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日钢结构基本原理实验报告·1一、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()0IVIVxEIvvNvNx''''00()0IVIVyEIuuNuNy''''''''2''''00000()()0IVIVtEIGINxNyrNR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x0y00，代入上式可得：''0()0IVIVxEIvvNv(a)''0()0IVIVyEIuuNu(b)''''2''''000()()0IVIVtEIGIrNR(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00，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00钢结构基本原理实验报告·2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：220xExxEINl，绕Y轴弯曲失稳：220yEyyEINl绕Z轴扭转失稳：222001()EtEINGIlr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：00xxll，长细比0/xxxli绕Y轴弯曲失稳计算长度：00yyll，长细比0/yyyli绕Z轴扭转失稳计算长度：00ll，端部不能扭转也不能翘曲时0.5，长细比222200011tIGIlArEAr上述长细比均可化为相对长细比：yfE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22EwwEAN得222yE佩利公式：200(1)(1)22yExyExcryExfff再由公式cryf可算出轴心压杆的稳定性系数。4、柱子曲线当当钢结构基本原理实验报告·3三、实验设计：1、试件设计（1）试件截面（H形截面）h×b×tw×tf＝100×60×4.0×4.0mm；（2）试件长度：L＝1300mm；（3）钢材牌号：Q235B；（4）试件立面、截面如图：钢结构基本原理实验报告·4（5）试件设计时考虑的因素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。2、支座设计（1）双刀口支座图钢结构基本原理实验报告·5（2）支座设计原理双刀口支座由3块钢板组成，中间一块钢板上表面开有横槽，下表面开有纵槽；上钢板则设有一道横刀口，下钢板设有一道纵刀口。将这3块钢板和在一起就组成了双刀口支座，它在两个方向都能很好的转动。（3）支座模拟的边界条件实现双向可滑动，模拟为双向铰支座。3、测点布置（1）应变片、位移计布置图（2）测点、通道对应表：应变片实际测点编号位移计实际测点编号S17_4D131_1S27_3D231_2钢结构基本原理实验报告·6S37_1D331_3S47_2荷载31_7（3）应变片和位移计布置原理。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、加载装置设计（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。（4）加载装置模拟的荷载条件两端铰接的柱承受竖直轴心压力荷载。四、实验准备：1、试件截面实测实测值见下表：实测截面平均值截面1截面2截面3截面高度Hmm104.30103.22105.44104.25截面宽度Bmm60.7661.2960.3860.63钢结构基本原理实验报告·7腹板厚度Twmm4.004.004.004.00翼缘厚度Tfmm4.244.424.144.15试件长度Lmm1200.001200.001200.001200.00刀口厚度mm36.0036.0036.0036.00计算长度mm1272.00材性试验屈服强度fyMPa267.00弹性模量EMPa206000.00实际截面性质：截面规格截面高度Hmm104.30截面宽度Bmm60.77腹板厚度Twmm4.00翼缘厚度Tfmm4.24fyMPa235EMPa206000Iy149881.49Ix1477591.6A898.612、材料拉伸试验：给出屈服强度、弹性模量材性试验单位数值屈服强度fyMPa267.00弹性模量EMPa206000.003、试件对中竖向放置——轴心受压——几何对中——应变对中试加载，根据应变片的应变读数判断是否对中并调整。4、测点检查检查测点应变片和位移计是否正常工作，并确定位移计的正负方向。钢结构基本原理实验报告·85、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2）按规范公式计算综上，理论上承载力应该在133.776~183.810kN之间。五、试验结果初步分析1、试验现象（1）加载初期：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。卸钢结构基本原理实验报告·9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-应变曲线钢结构基本原理实验报告·10荷载-应变关系曲线-20020406080100120140160-40000-30000-20000-1000001000020000应变荷载7_17_27_37_43、荷载-位移曲线；荷载-关系位移曲线-20020406080100120140160-60-40-200204060位移荷载31_131_231_35、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183.810kN2）和规范公式比较：钢结构基本原理实验报告·11实测值小于规范得出的极限荷载133.776kN。6、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。实测极限承载力为135.491kN，小于欧拉荷载，大于规范公式计算结果。1）欧拉公式是采用“理想弹性压杆模型”，即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l/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、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。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。