建筑力学规定实验指导书.docx

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建筑力学规定实验指导书

建筑力学

规定实验指导书

专业：

班级：

小组：

姓名：

XX科技职业学院

2014年3月

1.实验守则………………………………………………………2

2.实验项目

实验一金属材料的拉伸与压缩实验…………………………3

实验二梁的纯弯曲正应力实验………………………………13

实验守则

１.实验前，预习实验指导书和有关理论。

２.进入实验事不得高声喧嚷，不得擅动机器、仪器；不做与本实验无关的事项。

３.实验时应严肃认真，遵守操作规程和注意事项；仪表安装、测试线路连接完成后，必须严格检查无误后才能进行实验。

４.机器、仪表发生故障，应立即报告指导人员及时检查处理。

若有违反操作规程而造成机仪损坏的学生，将按学校有关规定处理，包括赔偿损失。

５.实验完毕后，应将仪器、工具清理归还，实验记录经指导教师阅后方得离开实验室。

实验一金属材料的拉伸与压缩实验

拉伸与压缩实验是建筑力学实验中最重要的实验之一。

任何一种材料受力后都要产生变形，变形到一定程度就可能发生断裂破坏。

材料在受力——变形——断裂的这一破坏过程中，不仅有一定的变形能力，而且对变形和断裂有一定的抵抗能力，这些能力称为材料的力学机械性能。

通过拉伸实验，可以确定材料的许多重要而又最基本的力学机械性能。

拉伸实验

这个实验是研究材料在静载和常温条件下的拉断过程。

利用电液伺服液压万能试验机（见图1.1）自动绘出的载荷——变形图，及试验前后试件的尺寸来确定其机械性能。

图1.1电液伺服液压万能试验机

一、实验目的

1.研究低碳钢、铸铁的应力——应变曲线拉伸图。

2．确定低碳钢在拉伸时的机械性能（比例极限、下屈服强度、强度极限、延伸率、断面收缩率等等）。

3.确定铸铁在拉伸时的力学机械性能。

二、实验原理

拉伸实验是测定材料力学性能最基本的实验之一。

在单向拉伸时—（力——变形）曲线的形式代表了不同材料的力学性能，利用：

可得到-曲线关系。

三、实验所用的设备、仪器和工具

1、300KN电液伺服液压万能试验机一台

2、游标卡尺一支

3、记号笔一支

4、低碳钢、铸铁试件各一个

四、试件

试件的形式和尺寸对实验的结果有很大影响，就是同一材料由于试件的计算长度不同，其延伸率变动的范围就很大。

例如：

对45#钢：

当L0＝10d0时（L0为试件计算长度，d0为直径），延伸率A10＝24~29%，当L0＝5d0时，A5＝23~25%。

为了能够准确的比较材料的性质，对拉伸试件的尺寸有一定的标准规定。

按国标GB/T228-2002的要求，拉伸试件一般采用下面两种形式：

图1.2试件形式

（1）10倍试件；

圆形截面时，L0＝10d0矩形截面时，

（2）5倍试件

圆形截面时，L0＝5d0矩形截面时,

式中——试验前试件计算部分的直径；

——试验前试件计算部分断面面积。

此外，试件的表面要求一定的光洁度。

光洁度对屈服点有影响。

因此，试件表面不应有刻痕、切口、翘曲及淬火裂纹痕迹等。

五、实验步骤：

1．量度试件尺寸：

1）量度直径d0。

对于圆试件，在计算长度的两端及中部三处用卡尺测量，每一处都要在两个互相垂直的方向上量出直径，取其直径最小值，测量精度到±0.1mm；

2）确定计算长度L0；

在试件中间等粗的细长部分内，量取计算长度L0（按10倍或5倍试件确定）。

然后用刻线机（记号笔等）把计算长度L0分成若干等分（通常是以5mm或10mm为一等分）。

以便当试件断裂不在中间时进行换算，从而求得比较正确的延伸率。

但刻线时，应尽量轻微。

2.低碳钢拉伸实验的主要操作步骤：

（1）打开计算机，运行POPWARE-PI软件，见图1.3，进行权限选择，选中“实验员”，点击【确定】；

图1.3POPWARE-PI软件

进入试验操作界面见图1.4。

图1.4试验操作界面

（2）依次打开主机和油泵的电源开关（见图1.5）。

主机电源

油泵电源

图1.5主机和油泵的电源开关位置图

（3）调入所做试验的试验方案。

（4）进入试样信息界面，输已测量试样信息，确认无误后，按【确认】，进入试验操作界面。

也可在试验操作界面输入修改试样信息。

若试验方案中“试样信息类型”选择“简单类型”，在试验操作界面中，按【试样信息】按钮后出现入图试样信息输入界面图1.6。

图1.6简单类型试样信息输入界面

试样截面形状：

显示试样截面形状，在试验方案中设定。

试样基本信息：

试验时必须具备的项目。

若某些项目无用，可固定一个缺省值。

当输入试样直径（或宽度、厚度）后，程序能自动计算面积。

注意：

试样面积不能为零。

试样附加信息：

此类信息与程序运行无关，只是在数据保存、报表输出中用。

试样附加信息中的项目可在试验方案中设置。

（5）选择与试样信息对应的试样。

（6）移动油缸夹紧试样（见图1.7）。

装夹试样前请注意试验力调零。

（7）按【试验开始】按钮，开始试验。

①开始试验曲线记录。

②若试验时使用因伸计随时可人工干预何时取引伸计，亦可由计算机自动提示后取下引伸计。

③若试验过程为“手动控制”则选择“手动”控制页，手工控制试验进程。

若为“自动程控”，则选择“程控”页，整个试验过程由计算机自动处理。

④试验完成后自动停止，亦可人工干预何时停止（按【停止】按钮）。

结束本次试验。

下夹紧

上夹紧

上升

下降

上松开

下松开

图1.7移动油缸夹紧试样按钮位置图

（7）分析、保存试验结果

①按快捷按钮【保存】，保存整个试验过程记录。

文件后缀名为“*.dat”,保存在工作目录的“\SXXXX”子目录下。

XXXX指当年工作年份,它记录了整个试验过程中的各个参数。

②按【数据处理】：

进入数据处理界面图1.8，进行数据分析处理、报告打印等。

图1.8数据处理界面

（8）试验结束后应先关掉油泵电源，再关主机电源，退出试验软件。

3．实验注意事项：

随时注意观察试件在拉伸过程中的形状变化和应力——应变曲线的变化情况。

1）当试件拉伸过程中，当应力——应变曲线出现平台时载荷即到达屈服阶段，在试件表面可能出现滑移线。

2）过了屈服阶段后，观察冷作硬化现象。

3）当载荷到达最大值（

）时，曲线开始回落下降，密切注意试件形状的变化，此时可看到颈缩现象。

4）试件拉断后，立即停机存盘。

打印出所得的拉伸图，取下试件并量测此时的断后标距长度

（如果试件是断在计算长度之外的作废）和颈缩处的最小直径

。

量度时将试件的两半接在一起，使其尽量紧贴。

图1.9图1.10

4．试验结果整理和计算

1）对拉伸曲线的修正。

拉伸曲线得到后，往往在开始处形成如图1.9中所示的不规则的曲线。

这是由于试验开始时，握紧器、夹具和试件之间尚未紧密相接。

并非完全由于试件变形所致。

因此对此曲线要进行修正，即将拉伸图直线部分往下延长，它与横座标相交，交点即为原点

2）根据拉伸图的比例，找出相应的，位置，计算得：

下屈服点

强度极限

3）计算延伸率：

试件拉断后的残余变形在整个长度的分布是非均匀的。

在颈缩部分大，而非颈缩部分残余变形小一些（见图1.1）。

图1.11

图1.12

由此看出，断在中间时，试件残余变形最大，延伸率也最大。

为了对同一种材料只得出一个相对稳定的值，不因断裂的位置而异，可以将试验所得到的残余变形换算成相当于试件在中间断裂时的“标准数值”此方法叫“断处移中法”（见图1.12）。

例如在图1.12中，其延伸率应换算为

其中：

m及n的小格数目依具体情况而选定。

4）断面收缩率：

——颈缩处的最小面积。

5）拉断时颈缩处的实际应力：

压缩试验

一、试验目的

研究和比较塑性材料与脆性材料在室温下单向压缩时的力学性能。

二、压缩试件与试验所用机器、仪器和工具：

1、压缩试件

取两种不同材料的试件——低碳钢和铸铁。

按国标GB/T7314-2005，金属试件一般采用圆柱形如右图1.13，其高与直径之比应为l＜＜2。

其它材料的试件一般都采用立方体。

2、试验所用机器、仪器和工具：

与拉伸试验相同，采用压缩夹具。

三、实验步骤：

1、量试件尺寸（长、宽、高、直径）。

2、把试件放在试验机上。

3、开机动器，进行试验，一直到试件破坏。

4、卸去载荷，取出破坏的试件。

5、打印出实验报告。

图1.13

四、实验注意事项：

1、低碳钢不能压到破坏，压到45kN时即停止试验。

2、为了能很好地观察铸铁的破坏裂纹，在试验中，一旦发现载荷值上升缓慢时，需及时停止加载。

五、试验结果的整理和计算

1．低碳钢

低碳钢为塑性材料，其压缩图见图1.14，开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段。

相反地，图形逐渐向上弯曲。

这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，因而承受的载荷也随之增大。

从实验我们知道，低碳钢试件可以被压成极簿的平板而一般不破坏。

因此，其强度极限一般是不能确定的。

我们只能确定的是压缩的屈服极限应力。

图1.14低碳钢压缩图1.15铸铁压缩

2．铸铁

铸铁为脆性材料，其压缩图在开始时接近于直线，与纵轴之夹角很小，以后曲率逐渐增大，最后至破坏，因此只确定其强度极限（见图1.15）。

铸铁试件受压力作用而缩短，表明有很少的塑性变形的存在。

当载荷达到最大值时，试件即破坏，并在其表面上出现了倾斜的裂缝（裂缝一般大致在与横截面成45°的平面上发生）铸铁受压后的破坏是突然发生的，这是脆性材料的特征。

从试验结果与以前的拉伸试验结果作一比较，可以看出，铸铁承受压缩的能力远远大于承受拉伸的能力。

抗压强度远远超过抗拉强度，这是脆性材料的一般属性。

思考题

1.试述低碳钢拉伸过程的四个阶段的力学特性。

2.比较低碳钢与铸铁拉伸破坏时的端口形状有什么不同，为什么？

3.讨论环境条件（温度、加载速率、受力状态）对屈服强度有何影响？

4.低碳钢为什么得不到抗压极限强度？

5.对铸铁受压破坏的端口进行力学受力分析。

实验二梁的纯弯曲正应力实验

一、实验目的

1.学习使用电阻应变仪，初步掌握电测方法和多点应变测量技术。

2.测定梁在纯弯曲时的弯曲正应力及其分布规律

二、实验设备

1.WYS-1弯曲实验台架；

2.YE2538电阻应变仪；

3.矩形截面钢梁；

4.螺丝刀；

5.温度补偿应变片。

三、实验原理和方法

WYS-1弯曲实验台架如图2.1所示，钢梁简支于A、B两点，在对称的C、D两点通过拉杆和横杆螺旋加载使梁产生弯曲变形，CD梁受纯弯曲作用。

采用转动手轮使螺旋下移加载，总荷载的大小由压力传感器来测量。

试样的受力如图2.2所示。

A

D

C

B

图2.1WYS-1弯曲实验台架

图2.2试样的受力图

（梁的尺寸、材料弹性模量E、贴片位置及应变计灵敏系数见试验梁标签）

为了测量应变随试样截面高度的分布规律，应变片的粘贴位置如图3.3所示。

这样可以测量试件上下边缘、中性层及其他中间点的应变，便于了解应变沿截面高度的变化规律。

由材料力学可知，矩形截面梁受纯弯时正应力公式为

式中：

M为弯距；

y为中性轴至欲求应力点的距离；

为横截面对z轴的惯性距。

本实验采用逐级等量加载的方法加载，每次增加等量的载荷,测定各点相应的应变增量一次，即：

初载荷为零，最大载荷为5kN，等量增加的载荷为1kN。

分别取应变增量的平均值，求出各点应力增量的平均值。

（2.1）

（2.2）

把测量得到的应力增量与理论计算出的应力增量加以比较，从而可以验证公式的正确性，把上述理论公式中的按下式求出：

（2.3）

四、实验步骤

1.钢梁安装

将钢梁正确放置在台架支座，注意支座和钢梁要对好，钢梁上游刻线，此刻线要和支点的铁辊对齐，同理，加力梁也要同钢梁的相应刻线对齐；加力梁和钢梁前后的位置也要注意摆正，使之能够实现平面弯曲。

2.应变片接入应变仪

钢梁在上侧、距中性层以上H/4处，中性层、距中性层以下H/4处、钢梁下侧贴有五组应变片，其中，最上和最下各一枚，第二、三、四层每组为两枚（对称位置）。

将这五组应变片（8枚）分别接入到应变仪的1~8通道的A、B接线柱上，将温度补偿片接入到应变仪的补偿接线柱上，即采用公共补偿多测点测梁的方法。

3.开电源，使应变仪预热约30分钟。

4.选择好接桥方式，设定灵敏系数，在试验梁未加载荷，对测点逐一进行预调平衡（见YE2538应变仪使用说明）。

5．加载

旋转加载手轮缓慢加载。

本实验中第一级载荷P0＝0.0kN，最大载荷Pmax＝5.0kN，载荷增量＝1.0kN。

记录每级载荷下各测点的应变值（包括正负号，负号表示压应变，正号不显示）。

注意：

载荷最大加至5.0kN，不能超载；在测量过程中，尽量避免连接导线的晃动。

6．实验完毕将载荷卸为零，工具复原，经指导老师检查方可关闭应变仪电源。

五、YE2538应变仪的使用方法

YE2538程控应变仪的面板结构如图2.3所示。

图2.3YE2538程控应变仪的面板结构图

使用方法

1.接线和应变仪的桥路选择

本仪器把应变测量应变电桥的接线分成全桥接线，半桥接线，桥接线三种形式。

前面介绍的静态多点测量的接线法即为1/4桥接线法，此时，接线柱BB’应用连接片连在一起。

半桥测量和全桥测量时，连接片应拉出，使B和B’断开。

接线工作完成后，应变仪的桥路设置应和具体的接线相一致。

打开应变仪电源，按一下BRID键，显示屏将显示bR1（2或4），1/4桥为bR1；半桥为bR2，全桥为bR4，显示和实际接法不一致时，可通过数字键改变，最后按确认键确定，相应的桥路红色指示灯亮。

2.检查应变片电阻值是否相符。

本室使用的应变片电阻值均为R=120Ω，检查仪器设定时按R键，如显示R120即可确认。

3.应变仪灵敏系数的设定

不同实验教学试件所粘贴的应变计灵敏系数可能不同，故接线完成后应检查仪器设定的灵敏系数。

按K键可显示原有的设定值，当与当前所用的应变计K值不一致时，可用数字键进行修改并按键确认。

特别注意的是该仪器各通道的灵敏系数可分别单独设定，故应对每一使用通道的灵敏系数进行检查。

4.平衡，进入测量状态

平衡即对已接线的测量通道，因测量片和补偿片阻值的微小差别而使显示屏出现的初读数进行调零。

目的是使应变仪的显示值和载荷产生的应变一一对应。

平衡调节最好是对每一测量通道在加载前逐一进行。

方法是按一下通道号n（n=1~12）该通道红色指示灯亮显示屏显示Cn，接着按红色的平衡键BAL待显示屏出现不平衡数字后按测量键MEAS，显示屏显示Mn±0000时，即表示该通道已调零并进入测量的待机状态。

平衡由n=1～n逐个通道进行。

当连续按二次BAL平衡键时，仪器即从当前指示通道开始逐一进行自动平衡，实验不主张用自动平衡方法进行平衡，因为它容易掩盖其中某些通道在接线中所存在的问题。

5.加载测量

在仪器各测量通道均已进入测量待机状态后即可加载测度应变。

逐一按数字键1～12，即分别显示在该载荷下各测量点的应变值。

注意应变有正负之分，每个字代表1με（1个微应变）＝10－6，为无名数。

分别加至规定的载荷值，记下各级载荷下测点的应变。

对等增量加载的实验加载完毕后，应检查应变是否按等增量线性变化，否则应进行第二次重复加载测量，直到符合要求方可结束实验。

6.测量通道不能平衡的故障及排除方法

某一测量通道不能平衡的现象为按平衡键BAL无显示，按MEAS键无显示。

原因：

a）测量片导线在A,B接线柱上未拧紧，二根导线在A,B柱上短接。

拧紧接线柱，把交叉短接的导线分开。

b）连接片未按电桥接线及应变仪桥路选择的方法，连于B，B’接线柱上或该拉出而未使BB’断开。

按桥路接线形式处理。

c）公用补偿片相对该测点应变片阻值相差太大，更换补偿片再试。

d）测量片断线及仪器故障报请指导老师处理。

六、实验结果的整理

1．求出各测量点在等量载荷作用下，应变增量的平均值。

2．根据各测点应变增量平均值，计算测量的应力值。

3．根据实验装置的受力图和截面尺寸，先计算横截面对z轴的惯性距，再应用弯曲应力的理论公式，计算在等增量荷载作用下，各测点的理论应力增量值。

4．比较各测点应力的理论值和实验值，并按下式计算相对误差

（2.4）

5．在梁的中性层内，因，故只需计算绝对误差。

6．比较梁中性层的应力。

由于电阻应变片是测量一个区域内的平均应变，粘贴时又不可能正好贴在中性层上，所以只要实测的应变值是一个很小的数值，就可以认为测试是可靠的。

六、思考题

（1）影响实验结果准确性的主要因素是什么？

（2）在中性层上理论计算应变值，这是为什么？

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