自主试验第49组第18号试件.docx
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自主试验第49组第18号试件
钢结构基本原理自主实验报告
实验名称:
工字型截面轴心受压构件整体稳定性试验
组号:
19
试件:
18号H形钢
成员:
*
实验日期:
2012-11-22
一、试验目的
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、试验原理
轴心受压构件的可能破坏形式有强度破坏、整体失稳破坏和局部失稳等几种,其中整体失稳破坏时轴心受压构件的主要破坏形式。
对于理想压杆模型,即杆件是等截面压杆,压力作用线与截面形心纵轴重合,材料是完全均匀和弹性的,其整体稳定性能可用欧拉临界力或欧拉临界应力表征:
然而对于实际构件而言,都带有多种初始缺陷,根据开口薄壁杆件理论,引入初始缺陷的轴心压杆的弹性微分方程为:
对于T型截面压杆,其欧拉临界力为
图1工字型截面示意图
对其弱轴x轴:
换算长细比:
根据Perry公式T型截面压杆的稳定承载力
我国规范通过试验统计获得了四组柱子曲线:
图2钢结构规范柱子曲线
从而获得稳定系数:
三、试验设计
1、试件设计
试件截面(工字型截面)
h×bf×tw×hf=50mm×9mm×2.5mm×3m
试件长度:
L=1000mm
钢材牌号:
Q235B
2、支座设计
双刀口支座:
刀口平行于构件弱轴方向布置。
图3双刀口支座详图
3、测点布置
图4应变片及位移计布置图
其中,位移计布置图中的箭头表示改点位移正方向。
4、承载力估算:
根据欧拉公式:
根据《钢结构设计规范》
当λ≤0.215时:
当λ>0.215时:
5、加载制度:
单调加载:
加载初期:
分级加载,每级荷载约0.5kN;
接近破坏:
分级加载,每级加载0.1k,合理控制加载速率连续采集数据;
卸载阶段:
缓慢卸载。
四、试验准备
1、试件截面实测:
截面测量
h(mm)
b(mm)
tw(mm)
bf(mm)
hf(mm)
1
50.46
8.85
2.52
20.1
2.94
2
50.62
8.94
2.46
19.98
2.99
3
50.56
8.66
2.54
20.22
3.12
4
50.55
8.77
2.49
20.32
3.08
5
50.66
8.89
2.49
19.98
3.02
平均值
50.57
8.822
2.5
20.12
3.03
表1截面实测数据记录表
2、采用实测截面和实测材料特性估算承载力:
(1)截面几何性质:
面积:
绕y轴惯性矩:
回转半径:
长细比:
绕x轴惯性矩:
回转半径:
长细比:
所以绕y轴失稳
(2)欧拉临界力:
(3)规范法求临界力:
构件为b类截面,𝛼2=0.965𝛼3=0.3
求得:
五、数据处理
1、实测数据
见附件。
2、荷载—应变曲线
kN
图5荷载—应变曲线
3、荷载—位移曲线
kN
图6荷载—位移曲线
(1)、从荷载—应变曲线可见应变1,3基本一致,为正,应变2,4基本一致,为负,并且位移1基本为0,而位移2增加很大,表明构件发生绕弱轴即y轴的弯曲失稳,而没有绕强轴x轴的弯曲失稳。
(2)、当荷载较小时应变1,2,3,4基本接近,表明全截面受压,且荷载与应变成线性关系,属于弹性阶段。
当荷载逐渐增加到4kN时,荷载与应变突然增大,并与荷载不再保持线性关系,而当荷载不再增加,位移与应变却增加很大时说明已接近极限承载力,停止加载,否则可以看到下降段。
4、破坏形态
试件绕弱轴即y轴发生弯曲失稳,如下图:
图7破坏模式
5、实测极限承载力分析
实测极限承载力:
该结果远小于欧拉临界力:
;而与规范临界力较吻合:
(误差:
3.2%),说明轴心受压构件的初始缺陷对于其整体稳定有较大影响,而规范的稳定承载力估算具相对较好的精度。
六、所有实验点汇总
1、汇总数据
根据截面类型分类,并按实测相对长细比升序排列汇总所有试验点,得如下表:
截面类型
实测相对长细比
实测稳定系数
截面类型
实测相对长细比
实测稳定系数
H
1.1788
0.258
H
3.34
0.074
H
1.817
0.155
H
3.4008
0.0664
H
1.917
0.1297
H
3.49810
0.06799
H
2.04800
0.2076
H
3.7
0.0728
H
2.0591
0.217
H
3.743
0.066
H
2.0782
0.1672
L
1.6895
0.256
H
2.0981
0.2272
L
1.78
0.26
H
2.152
0.15879
L
1.82
0.25
H
2.237
0.213
L
1.964
0.237
H
2.2539
0.1877
L
2.2729
0.1272
H
2.3321
0.173
L
2.28
0.167
H
2.46
0.145
L
2.3329
0.1837
H
2.463
0.14
C
1.94
0.181
H
2.4632
0.13624
C
2.03
0.126
H
2.4721
0.0771
C
2.0684
0.22531
H
2.496
0.1274
C
2.192
0.192
H
2.505
0.1483
C
2.204
0.179
H
2.572
0.134
C
2.2893
0.1779
H
2.635
0.1206
C
2.41
0.161
H
2.6418
0.1241
C
2.5703
0.1333
H
2.647
0.1411
C
2.63
0.125
H
2.6649
0.12537
+
2.091
0.229
H
2.6865
0.1386
T
1.377
0.349
H
2.71
0.1163
T
1.744
0.2774
H
2.8
0.1143
T
2.079
0.2279
H
2.845
0.111
T
2.4285
0.119
H
2.998
0.108
T
2.441
0.115
H
3.1686
0.0905
T
2.498
0.1217
H
3.2447
0.07978
T
2.667
0.1442
H
3.2551
0.08325
表2、试验点汇总
2、数据处理
根据汇总点画出的柱子曲线:
(因为实测稳定系数集中在0.4以下,故只画出0.4以下的柱子曲线,以方便表示)
图2、柱子曲线
3、汇总结果分析
截面类别如下表
截面形状
H形
T形
L形
C形
十形
失稳对应的曲线类别
b
b
b
c
c
表3、截面类别
A、思考截面类型对稳定系数的影响?
理论上,失稳形态对应曲线a的截面稳定系数较大,对应曲线b的其次,对应曲线d的最易失稳。
但从汇总的图中并不能明显看出,一方面所实验的截面集中在H形截面,缺少其他截面的数据;另一方面,已有的截面数据也看不出有明显的大小关系,而且较高比例截面的实测稳定系数小于按规范确定的稳定系数(主要可能由于试件经过多次利用,初弯曲,残余应力等较大,性能较差引起的),即说明实验跟正常情况相比存在较大误差。
B、思考长细比对稳定系数的影响?
因为相对长细比比长细比更具代表性,所以分析相对长细比对稳定系数的影响。
无论从表还是图,都可看出,随着相对长细比的增加,稳定系数总体上呈下降趋势,但波动很大,分布在一个较大的范围内。
这主要由于影响稳定系数的因素较多,如材料的力学性能,残余应力,构件的初弯曲,初扭曲等都会产生较大影响。
七、附注:
各级加载与实测数据
荷载(kN)
通道1
通道2
通道3
通道4
通道8
通道10
应变1
应变2
应变3
应变4
位移1(mm)
位移2(mm)
0.5
1265
842
-2
423
1588
694
-40
-40
3
19
0.135
0.003
1
1230
799
3
446
1619
695
-35
-43
5
23
0.155
0.005
1.5
1209
765
5
468
1647
732
-21
-34
2
22
0.14
0.185
2
1182
721
6
488
1680
770
-27
-44
1
20
0.165
0.19
2.5
1167
688
4
514
1732
821
-15
-33
-2
26
0.26
0.255
3
1146
635
-3
547
1746
885
-21
-53
-7
33
0.07
0.32
3.5
1137
594
-13
574
1766
972
-9
-41
-10
27
0.1
0.435
4
1137
539
-33
607
1786
1094
0
-55
-20
33
0.1
0.61
4.5
1152
484
-61
648
1794
1235
15
-55
-28
41
0.04
0.705
5
1185
404
-106
710
1798
1459
33
-80
-45
62
0.02
1.12
5.5
1268
287
-200
825
1799
1839
83
-117
-94
115
0.005
1.9
6
1381
153
-309
940
1802
2310
113
-134
-109
115
0.015
2.355
6.5
1654
-133
-547
1207
1806
2852
273
-286
-238
267
0.02
2.71
6.6
1929
-433
-799
1507
1809
3553
275
-300
-252
300
0.015
3.505
6.7
2229
-765
-1131
1815
1811
4412
300
-332
-332
308
0.01
4.295
6.8
2579
-1125
-1482
2189
1820
5328
350
-360
-351
374
0.045
4.58
6.9
2994
-1559
-1892
2654
1848
6502
415
-434
-410
465
0.14
5.87
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- 自主 试验 49 18 号试件