跨中截面布置了应变片和位移计。考虑到构件是双轴对称截面，所以会沿弱轴失稳，将应变片贴在翼缘两端，将位移计接在X,Y轴上

4、加载设计

（1）加载方式——千斤顶单调加载

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。

四、实验前准备

1

2、实验前承载力估算

采用实测截面和实测材料特性进行承载力计算 1） 欧拉荷载：

22522

2.061016879.86

31.0691051

y

E oy

EI N KN l

ππ⨯⨯⨯=

=

=

2)按规范公式计算

416879.86I mm =

6.57i =

== 1051

159.936.57

l i λ===

根据柱子曲线取值表，根据上面的λ值，可以得到C 类曲线中0.181ϕ=，并由此计算得到

0.181390.85355.425.142y N Af KN ϕ==⨯⨯= 理论上承载力在25.142KN~31.069KN 之间（理想情况下）。

3、构件对中及测量设备的检查

检查相应的位移计和应变片看测量是否良好，确定位移计的正负方向。

并按照：竖向放置——轴心受压——几何对中——应变对中的顺序完成实验前的准备。 五、实验现象记录与数据处理 1、 试验现象

（1）加载初期：构件本身已有一定程度的弯曲，其他无明显现象，随着加载的上升，柱子的位移及应变呈线性变化，说明构件处于弹性阶段。

（2）接近破坏：应变不能保持线性发展，跨中截面绕弱轴方向位移急剧增大。 （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