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1、钢结构基本原理自主实验“H型柱受压构件试验”实验报告COLLEGE OF C ) IL ENGINEERING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
2、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
3、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：EI (iv - v iv Nv Nx E = 0 x00EI Uiv - uo h Nu + Ny?“ = 0EI Giv -0IV)-GI(0-。)-Nx v + Ny u + r2NO-R0 = 0O0t0000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x0 = y0 = 0所以微分方程的变为：EI V iv v 0v ）+ Nv = 0EI U iv 一 u 0v ）+ Nu = 0EI Oiv -0 iv ）- GI（0-0）+r 2 N0 一 RO
4、 = 030t0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。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：/ t- t . t （ y /_,-* a* j t * - 、 ll： , .一 * r tl / I绕X轴弯曲失稳计算长度：0尤尤0，长细比尤0尤尤绕Y轴弯曲失稳计算长度： y* 0，长细比y0 y y绕Z轴扭转失稳计算长度：l0O=*ol0，端部不能扭转也不能翘曲时 = 0.5，长细比Ie12 Ar20O 0GI1-EAr 20上述长细比均可化为相对长细比:（3）稳定性系数计
5、算公式H字型截面压杆的弯曲失稳极限承载力:NEw根据欧拉公式丸2 EA人2wbEw得fJ厂2wbcr佩利公式：f +(1+ )by0 Ex人2w2f +(1+ )b y0 Ex-平=cr再由公式fy可算出轴心压杆的稳定性系数。（4）、柱子甲一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）； XDX/wx/f=61.868x31.116x3.328x3.328mm；试件长度：2= 10001300m
6、m；钢材屈服强度：355MPa具体截面形式如下图: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轴上应变 片实际测点编 号S11_5S21_6S31 7S41_8位移计D11_2D21_3荷载1_14、加载设计（1）加载方式一一千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
7、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、实验构件相关数据测量翼缘厚度t1翼缘厚度t2沿腹板 长度H宽度B13.123.5661.4231.23233.4460.9931.2133.253.6761.7530.8843.153.7162.3231.1153.23.1862.8631.153.1443.512平均翼缘厚度及腹板厚度材性实验：屈服强
8、度fy 弹性模量E3.328355.420600061.86831.1162、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:丸2 EIy12y兀2 X2.6，105 x1687*6 T.069KN105122）按规范公式计算I = 16879.86mm4I _ J16879.86A 390.85_ 6.57_ 159.93l 1051 人_ 一 _i 6.57根据柱子曲线取值表，根据上面的力值，可以得到C类曲线中中_0.181，并由此计算得到N =中 Afy _ 0.181 x 390.85 x 355.4 _ 25.142 KN 理论上承载力在25.142KN31.0
9、69KN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：竖向放置一一轴心受压一一几何对中一一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
10、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：局部照片整体照片由图可知实际的承受荷载是在11.6KN左右，与理论计算的荷载相差甚多，但其根本原 因在于加载构件在加载前本身弯曲较大，所以在二阶弯矩作用下会导致所能承受的荷载大幅 度减小，同时由于实验构件要继续重复利用下去，工人师傅也不让我们加载到失稳，所以数 值较小。可以设想，如果构件是比较理想的，那么其最终能承受的荷载应该在欧拉荷载之下， 规范荷载之上。3、分析试验结果和理论值之间的差异，分析产生这种差异的原因。1)欧拉公式是采用“理想弹性压杆模型”即
11、假定杆件是等截面直杆，压力的作用线与截面 的形心纵轴重合，材料是完全均匀和弹性的，没有考虑构件的初始缺陷如材料不均、初始偏 心及初弯曲等的影响，但在试验中不可能保证试件没有缺陷，同时试件的加载也不可能完全 处于轴线上，故实际承载力低于欧拉公式算得力。2)规范公式计算是在以初弯曲为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，在这个过程中规范所考虑的初始缺陷影响小于此次实验，所以实验所得的承载 力值小于计算值。六、实验总结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
12、。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。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。我们这组实验的初弯曲太明显，导致实验结果不太理想。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1与3、 2与4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扭转。 这也是导致实测承载力小于计算值的原因之一。
