-教学实验项目指导书2011版

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1、 钢结构基本原理教学实验 指 导 书 王伟 郭小农 蒋首超 编制 陈以一 审定 同济大学土木工程学院建筑工程系 2011-03 目 录 第一章 绪论 1 第二章 实验准备 2 第三章 综合实验 4 第一节 工字形截面梁的整体稳定实验 . 4 第二节 工字形截面轴心受压柱的整体稳定实验 10 第三节 T 形截面轴心受压柱的整体稳定实验 17 第四节 L形截面轴心受压柱的整体稳定实验 21 第五节 十字形截面轴心受压柱的整体稳定实验 24 第六节 薄壁矩形管受压短柱的局部稳定试验 27 第四章 实验报告 31 附录 32 附录 A 实验常用仪器设备介绍 . 32 附录 B 仪器设备的主要技术性能指

2、标 . 32 附录 C 安全防护措施 . 33 参考文献 33 1第一章 绪 论 一、钢结构基本原理实验的作用 钢结构基本原理实验课程是所有学习专业基础课 “钢结构基本原理” 学生的同步必修课。教学目的是使学生通过实验加深对钢结构基本概念和基本理论的理解， 对钢构件和钢结构连接的实验技能进行训练，同时培养学生的创新意识。 二、实验须知 1实验前，必须认真预习，了解本次实验的目的、内容和步骤，并了解所使用的仪器和设备的基本原理。 2要按课程表指定的时间进入实验室，完成规定的实验项目，因故不能参加者应取得教师同意并安排补做。 3在实验室里，应自觉地遵守实验室规则及遵守仪器的操作规程，非指定使用的仪

3、器不能随意乱动。 4做实验时要严肃认真，相互配合，仔细观察实验现象，记录全部所需测量的数据。 5按规定日期，每人交实验报告一份，并附原始记录；字迹要求整齐和清晰，数据书写要求用印刷体，问题回答要独立思考完成，不允许抄袭。 2第二章 实验准备 一、实验设计 实验前应根据实验目的进行实验设计。实验设计一般包括下列内容： （ 1）试件设计和制作； （ 2）实验装置设计； （ 3）加载方案设计； （ 4）测试方案设计； （ 5）实验进度计划制定。 二、试件检查 试件进场前需对试件进行检查，检查的内容包括： （ 1）对试件进行外观检查，检查是否存在显著焊接残余变形、板件缺口、裂纹等明显缺陷； （ 2）测

4、量试件的长度、截面等实际几何尺寸并进行记录，记录表格如表 2.1 所示； （ 3）测量试件的初始挠曲并做出书面记录。 表 2.1 试件几何参数实测记录表 (mm) 截面1 截面 2 截面 3 截面 4 截面 5 平均值 截面高度 h 截面宽度 b 翼缘厚度 tf腹板厚度 tw支座间距 L 三、仪器设备标定 为了确定仪器设备的灵敏度和精确度、确定试验数据的误差，应该在实验前或实验后对仪器设备进行标定。仪器标定可按两种情况进行，一是对仪器进行单件标定，二是对仪器系统进行系统标定。单件标定可以确定某一件仪器的灵敏度和精确度，系统标定可以确定某些仪器组成的系统的灵敏度和精确度。 四、试件安装 试件运至

5、实验现场后，需进行试件安装，具体工作包括： （ 1）试件和加载设备的安装就位； （ 2）应变片粘贴； （ 3）位移计架设； （ 4）导线连接； （ 5）安全与防护措施的设置。 五、材料力学性能试验 材性试件从与试件所用同批钢材中取样，并根据中华人民共和国国家标准金属材料室温拉伸试验方法（ GB/T 228-2002） 进行试件设计和加工。拉伸试样在万能试验机上进行单向拉伸试验，试验机的加载速率应在 3 30MPa/s 范围内。 通过材料拉伸试验，可以测得试件的屈服强度 fy、极限强度 fu、伸长率 和 弹性模量 E。材性试验结果的记录表格如表 2.2 所示。 3表 2.2 材性试验结果 材性试

6、件编号 fy (MPa) fu (MPa) ( ) E (MPa) 1 2 3 4第三章 综合实验 第一节 工字形截面梁的整体稳定实验 一、实验目的 1了解工字形截面受弯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观察工字形截面受弯构件的失稳过程和失稳模式，加深对其整体稳定概念的理解。 3将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 钢梁最常用的截面是工字形（含 H 形） ，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

7、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，如图 3.1 所示，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。失稳时构件的材料都处于弹性阶段，成为弹性失稳，否则称为弹塑性失稳。对于跨中无侧向支承的中等或较大跨度的梁，其丧失整体稳定性时的承载能力往往低于按其抗弯强度确定的承载能力。因此，这些梁的截面大小也就往往由整体稳定性所控制。 图 3.1 工字形截面梁的弯扭失稳 理想梁（不计缺陷时）的弯扭失稳与理想轴心压杆的屈曲一样，是一个出现平衡分枝的稳定

8、问题，其最大弯矩称为临界弯矩 Mcr。由于实际梁必然存在缺陷，因而其荷载位移曲线表现出极值型的失稳现象，其极值称为极限弯矩 Mu。根据具体缺陷的大小， Mu不同程度 5低于 Mcr。我国钢结构设计规范对梁的整体稳定采用了具有平衡分枝点的稳定理论。这主要是由于梁的稳定比轴心压杆的稳定复杂， 不仅是梁的弯扭失稳模态比轴心压杆的弯曲失稳模态复杂，另一重要因素是梁的荷载类型多种多样，比轴心压杆的荷载复杂的多，用最大荷载理论计算目前还有一定困难。国外设计规范中，目前也大多按理想梁采用平衡分枝的稳定理论来考虑梁的弯扭屈曲。 根据能量法可以求得工字型截面梁临界弯矩的近似解，如下式所示： ()222y t0c

9、r 1 2 3 y 2 3 y22y0 1EIIGIlM C Ca CB Ca CBIlE=+(3.1) 式中， l0= l1是梁的平面外计算长度， l1是梁的平面外无支承长度， 为梁的平面外计算长度系数，如表 3.1 所示。 a 横向荷载在截面上的作用点至截面剪力中心的距离。当荷载作用点到剪力中心的指向与挠曲方向一致时取负，否则取正； By 反映截面不对称程度的参数 +=AxyydAyxyIB022)(21(3.2) y0 剪力中心 S 至形心的距离。当剪力中心到形心的指向与挠曲方向一致时取负，否则取正； C1, C2, C3 与荷载类型及支座情况有关的系数，如表 3.1 所示。 表 3.1

10、 两端简支梁弯扭屈曲临界弯矩公式中的系数 项次 荷载类型 梁端对 y 轴转动约束情况 C1C2C3没有约束 1.0 1.35 0.55 0.41 1 跨度中点作用一个集中荷载 完全约束 0.5 1.07 0.42 没有约束 1.0 1.13 0.45 0.53 2 满跨均布荷载 完全约束 0.5 0.97 0.29 没有约束 1.0 1.0 0 1.0 3 纯弯曲 完全约束 0.5 1.0 0 1.0 三、实验设计与实验方法 1试件设计 根据反力架的几何尺寸以及千斤顶的最大行程与加载能力， 本实验设计的试件主要参数如下，试件截面如图 3.2 所示： 试件截面（工字形截面） ： h b tw t

11、f 120 40 4 5mm； 试件长度： L 960, 1200, 1440, 1680, 1920, 2160, 2400, 2640mm； 6钢材牌号： Q235B。 图 3.2 工字形梁试件截面 2实验装置设计 图 3.3 为进行工字形截面梁整体稳定实验采用的实验装置，加载设备为砝码。构件横向放置，在梁中央设置加载板，加载板开孔后通过钢索悬挂吊篮，实验时将不同规格的砝码依次放入吊篮中以实现竖向悬吊重物加载， 该吊载随构件平面外侧向位移可实现跟动和自动对中。荷载值由砝码重量累加算得。 本实验在受弯构件两端均采用了铰接支座， 如图 3.4 所示。 该支座阻止梁端的竖向位移、侧向位移和扭转，

12、但不阻止两端纵向位移、平面内转动和自由翘曲。 图 3.3 工字形截面梁试件图 7图 3.4 工字形截面梁支座装置详图 3加载方式 工字形截面受弯试件安装完毕后，即开始分级加载，加载方式如图 3.5 所示。加载初期的荷载增量较大，到接近失稳时，荷载增量较小。由于采用了人工吊载，故每次加载后吊篮均会产生水平晃动，故等待约 1 分钟后才进行数据采集。数据采集分级进行，在加载初期，一般等吊篮停止晃动后采集 35 个数据，但在加载后期，虽然荷载不增加，试件的侧移和挠度也会逐渐增加，因此每步采集的数据约几十个。 8图 3.5 工字形截面梁加载装置图 4测点布置 实验中量测项目包括施加荷载、梁跨中的竖向挠度

13、、平面外侧移、平面外扭转角等。图3.6 给出了受弯试件的应变片和位移计布置情况。在试件的跨中截面布置了一组位移计和一组应变片， 位移计包括处于上下翼缘位置的 2 个水平位移计和位于截面底部或顶部的 1 个竖向位移计，分别记为 D1、 D2、 D3；应变片共 4 片，布置在上下翼缘，分别记为 S1、 S2、S3、 S4。为避开加载装置，将测点所处截面略微偏离跨中。 图 3.6 测点布置 四、实验预分析 实验前需要对试件失稳荷载的大致范围做一估算。 （ 1）临界弯矩估算 两端简支工字形截面梁的临界弯矩可以根据式 (3.1)近似计算得到。 （ 2）极限承载力估算 极限承载力估算可根据钢结构设计规范（

14、 GB50017-2003） 的规定进行，即 9ubxyM Wf= (3.3) 需要指出的是，在计算极限承载力时采用的强度指标应是钢材屈服强度实测值yf ，而非强度设计值 f 。 五、实验结果整理与分析 实验结束后应及时对实验原始资料进行整理，同时做好实验数据的分析工作，详细要求参见本书第四章“实验报告” 。 10第二节 工字形截面轴心受压柱的整体稳定实验 一、实验目的 1了解工字形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观察工字形截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式，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，加深对工字形截面轴心受压构件整体稳定系数及其计算公式的理解。 二、实验原理 1轴心受压构件整体稳定性能概述 整体失稳破坏是轴心受压钢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