同济大学钢结构试验H型柱受压

1、钢结构基本原理试验课程作业L ENGINEERINGH型截面轴心受压构件稳定试验装I订II!试验名称 H型截面轴心受压构件稳定试验i试验课教师线ii姓 名日 期 2014年10月22日试验目的（1）通过试验掌握钢构件的试验方法，包括试件设计、加载装置设计、测点布置、试验结 果整理等方法。（2）通过试验观察工字形截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式。（3）将理论极限承载力和实测承载力进行对比，加深对轴心受压构件稳定系数计算公式的 理解。试验原理（1）具有初始缺陷的轴心压杆的弹性微分方程El (viv - viv ) + Nv - Nx 9 = 0El (uiv - uiv ) + Nu - Ny

2、9 = 0El (9iv -9iv) -GI (9一9) - Nx v-Ny un + r2N9n-R9 = 0O0t0000欧拉临界力由于H型截面为双轴对称截面，剪力中心与形心重合，有x0=y0=0，代入得:(a)（b）（c）El (viv - viv ) + Nvff = 0El (uiv - uiv ) + Nu = 0y 0El (9iv -9iv) + GI (9一9) + r2N9 -R9 = 0O0t00可以分别单独说明双轴对称截面轴心压杆在弹性阶段工作时，三个微分方程是相互独立的研究。在弹塑性阶段，当研究式8）时，只要截面上的残余应力对称于y轴，同时有u0=0和牌=0， 则该式

3、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，整体失稳成 弯曲变形状态，成为弯曲失稳。同样，式（b）也是弯曲失稳，只是弯曲的方向不同。对于式（c），如果残余应力对称于x轴和y轴分布，同时假定，u0=0和v0=0，则压杆将只 发生绕z轴的转动，失稳时杆件呈扭转变形状态，成为扭转失稳。对于理想压杆可求得欧拉失稳临界力为NEx兀2 EI 兀2 EAx （X方向欧拉弯曲失稳临界力）NEy丸2 EINE9y120y(兀 2 EI丸2 EA人2y)1+ GI + R 丸2 EAr 2 人209（y方向欧拉弯曲失稳临界力）（欧拉扭转失稳临界力）式中：l0oy分别为构件弯曲失稳时绕X轴和

4、y轴的计算长度;l09构件扭转失稳时绕z轴的计算长度;七气,七 分别为构件绕X轴、y轴的长细比和扭转长细比（3）极限承载力的规范计算公式我国钢结构设计规范采用的方法如下：以初弯曲为1/1000，选用不同的截面形式，不同的残 余应力模式计算出近200条柱子曲线，这些曲线呈相当宽的带状分布。然后根据数理统计原理， 将这些柱子曲线分成a、b、c、d四组。这四条平均曲线及其95%的信赖带全部覆盖了这些曲线 所组成的分布带。这四条曲线具有如下形式：当兀V 0.215时，中=曲=1以兀2 f 1V当兀0.215时，中=W（以2 +气兀+兀2） J（以2+以3兀+兀）2 4兀2式中a1、a2、a3系数，根据

5、不同曲线类别按照规范取用。也可以通过钢结构规范查表得到各类曲线的中值，柱子曲线见图1.h白鼓拒&丰I /I就,8,*佬口 cd以外的其他截项情况y, 耕线L T .尊彳泌=|涂接，拔棒嵬厚够羽棚淬X炽祗肖黄地封传立物壬+ ：.- -I 一 亏工 彳抑，化5建n用周 I /I 0.8壬 相 滂或:踞I刀、.很图1柱子曲线构件设计（1）构件尺寸截面高度H（mm）100.00材性试验截面宽度B（mm）60.00屈服强度fy（MPa）267.00翼缘厚度Tf（mm）4.00弹性模量E（MPa）206000.00腹板厚度Tw（mm）4.00试件长度L（mm）1000.0刀口厚度（mm）36.0（2）构件

6、截面示意图（图2）图2构件截面示意图（3）承载力估算 截面特性A = 848mm 2I = 1401472mm 4,1 = 144490mm 4Xy:厂.14014721:而90=E = 848 = 40.65mm, i = =( 8 = 13.05 mml 100024.6,人 =- = 76.61y i 13.05l 1000，ox 规范荷载计算人人只需计算兀yx f 76.61人=1 .、1y兀E已知为c类截面，x i 40.65235 0.8236 兀 2.06 x105气-0.73,以2 - 0.906,以3 - 0.595中=（以 +以兀+兀2） （以 +以兀+兀2）2 4X22兀

7、223% 23中-0.5998广叫=0.5998 x 848 x 235 FEN欧拉临界力N广管=丸2 *2艾看 乂848 = 293.31kNy实验装置4.1支座支座采用双刀口支座如图3,两个方向都可以转动，模拟双向铰支座，实景图如图4图3双刀口支座上支座卜支座图4双刀口支座实景图4.2加载装置采用液压千斤顶和反力架施加轴向荷载单调加载，模拟构件轴心受压。加载初期：分级加载，每级荷载约10%Pu，时间间隔约2分钟；接近破坏：连续加载，合理控制加载速率，连续采集数据；卸载阶段：缓慢卸载。4.3测点布置应变片、位移计布置如图5所示。图5应变片、位移计布置图 应变片、位移计对应通道如表1。表1应变

8、片位移计S129-4D19-5S229-3D29-7S329-1D39-8S429-2荷载9-1试验准备5.1试件截面实测图6实测截面图表2实测截面单位平均值截面1截面2截面3截面高度Hmm101.92102.52102.91100.34截面宽度Bmm59.6660.0159.6459.33腹板厚度Twmm4.004.004.004.00翼缘厚度Tfmm3.923.773.944.04试件长度Lmm1000.001000.001000.001000.00刀口厚度mm36.0036.0036.0036.00计算长度mm1072.00I xmm41400482.76lymm4139118.37截面

9、积Amm2843.705.2材料拉伸试验表3材料拉伸试验试件标号屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）延伸率127941231%227640832%326139532%426839832%525539134%626240532%平均值26740232%弹性模量（MPa）2060005.3检查测点逐个检查测点是否正常工作。5.4试件对中和预加载装1 11 11 11 1!依次进行竖向放置一轴心受压一几何对中一应变对中，对中结果如表4.对中过程中进行预加载，预加载荷载一般为极限承载力的30%。检测应变片和位移计等设备 是否正常工作，压紧试件，消除空隙。截面规格H101*59*4*3Hmm101.92

10、33333订Bmm59.66Twmm4!Tfmm3.916666667!fyMpa267.00EMPa206000.00线 1Ixmm41400482.76Iymm4139118.37Amm“2843.70!、土 业J 何载读数!PkN5.091应变读数31_1ue-35!31_2ue-3031_3ue-4031_4ue-27(e1+e4+e2+e3)/4ue-33.00反推压力kN-5.74(e1+e4-e2-e 3)/2ue1绕弱轴曲率Py1/mm2.014E-08绕弱轴弯矩E*Iy*PykN*mm0.58绕弱轴偏心mm-0.101(e1+e2-e3-e 4)/2U-9绕强轴曲率Px1/m

11、m-8.830E-08绕强轴弯矩E*Ix*PxkN*mm-25.47绕强轴偏心mm4.4425.5采用实测截面和实测材料特性计算承载力计算过程与构件设计承载力估算相同得到：欧拉荷载：Nq 246.13kN按规范计算极限承载力：Ncr=5.46kN 即试验测得的极限承载力应该在115.45kN到246.13kN之间。试验现象6.1构件破坏过程（1）初始状态。构件没有明显变形，状态良好。（2）加载至破坏加载初期：跨中应变片均呈现压应变，但是数值差 异较大，存在初偏心。压应变成线性增长说明此时构件 处于弹性阶段，跨中绕x轴方向位移增大但是很快趋于 稳定。接近破坏：一侧应变片出现明显的拉应变，跨中绕

12、y轴方向位移急剧增加，绕x轴方向位移仍保持稳定。破坏现象：柱子绕y轴发生弯曲，支座刀口偏于一 侧，千斤顶无法继续增加荷载。停止加载，位移仍然继 续增加，缓慢卸载后变形不能恢复。构件绕y轴弯曲失 稳。图7构件破坏图6.2实测临界荷载N = 140.27kN试验数据整理与分析7.1实验数据处理2C-T副1QQQV图8荷载应变曲线7.1.2荷载位移曲线图9荷载位移曲线装!图10中-九曲线!7.2承载力分析i实测承载力小于欧拉荷载，大于规范计算的荷载，推测差异原因如下：I(1)欧拉公式采用的是“理想压杆”建立模型，在计算中不考虑诸如初偏心、初弯曲、残余订应力等因素。而试验中的构件往往是存在缺陷的，这些初始缺陷使构件在受力的一开始就会出现1弯曲变形，因此造成了实际承载力小于欧拉荷载。1(2)规范采用以初弯曲为1/1000，选用不同的截面形式，不同的残余应力模式计算出近200I条柱子曲线，这些曲线呈相当宽的带状分布。然后根据数理统计原理，将这些柱子曲线分成a、b、|c、d四组。这四组曲