建筑力学试验指导书

1、建筑力学实验指导书基本实验1低碳钢和灰口铸铁的拉伸、压缩实验一、实验目的1 .试样在拉伸或压缩实验过程中，观察试样受力和变形两者间的相互关系，并注意观察材料的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。2 .测定该试样所代表材料的PSPb和AL等值。3 .对典型的塑性材料和脆性材料进行受力变形现象比较，对其强度指标和塑性指标进行比较。4 .学习、掌握电子万能试验机的使用方法及其工作原理。、仪器设备和量具电子万能材料试验机，x-y函数记录仪，钢板尺，游标卡尺。三、低碳钢的拉伸和压缩实验1 .低碳钢的拉伸实验在拉伸实验前，测定低碳钢试件的直径d和标距L。试件受拉伸过程中，观察屈服(流动)、强化，卸载规

2、律、颈缩、断裂等现象；绘制pAL曲线如图21(a)所示;di和标距间记录试件的屈服抗力Ps和最大抗力Ptx试件断裂后，测量断口处的最小直径的距离L1。依据测得的实验数据，计算低碳钢材料的强度指标和塑性指标。强度指标:屈服极限低碳钢拉伸图及压缩图图21s"其中Ad4强度极限PbbA塑性指标:延伸率L110d2断面收缩率2.低碳钢的压缩实验实验前，测量试件的直径LLd122100%100%d和高度出P-AL曲线，测定试件屈服时的抗力ho实验时，观察低碳钢试件压缩过程中的现象，绘Ps,从而计算出低碳钢的屈服极限：Ps四、灰口铸铁的拉伸和压缩实验2 .灰口铸铁的拉伸实验实验前测定试件的直径d

3、o试件在拉伸过程中注意观察与低碳钢拉伸试验中不同的现象(如变形小、无屈服、无颈缩、断口平齐等)；绘出PAL曲线如图22(a)所示；记录断裂时的最大抗力Pb,从而计算出灰口铸铁的拉伸强度极限：Pbb图22灰口铸铁拉伸图及压缩图3 .灰口铸铁的压缩实验实验前测定试件的直径d和高度ho实验时观察灰口铸铁试件在压缩过程中的现象，尤其是断口形状；绘出PAL曲线如图22(b)所示；记录压缩破坏时的最大抗力Pb,计算灰口铸铁压缩强度极限。即凡b-A五、实验操作1 .准备工作(1)打开试验机总电源和负载测量单元、位移测量单元、x-y记录仪的电源开关进行预热。(2)测量拉伸试样的标距长度L和直径d,测量低碳钢压

4、缩试样的长度H和直径d,作好原始数据的记录。2 .安装试件和调整荷载单元(1)调整荷载测量单元。按下传感器选择键：“拉”。根据低碳钢(A3)试件直径为10mm勺承载力，大约在40kN左右即可拉断，故选择50kN为满量程，按下50kN键。然后调整荷载的零点，检查标定值。(2)将试件夹持于材料试验机的上夹头中，为了夹持方便可用速度100mm/min或250mm/min向下或向上运行调节下夹头的位置，使下拉伸夹头能夹住试件时立即停机，将横梁速度转到2mm/min挡，然后把试件夹持于下夹头中(此时试件可能已受到了夹紧过程中少量的轴力，故不要再调整仪器荷载的零点)。3 .安装位移计和夹式引伸计(1)低碳

5、钢试件拉伸时，把夹式引伸计直接安装在试件上。试件受拉力后，标距内的伸长量通过夹式引伸计转换为电量，经放大后输入给x-y函数记录绘制曲线图(力输入信号线接入y座标，伸长输入信号线接入x座标)。(2)做灰口铸铁拉伸、压缩实验和低碳钢压缩实验时，用固定在动横梁上的位移计。先关闭支持平台的磁性开关使之失磁，将平台支持住位移计芯轴并使其上下移动，使x-y函数记录仪上画笔接近零位时，打开磁性开关固定于柱上(平台须基本水平)。(3)实验时，位移计将试验机动横梁下降量作为试件的伸长量或压缩量转变为电压，经放大后把电压信号输入给x-y函数记录仪绘图。4 .调整x-y函数记录仪(1)将纸放到x-y记录仪的画板上摆

6、正，纸开关置于HOLEM住记录纸。(2)检查或调整量程旋钮Y2或Y1坐标应置于10mV/cm)输入开关置于MEAS调节POSITION使画笔到下边缘某零位置。(3)检查或调整x轴的量程旋钮应置于50mV/cm,将x轴的输入开关置于MEAS调节POSITION旋钮使笔架移到图纸左边某零点位置。(4)最后将笔开关置于DOWN放下笔准备绘图。5 .加载试验(1)检查速度选择键应置于2mm/min(在210mm/min速度范围内可任意选择)；荷载单元应为拉传感器，量程50kN;x-y记录仪的笔已在左下角放下。(2)按横梁下降开关，即开始加载实验。在此实验中注意弹性范围和屈服现象，记下屈服时的荷载。屈服

7、段之后，可提高加载速度，按下5mm/min键或按下10mm/min。注意观察材料的强化和颈缩现象，记录荷载极限值。6 .仪器复原实验完后要使仪器复原，尤其是要使x-y记录仪的笔开关置于UP,Y2或Y1轴和x轴的输入开关置于ZEROa防止画笔乱画乱动。7 .铸铁拉伸试验操作步骤与低碳钢试验基本相同，不同之处有：(1)速度选择置于2mm/min直至断裂。(2)在实验中注意读取荷载极限值。8 .低碳钢压缩实验其操作步骤与拉伸时基本相同，不同之处有：(1)试件放于下压头的中心处，移动横梁使上压头逐渐接近试样。但不能接触试样。(2)调好荷载单元，用压力传感器，量程为100kNo(3)用速度2mm/min

8、加压，使上压头接触试样(荷载单元可显23kN的预压力)。然后安装位移传感器芯轴支持平台。(4)试验速度在屈服前用2mm/min,屈服后用5mm/min(5)试样不会断裂，曲线画到一定程度即可结束试验；在实验中注意读取屈服时的荷载值。9 .铸铁压缩实验操作步骤与低碳钢压缩相同，不同的是试件破断后停机。10 .其它(1)两根拉伸试件的PAL曲线绘在一张图纸上，两根压缩试件的PAL曲线绘在一张图纸上。因为它们的坐标相同好作比较。(2)全部实验完毕后，机器和仪器的各开关按键应置于原始位置，然后关掉电源。六、预习思考题1 .试比较低碳钢和铸铁在拉伸时的力学性能。2 .压缩时为什么必须将试件对准试验机压头

9、的中心位置，如没有对中会产生什么影响？3 .说明铸铁和低碳钢断口的特点。4 .低碳钢和铸铁在拉伸、压缩中，各要测得哪些数据？观察哪些现象？基本实验2低碳钢拉伸时弹性模量E与泊桑比仙的测定实验一、实验目的学习使用双向引伸计测量材料的弹性模量E和泊桑比科。学习使用电阻应变仪。再次熟悉电子万能试验机的使用。二、仪器设备电子万能试验机、电阻应变仪、双向引伸计。三、双向引伸计简介双向引伸计是用于测量材料拉伸试件变形的一种装置，其特点是能同时测量试件的轴向应变和横向应变。双向引伸计外形结构及其与试件的安装关系见图23。由于双向引伸计是一个娇弱的仪器，可调范围小，装卡时易损坏，故不由学生装卡，在这里也就不介

10、绍双向引伸计的装卡过程。双向引伸计主要由A、RCD杆、主体和弓形曲板组成。图中A、C杆间和BD杆间用于测量试件轴向应变度量，弓形曲板是测量试件横向应变的弹性元件。图23双向引伸计与试样（尺寸单位：mm当试件承受轴力伸长时，装夹在试件上的双向伸计的AC杆和B、D杆悬臂距离随之变化，由于C杆和D杆的刚度大，可以认为不变形，而A杆和B杆在轴向厚度很小，因此试件受力后的伸长量引起A杆和B杆的弯曲变形，在A杆和B杆的根部粘贴有应变片，并组成电桥线路。当A、B杆产生弯曲变形时，电桥就有电信号输出，经过换算可以得到试件的纵向应变值。试件承受轴向拉伸后，横向尺寸要减小，即A、B杆及GD杆间的距离缩短，这时贴在

11、弓形曲板上的应变片被拉伸，电桥就有电信号输出，经换算后可以得到试件的横向应变值。试验加载方式，采用加一初载后，按等量荷载递增加载的方法，其每次的荷载增量为一常值AP。在每一级荷载下，电阻应变仪输出纵向应变值和横向应变值，进而可得与AP对应的纵向应变增量纵和横向应变增量横。为了保证测量的可靠性，需重复做三次试验，选其中一次线性较好的数据计算平均应变值纵平与横平。平均应变增量必须乘以转换系数，才能得到试件的真实应变增量，即纵Ki纵纵平横K2横横平注意：式中的。纵和K2横，对于每一只双向引伸计来说都不相同）从而可以计算出材料的弹f莫量E值和泊桑比w值：四、实验操作步骤1 .SY-ni型应变仪调试(1

12、)把双向引伸仪装卡在试件上，并把试件夹于万能试验机的上、下拉伸夹头中。(2)把双向引伸仪的引线A、BCD分别接于应变仪背板上A、RCD柱上。(3)应变仪按键置于“系数”位置，用改锥调节系数电位器，使其显示值为1000(4)按下系数键，把应变仪按键置于“调零”位置，用改锥调节调零电位器，使其显示值为零或±1均可。(5)按下平衡键，用改锥调节调零电位器，使显示值为零或±1均可。(6)应变仪调试工作结束后，等待加载读数。2 .WD-10A万能机的调试(1)负荷单元：按下“2”、调零、标定。(2)速度单元：按下“2mm/mi6'键。3 .加载顺序5kN一-100mV或5kN

13、10mV10kN-200mV或10kN-20mV15kN300mV或15kN-30mV20kN400mV或20kN-40mV4 .实验操作(1)在“速度单元”按“下降”按钮进行加载。负载表显示为规定数值时，按“停”按钮，分别在应变仪上读出纵向应变值和横向应变值。(2)重复(1)的操作方法，继续加载，读取纵、横向应变值。(3)实验完毕。卸负荷：按速度单元的“上升”按键，负荷显示为“0”左右时，按“停”按钮，松开下拉伸夹头，关闭试验机及应变仪电源。五、预习思考题1 .试验时为什么要加初荷载？2 .测定E值时，最大荷载如何确定？为什么应力不能超过比例极限？3 .电阻应变仪是以什么原理制造的？专门用来

14、测试何种参量？能否直接测得“应力”？基本实验3矩形梁纯弯曲时正应力分布电测实验、实验目的1 .学习使用电阻应变仪，掌握测试技能。2 .测量纯弯曲梁上应变随高度的分布规律，验证平面假设的正确性。、仪器设备弯扭试验台、电阻应变仪。图28纯弯曲试验装置三、弯扭试验台弯扭试验台可以做弯曲试验、扭转试验，以及弯曲-扭转的组合试验。这里暂时只叙述其弯曲试验部分，其纯弯曲的加载系统如图28,试样简支于A、B两点。在对称的CD两点通过拉杆和横杆螺旋加载使梁产生弯曲变形，CD段试件受纯弯的作用。采用转动手轮使螺旋下移加载，总荷载的大小用荷载传感器来测量。试件的受力如图29。I"J0-g却_JOONIO

15、OON-)SOON-20OON图29试件的受力图四、纯弯曲梁电测实验原理已知试件受纯弯时的正应力公式为:My1z式中，M为横截面上的弯矩，Iz为梁横截面对中性轴z的惯性矩，y为由中性轴到欲求应力点的距离。本实验在施加初荷载后，采用逐级等量加载的方法，每次增加等量的荷载为测定各点相应的应变增量一次，分别取应变增量的平均值匚十皿my实E实平，理Iz实平，求出各点应力增量A巳实。把实与理论公式算出的应力增量理加以比较，从而可验证公式的正确性，上述理论公式的AM按下式求出:1/M-P170(Nmm)2五、电阻应变片的粘贴位置电阻应变片及电阻应变仪的有关说明请参看指导书的第一部分。为了测量应变随试件截面

16、高度的分布规律，应变片的粘贴位置如图2-10o这样可以测量试件上下边缘处的最大应变和中性层无应变的特殊点，及其它中间点便于了解应变沿截面高度变化的规律。六、SY-ni型数字应变仪及DSP-10型平衡箱操作使用方法应变仪的使用方法见第一章有关内容。EH3-10病老片位置图f尺寸单位：mm七、试验结果的整理1 .求出各测量点在等量荷载作用下，应变增量的平均值。2 .以各测点位置为纵座标，以应变增量为横坐标，画出应变随试件高度变化曲线。3 .根据各测点应变增量的平均值，可计算出测量的应力值。4 .根据实验装置的受力图和截面尺寸，应用弯曲应力的理论公式，可计算出在等量荷载作用下，各测点理论应力值。5

17、.比较试件上下边缘处的理论计算值和试验测定值，并计算相对误差，其计算公式为:100%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，粘贴时又不可能刚好贴到中性层上。所以只要实测的应变是一个很小的数值，就认为测试是可靠的。八、预习思考题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理0,而实际测量实0,这是为什么？基本实验4弯扭组合作用下的电测试验一、实验目的1 .用实验方法测定平面应力状态下一点处的主应力。2 .在弯扭组合作用下，用电测分离法单独测量弯矩和扭矩。3 .进一步熟悉使用电阻应变仪的测量方法。二、仪器设备弯扭试验台，电阻应变仪。三、弯扭试

18、验装置弯扭试验台用于弯曲试验，已在上一节中谈到。现在主要叙述其弯扭组合试验系统，其弯扭加载的装置如图211。弯扭试样的一端固定于机架上，另一端在垂直于轴线的方向上连接有一扇形加力杆，由钢丝绳绕扇形杆的园弧端面，与加载系统相连。这样的做法是使试样发生较大变形时，仍能保持加载的力臂不变。加载和卸载用旋转加载手轮来实现，荷载的大小由传感器将信号送出，经放大后显示。为了使在荷载不太大的情况下产生较大的应力，弯扭试样选用薄壁圆管截面，管状试样的受力如图212。图211弯扭试验装置图四、弯扭组合作用时主应力的测量1.应变片布置由图213可看出，A点与C点单元体都承受由M产生的弯曲应力（TW和由扭矩Mt产生

19、的剪应力r的作用。B点单元体处于纯剪切状态，其剪应力由扭矩Mt和剪力Q两部分产生。这些应力可根据下列公式计算。PT户36图212试样受力图（尺寸单位：mmWzD34(14)32MttWpD3Wp(116QSzmaxblz从上面分析看来，在试件的4)20AA点、B点、C点上分别粘贴一个三向应变片如图214,就可以测出各点的应变值，并进行主应力的计算。图213单元体图2.实验主应力的计算电阻应变片的应变测量只能沿应变片轴线方向的线应变。按图图214应变片的布置215的应变片和坐标,能测得x方向、y方向和45。方向的三个线应变x、y、45。为了计算主应力还要利用平面应力状态下的虎克定律和主应力计算公

20、式，即图215应变片和坐标V)ur(x)45y)1,32xxy图216测量弯矩的接桥方式tg(2a)计算中应注意应变片贴片的实际方向，灵活运用此公式。3.实验步骤实验中加载过程和应变读取方法与纯弯曲实验相同，请参阅前面有关内容。五、截面内力的分离测量在工程实践中应变片电测方法不仅广泛用于结构的应变、应力测量，而且也把它当作应变的敏感元件用于各种测力传感器中。有时测量某一种内力而舍去另一种内力就需要采用内力分离的方法。1 .弯矩的测量在弯扭组合的构件上，只想测量构件所受弯矩的大小，可利用应变片接桥方法的改变就可实现。利用图216的应变片布置，选用A点沿轴线方向的应变片接入电桥的测量桥臂AB。选用

21、C点沿轴线方向的应变片接入电桥的温度补偿臂B，C,这样组成仪器测量的外部半桥如图216。此接桥方式，A片受弯曲拉应力，C片受弯曲压应力，而测量结果与扭转内力无关。又由于分别接于相邻桥臂，既可以满足温度补偿的要求，还使应变读数增加一倍。这样就可计算出弯矩的大小，然后与理论计算相比较。2.扭转力矩的测量J?卓应力状态割招转短接桥图图217扭转力矩的测量在弯扭组合的构件上，只想测量构件所受的扭转力矩，也可利用应变片的接桥方式来实现。以图217中B点的应变片为例，将B点沿轴线呈45。的两个应变片接入相邻的两个桥臂如图217。由于B点处于弯曲的中性层，所以弯矩的作用对应变片没有影响。在扭转力矩作用下应变

22、片a受到伸长变形接于桥臂AB，应变片b受到压缩变形接于桥臂BC。由于接入相邻桥臂既自身温度补偿，又使应变读数增加一倍。此处弯曲剪应力较小而未加考虑。11二读数32再根据广义虎克定律求得1和3。由于在纯剪切状态下1,则可进一步计算出内力一一扭转力矩。除了以上接桥之外，利用A点或C点的应变片也要组成同样功能的电桥来测量扭转力矩，现以A点来说明，在只有弯矩的作用下，A点沿轴线呈土45。的方向上的伸长是相等的，即a片b片伸长量相等而连接于电桥的相邻臂，则相互抵消电桥输出为零，其道理与温度补偿是一样的。所以如此接桥方式可消除弯矩的影响，而只测量出扭转力矩。3.操作与结果计算(1)实验方法与纯弯曲电测应力

23、相同，只是应按现在目的将应变片接入预调箱。(2)计算内力时应写出计算的各步骤，不能只写出答案。(3)最后要比较测量值与理论值的相对误差。由于实验中各种因素影响，误差在10蛆内都是正常的。六、预习思考题1 .主应力测量时，直角应变花是否可以沿任意方向粘贴？为什么？2 .电测实验中，采用半桥测量时，为什要温度补偿片？全桥测量时，为什么不要温度补偿？基本实验5压杆稳定实验.实验目的1 .观察并用电测法确定两端钱支撑条件下细长压杆的临界力Pj。2 .理论计算两端钱支撑条件下细长压杆的临界力Pj并与实验值测试值进行比较。二.实验仪器和设备1 .拉压实验装置一台2 .矩形截面压杆一根(已粘贴应变片)3 .

24、YJ-4501静态数字电阻应变仪一台三.实验原理和方法图2压力实验装置见图1,它由座体1,蜗轮加载系统2,支承框架3,活动横梁4,传感器5和测力仪6等组成。通过手轮调节传感器和活动横梁中间的距离，将已粘贴好应变片的矩形截面压杆安装在传感器和活动横梁的中间，见图2,压杆尺寸为：厚度h=3mm宽度b=20mm长度l=350mm,见图3(a),材料为65M"弹性模量E=210GN/m2。对于两端钱支的中心受压的细长杆，其临界压力为Pj2EIminl一压杆长度Imin-压杆截面的最小惯性矩2C芈桥测言D-义器内出电用M图3假设理想压杆，若以压力P为纵坐标，压杆中点挠度f为横坐标，按小挠度理论

25、绘出的P-f曲线图，见图4。当压杆所受压力P小于试件的临界压力Pj时，中心受压的细长杆在理论上保持直线形状，杆件处于稳定平衡状态，在P-f曲线图中即为OC段直线；当压杆所受压力PPj时,杆件因丧失稳定而弯曲，在P-f曲线图中即为CD段直线。由于试件可能有初曲率,压力可能偏心，以及材料的不均匀等因素,实际的压杆不可能完全符合中心受压的理想状态。在实验过程中，即使压力很小时，杆件也会发生微小弯曲，中点挠度随压力的增加而增大。见图5,若令压杆轴线为x坐标，压杆下端点为坐标轴原点，则在x横截面上的内力为横截面上的应力为PJMyAIminrp图5在x2处沿压杆轴向已粘贴两片应变片，按图3(b)半桥测量电

26、路接至应变仪上，可消除由轴向力产生的应变，此时，应变仪测得的应变只是由弯矩M引起的应变，且是弯矩由此可得测点处弯曲正应力mO2IminM引起应变的两倍，即Pf-FEM1 min并可导出X,处压杆挠度f与应变仪读数应变之间的关系式2EIminf-""dPh由上式可见，在一定的力P作用下，应变仪读数应变d的大小反映了压杆挠度f的大小，可将图4中的挠度f横坐标用读数应变d来替代，绘制出P-d曲线图。当P远小于Pj时，随力P增加应变d也增加，但增加的极为缓慢(OA段)；而当力P趋近于临界力R时,应变d急剧增加(AB段)，曲线AB是以直线CD为渐近线的，因此，可以根据渐近线CD的位置

27、来确定临界力Pj。四.实验步骤1 .将压杆安装在两端钱支承中间；2 .接通测力仪电源，将测力仪开关置开；3 .按图3(b)半桥测量电路将应变片导线接至应变仪上4 .检查应变仪灵敏系数是否与应变片一致，若不一致，重新设置5 .在力P为零时将应变仪测量通道置零6 .旋转手轮对压杆施加载荷。要求分级加载荷，并记录P值和d值，在P远小于Pj段,分级可粗些，当接近Pj时，分级要细，直至压杆有明显弯曲变形，应变不超过1000C五.实验结果处理1 .根据实验设计实验数据记录表格2 .绘制P-d试验曲线，确定临界力测试值Pj3 .计算两端钱支的临界力值Pj六.讨论压杆临界力测定结果和理论计算结果之间的差异主要

28、是由哪些因数引起的？记录表序号载荷读数应变（g为PAPPdPd1234567注：表格可根据需要添加建筑力学主要的试验设备1、数控电液伺服试验机该试验机为一台特制设备，主要用于研究生教学和科研，可以对试件同时施加纵向、横向和轴向载荷，即可。加静载也可加动载，目前在该试验机上可以完成：1、模拟列车通过弯道时，在车轮随机荷载作用下钢轨的疲劳试验2、车辆弹簧和橡胶弹簧的疲劳试验3、拉压杆件的疲劳试验4、拆下作动器，另加框架等可作多点结构试验。主要技术指标：1 、最大动态试验力：+500KN，试验力精度：+1%,可以分为1、1/2、1/5三档衰减。2 、主作动器行程：S=+100mm,位移测量精度：+1%,可以分为1、1/2、1/5三档衰减。3 、频率范围：0.1-18Hz4 、整机按照频率8Hz,振幅可以达到+1mm勺技术指标进行设计和油源配置。5 、主要试验波形：除正弦波、三角波、方波、斜波以外，能输入列车通过轨道时采集到的随机波（力信号和加速信号）。6 、试验空间：四立柱框架结构，底板长度方向满足2500mm轨枕构件的试验及1200mm钢轨的试验，高度方向有效2、NDW3100微机控制电子式扭转试验机£匕工aa