同济大学H形截面梁的整体稳定实验报告

《钢结构基本原理》演示实验H形截面梁的整体稳定实验报告实验名称H形截面梁的整体稳定实验（3）实验课教师姓名学号手机号任课教师日期21.实验目的(1)了解工字形（H形）截面受弯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（H形）截面受弯构件的失稳过程和失稳模式，加深对其整体稳定概念的理解。(3)将梁的理论整体稳定临界力与实测承载力进行比较，加深对工字形截面受弯构件整体稳定系数及其计算公式的理解。2.实验原理钢梁最常用的截面是工字形（含H形），工字型截面的一个显著特点是两个主轴惯性矩相差极大。因此，当跨度中间无侧向支承的梁在其最大刚度平面内受荷载作用时，当荷载较小时，梁基本在其最大刚度平面内弯曲，但当荷载增大到一定数值后，梁将偏离原来的弯曲变形平面，同时产生较大的侧向弯曲和扭转变形，如图1所示，最后很快使梁丧失继续承载的能力。出现这种现象时，就称为梁丧失了整体稳定性，或称发生了弯扭失稳。失稳时构件的材料都处于弹性阶段，成为弹性失稳，否则称为弹塑性失稳。对于跨中无侧向支承的中等或较大跨度的梁，其丧失整体稳定性时的承载能力往往低于按其抗弯强度确定的承载能力。因此，这些梁的截面大小也就往往由整体稳定性所控制。图1工字形截面梁的弯扭失稳理想梁（不计缺陷时）的弯扭失稳与理想轴心压杆的屈曲一样，是一个出现平衡分枝的稳定问题，其最大弯矩称为临界弯矩Mcr。由于实际梁必然存在缺陷，因而其荷载－位移曲线表现出极值型的失稳现象，其极值称为极限弯矩Mu。根据具体缺陷的大小，Mu不同程度低于Mcr。我国钢结构设计规范对梁的整体稳定采用了具有平衡分枝点的稳定理论。这主要是由于梁的稳定比轴心压杆的稳定复杂，不仅是梁的弯扭失稳模态比轴心压杆的弯曲失稳模态复杂，另一重要因素是梁的荷载类型多种多样，比轴心压杆的荷载复杂的多，用最大荷载理论计算目前还有一定困难。国外设计规范中，目前也大多按理想梁采用平衡分枝的稳定理论来考虑梁的弯扭屈曲。根据能量法可以求得工字型截面梁临界弯矩的近似解，如下式(1)所示：3（1）式中，l0=μl1是梁的平面外计算长度，l1是梁的平面外无支承长度，μ为梁的平面外计算长度系数，如表1所示。a—横向荷载在截面上的作用点至截面剪力中心的距离。当荷载作用点到剪力中心的指向与挠曲方向一致时取负，否则取正；By—反映截面不对称程度的参数。（2）y0—剪力中心S至形心的距离。当剪力中心到形心的指向与挠曲方向一致时取负，否则取正；C1,C2,C3—与荷载类型及支座情况有关的系数，如表1所示。3.试件设计3.1试件尺寸根据反力架的几何尺寸以及千斤顶的最大行程与加载能力，本实验设计的试件主要参数如下，试件截面如图3.2所示：①试件截面设计值如表2所示：截面高度Hmm100.00截面宽度Bmm40.00翼缘厚度Tfmm4.00腹板厚度Twmm4.00试件跨度Lmm2500.0表2试件截面设计值②试件长度：L＝2500mm；③钢材牌号：Q235B。各标号含义如图2所示：4图2H形梁试件截面3.2截面实测截面实测值及结果处理如表3所示，截面图可参照图2：实测截面平均值截面1截面2截面3截面高度Hmm91.0991.6791.0390.58截面宽度Bmm40.2840.0340.4740.35腹板厚度Twmm4.064.083.944.24翼缘厚度Tfmm3.823.823.803.85试件长度Lmm2300.002400.002400.002400.00刀口厚度mm60.0060.0060.0060.00试件跨度mm2400.00表3试件截面实测结果3.3材料实验材性试件从与试件所用同批钢材中取样，并根据中华人民共和国国家标准《金属材料室温拉伸试验方法（GB/T228-2002）》进行试件设计和加工。拉伸试样在万能试验机上进行单向拉伸试验，试验机的加载速率应在3～30MPa/s范围内。通过材料拉伸试验，可以测得试件的屈服强度fy、极限强度fu、伸长率δ和弹性模量E。材性试验结果的记录表格如表4所示。屈服强度fyMPa267.00弹性模量EMPa206000.00拉断强度fuMPa402.00泊松比v0.30剪切模量GMPa79230.77表4材料性能实测值4.试验过程4.1加载装置图3为进行工字形截面梁整体稳定实验采用的实验装置，加载设备为砝码。构件横向放置，在梁中央设置加载板，加载板开孔后通过钢索悬挂吊篮，实验时将不同规格的砝码依次放入吊篮中以实现竖向悬吊重物加载，该吊载随构件平面外侧向位移可实现跟动和自动对中。荷载值由砝码重量累加算得。5图3H形截面梁试件图本实验在受弯构件两端均采用了铰接支座，如图4所示。该支座阻止梁端的竖向位移、侧向位移和扭转，但不阻止两端纵向位移、平面内转动和自由翘曲。图4工字形(含H形)截面梁支座装置详图64.2加载制度工字形截面受弯试件安装完毕后，即开始分级加载，加载装置如图5所示。加载初期的荷载增量较大，到接近失稳时，荷载增量较小。由于采用了人工吊载，故每次加载后吊篮均会产生水平晃动，故等待约1分钟后才进行数据采集。数据采集分级进行，在加载初期，一般等吊篮停止晃动后采集3~5个数据，但在加载后期，虽然荷载不增加，试件的侧移和挠度也会逐渐增加，因此每步采集的数据约几十个。图5工字形(含H形)截面梁加载装置图4.3测点布置实验中量测项目包括施加荷载、梁跨中的竖向挠度、平面外侧移、平面外扭转角等。图6给出了受弯试件的应变片和位移计布置情况。在试件的跨中截面布置了一组位移计和一组应变片，位移计包括处于上下翼缘位置的2个水平位移计，位于截面顶部的2个竖向位移计和位于跨中的一个位移计，分别记为10-1、10-2、10-3、10-5、10-6；应变片共4片，布置在上下翼缘，分别记为28-1、28-2、28-3、28-4。为避开加载装置，将测点所处截面略微偏离跨中。图6测点布置图7所测荷载值记为31-7。5.实验预分析5.1弹性临界弯矩估算两端简支工字形截面梁的临界弯矩可以根据公式(1)即EIlGIIIBCaCBCaClEICMtyyyycr2202323220211)(（符号具体含义可参照2.实验原理）近似计算得到。截面几何性质如表5所示：Amm^2646.83ixmm34.8iymm8.07r0mm35.73Iwmm^678435370Itmm^43447.73Iymm^442120.38Ixmm^4783469.2表5截面几何性质（根据实测值）计算结果如表6所示：NeykN14.87NeθkN235.713.98McrkN*m2.86PcrkN4.76Gcrkg485.57表6临界弯矩计算结果其中，22yyeylEIN2022rlEIGINyte5.2按边缘屈服估算∵绕弱轴为铰接，kgPGkNlMPmkNmmNhIfMyyyyxyy09.7818.9/100065.74.2/59.44/459.445929572/09.917834692672/0eyN/Ne85.3按塑性铰弯矩uM计算全截面塑性抵抗距Z=20508.83mm3∵绕弱轴为铰接，kgPGkNlMPmkNmmNZfMuuuuyu27.9318.9/100013.94.2/48.54/448.5547585820508.8326705.4按规范估算极限承载力极限承载力估算可根据《钢结构设计规范（GB50017-2003）》的规定进行，即（3）b-受弯构件的整体稳定系数需要指出的是，在计算极限承载力时采用的强度指标应是钢材屈服强度实测值fy，而非强度设计值fd。计算过程如图下：09.1218.073.0209.150.228.4009.9182.324000bfbhtl∵绕弱轴为铰接，4828.026723509.914.482.341.29711720109.9183.64641.29709.143202354.41432041.29707.8240024000.12222220yfyxybbyyyyyyfhtWhAmmilmmll4828.06.06.0282.007.1'bbbbbkgPGkNlMPmkNMMbbbbybb09.3778.9/100069.34.2/22.24/4216.259.44828.0'05.5计算结果汇总所有计算结果如表7所示：M(kN﹒m)G(kg)按弹性临界弯矩Mcr计算2.86485.579按边缘屈服My计算4.59781.09按塑性铰弯矩Mu计算5.48931.27按规范预计极限承载力2.22377.09表7计算结果汇总6实验现象的描述6.1实验过程和试件的变形形态描述（1）加载的初期阶段：基本无明显现象，随着荷载的增加，梁发生微小的弯曲变形，位移-荷载曲线以及位移-荷载曲线（可参考下文7.1、7.2）呈线性变化，说明构件正处于弹性阶段。（2）将近破坏的阶段：应变与荷载不能保持线性发展，梁产生侧向挠曲变形，跨中截面绕弱轴方向位移急剧增大，同时构件发生扭转。（3）最终破坏阶段：梁明显弯曲，试件绕弱轴方向失稳，并产生扭转，测点数据表明力不再增大而位移、扭转角却急剧增加，说明构件此时已经达到了极限承载力，无法继续加载。并且卸载后，有残余应变，说明构件已经发生了塑性变形。6.2试件的最终破坏模式识别最终，梁发生了整体失稳破坏，同时也是弯扭失稳，破坏情况如图7所示：图7受弯构件失稳破坏情况107实验数据处理在冗杂的数据中，大约选取了60行的比较典型的数据，将他们绘制成各关系曲线。其中，扭转角=（10_5-10_6）/H。7.1荷载-应变关系曲线图8荷载-应变关系曲线7.3荷载-位移关系曲线图9荷载-位移关系曲线7.3荷载-扭转角关系曲线11图10荷载-扭转角关系曲线8实验结果分析8.1现象与数据解读在达到极限荷载（641kg）之前，材料尚未屈服，荷载与应变、位移、扭转角都呈线性关系。而接近整体稳定临界荷载后，构件变形急剧增加，发生绕弱轴的弯扭变形，构件整体发生整体失稳破坏，应变等迅速增加。卸载后，有残余应变，说明构件发生了塑性变形。8.2实测极限承载力比较比较如表8所示：按边缘屈服My计算kg781.09按塑性铰弯矩Mu计算kg931.27按弹性临界弯矩Mcr计算kg485.57按规范预计极限承载力Mbkg377.09实测极限承载力M实际kg641表8实测值与理论值的比较8.3．实验结果和理论值差异的原因。从表8中，我们可以发现Mb＜Mcr＜M实际＜My＜Mu。以上数据的对比说明：1）相比正截面强度破坏，构件整体失稳才是该构件破坏的原因；（2）规范所规定的公式有一定的合理性；（3）更加精确的计算公式有待进一步确定，因为几个理论值都没有对实际承载力给出很好的预测。试验结果与理论值间存在一定的差异，经分析其原因如下：（1）My以及Mu的计算因为只考虑构件的强度破坏，忽略了失稳的破坏形态，所以取值显然会比M实际大；（2）以上计算公式均是采用理想模型，即假定材料是完全均匀和弹性的，没有考虑构件的初始缺陷如12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，故实际承载力与理论公式算得承载力不一致；（3）规范公式计算所假设的支座约束条件是理想的，而本次试验中的约束条件可能更加接近于铰接与刚接之间；（4）因为变形时构件材料并不完全处于弹性阶段，有一定的塑性变形，所以Mcr计算结果有一定的误差。9实验结论本次实验让我们熟悉并加深了对受弯构件整体失稳的理解，并且虽然是演示实验也让我们掌握了一定的实验技能，比如说反力架或者反力墙如何选取、怎样进行实验设计和实验实施、用多个理论值进行实验预测。最终我们得出:该H形截面梁在弯矩作用下发生整体