同济大学钢结构演示实验 H型柱.docx
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同济大学钢结构演示实验H型柱
H型截面轴心受压构件试验
1、试验目的
（1）认识和了解H型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）观察记录H型截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式，进而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H型截面轴心受压构件整体稳定系数及其计算公式的理解。
（4）利用理论知识，实测出实验对应的H型钢轴心受压的稳定系数。
2、实验原理
根据钢结构基本原理可知，轴心受压钢构件的主要破坏形式是整体失稳破坏。
轴心受压构件在轴心压力较小时处于稳定平衡状态，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其偏离平衡位置，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。
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。
实际轴心压杆与理想轴心压杆有很大区别。
实际轴心压杆都带有多种初始缺陷，如杆件的初弯曲、初扭曲、荷载作用的初偏心、制作引起的残余应力，材性的不均匀等等。
这些初始缺陷使轴心压杆在受力一开始就会出现弯曲变形，压杆的失稳属于极值型失稳。
2.1弹性微分方程
钢结构受压杆件一般都是开口薄壁杆件。
根据开口薄壁理论，具有初始缺陷的轴心压杆的弹性微分方程为
（1）
（2）
（3）
图1H型截面受压柱
根据以上的式子，我们可以看出，双轴对称截面轴心压杆在弹性阶段工作时，三个微分方程是互相独立的，可以分别单独研究。
在弹塑性阶段，当研究第一个式子时，只要截面上的残余应力对称于y轴，同时又有
和
，则该式将始终与其他两式无关，可以单独研究。
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，成为弯曲失稳。
同样，第二个式子也是弯曲失稳，只是弯曲失稳的方向不同而已。
对于第三个式子，如果残余应力对称于x轴和y轴分布，同时假定，u0=0，v0=0，则此时压杆只发生绕z轴的转动，失稳时杆件呈扭转变形状态，称为扭转失稳。
故存在三种失稳情形，即绕x轴弯曲或绕y轴弯曲或绕杆轴的扭转失稳。
三种情况何者临界力低，则发生那种失稳。
2.2H型截面压杆的欧拉临界力
绕x轴弯曲失稳
绕y轴弯曲失稳
绕z轴扭转失稳
其中绕x轴弯曲失稳计算长度
绕y轴弯曲失稳计算长度
绕z轴扭转失稳计算长度
2.3H型截面压杆的稳定承载力
考虑到截面的形状和尺寸、材料的力学性能、残余应力的分布和大小、构件的初弯曲和初扭曲等，构件不是理想压杆，钢结构设计规范中采用稳定极限承载力理论的计算方法得到：
我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018采用该方法，并采用下式计算：
2.4H型截面压杆极限承载力的规范计算公式
3、
试验准备
3.1试件截面（工字形截面）
h×b×tw×tf＝100×60×4.0×4.0mm；
试件长度：
L＝1000~1300mm；
钢材牌号：
Q235B
图2试件加工图
3.2支座设计
图3支座设计详图
实验采用双刀口支座设计，实现了双向可转动、端部不可翘曲、端部不可扭转的约束条件。
3.3实测截面尺寸
实测截面
截面1
截面2
截面3
平均值
截面高度H（mm）
100.85
100.44
100.41
100.57
截面宽度B（mm）
59.33
59.26
59.27
59.45
腹板厚度Tw（mm）
4.00
4.00
4.00
4.00
翼缘厚度Tf（mm）
3.83
3.79
3.86
3.83
试件长度L（mm）
1000.00
1000.00
1000.00
1000.00
测得刀口厚度为h=36.00mm，
由此得到计算长度1072.00mm
根据截面实测尺寸，得到基本参数计算值
（由于受压构件先绕弱轴失稳，此时仅计算Ix）
基本参数计算值
惯性矩Ix/mm4
133596.94
回转半径ix/mm
12.72
长细比λx
84.25
截面积mm2
825.70
3.4测点布置
由于构件跨中为位移与应变最大处，故在跨中截面布置了应变片和位移计。
应变片
实际测点编号
位移计
实际测点编号
S1
43_1
D1
31_1
S2
43_2
D2
31_2
S3
43_3
D3
31_3
S4
43_4
S5
43_5
荷载
31_7
S6
43_6
S7
43_7
S8
43_8
测点的布置以及与通道号的对应位置如下图所示
图4.应变片和位移片布置
3.5材料性能实验
图示为材料拉伸试验：
图5拉伸试验
结果如下：
材性试验
单位
数值
屈服强度fy
MPa
267.00
弹性模量E
MPa
206000.00
3.6实验结果预估计
因为λx>λy，可知工字型柱将会绕弱轴（x-x轴）失稳。
1.欧拉临界压力估算
两端简支的工字型截面理想轴心受压构件的临界压力可以根据计算得到：
N=236.49kN
2.极限承载力估算
本次试验的极限承载力估算根据《钢结构设计规范（GB50017-2003）》的规定进行。
由规范公式有：
相对长细比
（更正：
相对长细比为0.145）
理论轴心受压稳定系数：
所以有：
N=112.16kN
4、正式试验
4.1试件对中
竖向放置—轴心受压—几何对中—应变对中，并试加载，根据应变片的应变读数判断是否对中并调整。
应反复加载直至读数符合实验要求的误差。
4.2预加载
对试件进行预加载，目的是检测设备是否正常工作，检测应变片和位移计，压紧试件，消除空隙。
预加载荷载一般为极限承载力的30%
4.3加载
4.3.1加载设备为千斤顶。
构件竖向放置，千斤顶于构件上端施加压力，荷载值由液压传感器测得。
图6加载装置示意图图7加载装置实物图
4.3.2加载方式
采用单调加载，并采用分级加载和连续加载相结合的加载制度。
在加载初期，当荷载小于理论承载力的80%时，采用分级加载制度，每次加载时间间隔为2分钟；当荷载接近理论承载力时，改用连续加载的方式，但加载速率应控制在合理的范围之内。
具体加载步骤如下：
①当荷载小于理论承载力的60%时，采用分级加载，每级荷载增量不宜大于理论承载力计算值的20％；②当荷载小于理论承载力的80%时，仍采用分级加载，每级荷载增量不宜大于理论承载力计算值的5％；③当荷载超过理论承载力的80%以后，改用连续加载，加载速率一般控制在每分钟荷载增量不宜大于理论承载力计算值的5%；④当构件达到极限承载力时，停止加载，但保持千斤顶回油阀为关闭状态，持续3分钟左右。
由于构件达到了失稳状态，因此即使关闭回油阀，荷载仍然会出现下降，而试件的变形将继续发展；⑤最后缓慢平稳的打开千斤顶回油阀，将荷载逐渐卸载至零。
4.4试验现象
在加载的开始阶段，荷载的增加并没有使柱子发生明显的弯曲；随着荷载的不断增大，在接近理论极限荷载的时候，工字型钢柱出现了沿X轴方向较大的弯曲变形，可以判断此时发生了整体失稳。
最终在荷载曲线图上，当荷载为4.60kN时，无法继续加载，且柱子的变形已较大，因此认为实验所测承载力为4.60kN。
破坏模式：
绕x-x轴的整体弯曲失稳
图8.破坏图
5、试验结果
5.1数据处理
对得到的试验数据（见20131031）进行一定的删减，去掉预加载以及卸载后的数据
12应变=（应变1+应变2）/2
34应变=（应变3+应变4）/2
56应变=（应变5+应变6）/2
78应变=（应变7+应变8）/2
得到下图荷载-位移曲线以及荷载-应变曲线：
（修正前）
（修正后）
图9荷载-位移曲线
图10荷载-应变曲线
5.2数据曲线分析
（1）随着荷载的增加，位移计1、3出现了同侧的应变增量，位移计2、4出现了相反侧的应变增量，说明在加载至整体失稳的过程中，工字型柱出现了沿X轴的弯曲变形，并且从位移计1、2所在侧面看，在左侧为受拉侧，右侧为受压侧。
（2）在刚开始加载的阶段（小于1.5KN时），位移计1与位移计2的位移接近于0，与刚开始加载时的观察现象一致，构件没有明显的弯曲变形；当荷载不断增大时，位移计1的位移数值迅速增大，而位移计2的变化较小；在接近理论承载力时，位移计1的读数增长变快，而位移计2加载全程变化较小；因此，可认为构件是绕x-x轴发生整体失稳，杆件中段发生沿y轴左侧方向的较大挠度，沿x轴的挠度不明显，与观察到的实验现象一致。
5.3实测极限承载力分析
和欧拉公式对比：
根据前述计算得到的欧拉公式结果，有：
欧拉公式计算结果
实验所测承载力
236.49kN
151.67kN
比较可知，实验所测承载力只有欧拉承载力的约64%；欧拉公式是针对理想轴心压杆模型所得出的理论计算公式，而实际的构件存在有多种初始缺陷，如杆件的初弯曲、初扭转，制作引起的残余应力等等，这些初始的缺陷使得构件在受压力的一开始就出现有弯曲变形，因此实际的承载力会与欧拉公式的承载力相差较多。
和规范公式对比：
根据前述计算得到的规范公式的结果，有：
《钢结构设计规范（GB50017-2003）》
规范公式计算结果
实验所测承载力
112.16kN
151.67kN
比较可知，实验所测承载力与规范公式计算的结果比较接近，偏高约35%；规范公式在设计时即考虑了影响轴心压杆稳定极限承载力的多种因素，因此其结果比较精确；但实验所测承载力与之相比偏高，这可能是由于长期实验下支座约束与理论约束情况相差过大。
5.3实测缺陷分析
图11.缺陷分析
6、思考
稳定破坏和强度破坏在性质、表现特征、计算方法上有何不同？
性质：
稳定破坏是构件的整体性质，本质上是结构的整体刚度逐渐降低为0失去稳定的过程，强度破坏是某点上的强度逐渐达到屈服值而发生破坏。
表现特征：
强度破坏：
内力达到极限承载力，有明显的变形；失稳破坏：
具有突然性，可分为整体失稳破坏与局部失稳破坏；
计算方法：
强度验算一般是计算危险截面的最大应力点，看是否超过设计值。
一般依据三个准则：
边缘屈服准则、全截面塑性准则有限塑性发展的强度准则。
稳定验算一般根据规范算出稳定系数，并据此算出极限承载力。
7、结论
通过本次H型柱受压试验，我掌握了测试轴心受压构件基本性能的实验方法，进一步认识了弯曲失稳的破坏全过程，同时通过数据处理、理论计算等对实验进行了归纳分析。
得到的实验结论与理论较为符合，通过分析和讨论，进一步加深了对轴心受压尤其是弯曲失稳破坏的理解。
第一次在实际中见到了课堂上所学到的关于弯曲失稳的知识，同时发现理论和实际存在一定的差异，认识到了钢结构是一门理论与试验紧密结合的课程。
感谢杨彬老师的试验演示和讲解！
姓名：
符徐霞
学号：
1350882
实验日期：
2015.11.03
报告日期：
2015.11.28
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