工字形截面轴心受压柱的整体稳定实验

《钢结构基本原理》实验报告实验名称：工字形截面轴心受压柱的整体稳定实验实验组号：25组9号工字钢实验组员：一、实验目的1．了解工字形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．观察工字形截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式，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，加深对工字形截面轴心受压构件整体稳定系数及其计算公式的理解。二、实验原理轴心受压构件整体稳定性能概述整体失稳破坏是轴心受压钢构件的主要破坏形式。轴心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。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。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。工字形截面轴心受压构件的弯曲失稳工字形截面属于双轴对称截面，因此工字形截面轴心受压构件只可能发生弯曲失稳或扭转失稳。对于常见的非薄壁工字形截面，其截面的抗扭刚度和翘曲刚度都很大，因此不会发生扭转失稳。当构件未设置沿截面强轴的支撑时，由于工字形截面绕强轴的惯性矩大于绕弱轴的惯性矩，因此构件将发生绕弱轴的弯曲失稳。如图所示工字形截面柱的弯曲失稳三、试件几何参数，包括名义几何参数和实测几何参数截面尺寸参数截面编号构件长度l/cm截面高H/mm翼缘宽度B/mm翼缘厚度tf/mm腹板厚度tw/mm193.8860.7425.573.013.01293.9160.5925.493.083.08393.8760.7325.73.063.06493.9360.6625.7933平均值93.960.6825.643.043.04计算长度/mm939+70=1009四、实验装置、加载方式、测点布置概述实验装置图为进行工字形截面轴心受压构件整体稳定实验采用的实验装置，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。为了准确实现构件两端铰接的边界条件，设计了单刀口固定铰支座。单刀口支座具有良好的转动性能，实验中应注意刀口的摆放方向。由于工字形截面轴心受压构件主要发生绕弱轴的弯曲失稳，因此刀口可设置为与试件腹板平行。支座详图如图所示。从图中可以看出单刀口支座槽口板底面到转动中心（即刀口板刀尖）的距离是36mm。工字形截面轴心受压构件整体稳定实验装置图工字形截面轴心受压试件支座详图加载方式工字形截面轴心受压构件整体稳定实验采用单调加载，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。在正式加载前，为检查仪器仪表工作状况和压紧试件，需进行预加载，预加载所用的荷载可取为分级荷载的前3级。具体加载步骤如下：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％；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％；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%；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；最后缓慢平稳的打开千斤顶回油阀，将荷载逐渐卸载至零。测点布置实验中量测项目包括施加荷载、柱子中央的出平面侧移、应变变化情况等。图中给出了工字型截面轴心受压试件的应变片和位移计布置情况。在试件的中央布置了3个水平位移计，其中1个位移计平行于腹板放置，另外2个位移计平行于翼缘放置，分别记为D1、D2、D3；应变片共4片，布置在中央截面的翼缘外侧，分别记为S1、S2、S3、S4。测点布置四、实验预分析过程和结果轴心受压构件的弹性微分方程钢结构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：双轴对称截面轴心受压构件的失稳形式和失稳临界力双轴对称截面的剪力中心与形心重合，代入可得说明双轴对称截面轴心压杆在弹性阶段工作时，三个微分方程互相独立，可以分别单独研究。对于理想压杆，可分别求得欧拉弯曲失稳临界力和欧拉扭转失稳临界力。也可写成另一种形式：实验前需要对试件失稳荷载的大致范围做一估算。两端简支的工字形截面理想轴心受压构件的临界压力可以根据以上式子计算得到：欧拉临界力=15.95/KN规范临界力=15.54/KN五、实验过程由工人师傅帮助我们贴好应变片，安装好位移计用手动千斤顶加载到2KN，观察静态应变仪中，各应变点的读数，若相差幅度超过15%则卸载后可正式进行加载试验，否则卸载，并重新调整试件位置后继续进行物理对中。判断试件是否位于中心位置。通过调整螺栓和加垫片进行试件物理对中。记录对中时的数据。开始缓慢加载。六、实验现象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，处于弹性阶段。接近破坏：应变不能保持线性发展，构件逐渐产生肉眼可见的弯曲。破坏现象：柱子明显发生弯曲，支座处刀口明显偏向一侧，千斤顶作用力无法继续增加，发生绕弱轴的弯曲失稳，力不再增加位移却急剧增加，说明构件已经达到了极限承载力，无法继续加载。破坏模式：绕弱轴弯曲失稳破坏七、实验结果的分析工字形截面轴心受压构件的弯曲失稳工字形截面属于双轴对称截面，因此工字形截面轴心受压构件只可能发生弯曲失稳或扭转失稳。对于常见的非薄壁工字形截面，其截面的抗扭刚度GIt和翘曲刚度EIω都很大，因此不会发生扭转失稳。当构件未设置沿截面强轴的支撑时，由于工字形截面绕强轴的惯性矩大于绕弱轴的惯性矩，因此构件将发生绕弱轴的弯曲失稳。实验现象及破坏模式与实验曲线之间的相互解读10号曲线对应为绕弱轴位移，8号曲线对应绕强轴位移。从图中可以明显看出，构件最后破坏是绕弱轴发生失稳，这也正符合理论计算时的结果，绕弱轴长细比较大，又弱轴控制整体稳定极限承载力。在加载的初期，位移与荷载关系接近直线，钢筋内的应力分布较为均匀，初偏心引起的弯矩大，因此挠度较小。随着荷载逐渐增大，二阶效应的作用便体现出来，构件绕弱轴挠度增大速度变快，并最终发生破坏。破坏瞬间绕强轴的位移也明显增大，说明最后破坏有扭转。从图中可以看出在荷载施加初始阶段，构件中的点都是受压的，这是因为此时构件挠度小，附加弯矩小，截面处于全截面受压状态。但当轴力增大后，挠度不断增大，附加弯矩增大，此时弯矩产生的拉应力已经超过了轴力产生的压力，在弯曲的外侧产生了拉应变。这时构件已接近失稳破坏。最后受压区先屈服，因为在受压区弯矩和轴力作用叠加，应变较受拉区大，构件破坏。试件稳定承载力理论值的计算结果截面尺寸参数截面编号构件长度l/cm截面高H/mm翼缘宽度B/mm翼缘厚度tf/mm腹板厚度tw/mm193.8860.7425.573.013.01293.9160.5925.493.083.08393.8760.7325.73.063.06493.9360.6625.7933平均值93.960.6825.643.043.04计算长度/mm939+70=1009截面几何特性面积A/mm2惯性矩Iy/mm4回转半径iy/mm长细比λ相对长细比稳定系数φ321.87528668.1945.19194.412.8450.111极限承载力欧拉临界力/KN规范临界力/KN15.9515.54理论计算值与实测值进行比较实验中实测理论值为15.2kN，比理论计算值稍微小一点。主要是因为构件加载时并不是完全的轴心受压，存在一些初偏心。这点从开始的应变数据中可以看出，在轴力较小的时候不同点的应变出现了差异，尽管之后做了调整，但还是存在一定的初偏心。另外加载过程中也可能由于材料制作过程中的误差，加载速率等的影响导致实测值变小。误差分析实测极限承载力小于欧拉荷载、大于规范公式计算结果分析承载力产生差异的原因：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呈极值型失稳。欧拉公式讨论范围仅在于杆件的弹性稳定没有考虑杆件非弹性稳定状态。钢结构规范设计的极限承载力是在以初弯曲为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大于此次实验轨迹所以实验所得的承载力值大于计算值。深入分析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永远小于欧拉临界力。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。初弯曲严格的讲杆件在加工、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。八、实验结论钢结构轴心受压杆件的整体稳定总是先于强度破坏发生在荷载未达到强度设计值之前构件已经偏离原来的平衡位置发生倒塌。稳定极限承载力大约是强度极限值的三分之一所以在钢结构设计过程中要特别重视轴心受压构件的整体稳定性.φ–λ曲线00.20.40.60.811.21.41.61.8200.511.522.533.544.5λφ规范a曲线规范b曲线规范c曲线规范d曲线欧拉曲线H型截面槽型截面L型截面T型截面实验后的数据采集与处理1.原始记录数据：荷载/KNCH1CH2CH3CH4CH8CH93-25-53-43-85-1789-4945-30-82-66-153-1728-5577-30-113-108-223-1711-5989-44-187-116-290-1627-61110-49-224-99-316-1609-61111-44-272-88-347-1556-63512-32-315-95-410-1444-627130-378-60-469-1330-63513.522-420-33-506-1243-62714.280-50825-605-1037-64715411-867289-984-2-67215.21025-1503815-16791797-985初始-20-311-1832-2542.处理后的数据：荷载/kn应变1应变2应变3应变4位移8位移103-51-40-93-10.85676.1040.8566675-80-63-161-10.65336.10330.8633337-111-105-231-10.59676.1028440.879-185-113-298-10.31676.10270.87666710-222-96-324-10.25676.10270.8811-270-85-355-10.086.1024330.88333312-313-92-418-9.706676.1025220.88666713-376-57-477-9.326676.1024330.8913.5-418-30-514-9.036676.1025220.89166714.2-50628-613-8.356.1023