《建筑力学》实验指导书

《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PS、Pb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。

二、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，卸载规律、颈缩、断裂等现象；绘制Jp——AL曲线如图2—1(a)所示：

记录试件的屈服抗力Ps和最大抗力Pb,试件断裂后，测量断口处的最小直径dl和标距间

的距离LL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。

图2一1低碳钢拉伸图及压缩图

强度指标：

P血2

其中A=一

屈服极限从4

强度极限A

塑性指标：，，

8in=-l-x100%

延伸率L

d2-d2

V=-1x100%

断面收缩率42

2.低碳钢的压缩实验

实验前，测量试件的直径d和高度h。实验时，观察低碳钢试件压缩过程中的现象，绘

出P—4L曲线，测定试件屈服时的抗力Ps,从而计算出低碳钢的屈服极限：

o=5.

sA

四、灰口铸铁的拉伸和压缩实验

1.灰口铸铁的拉伸实验

实验前测定试件的直径d。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P——AL曲线如图2—2（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：

图2—2灰口铸铁拉伸图及压缩图

2.灰口铸铁的压缩实验

实验前测定试件的直径d和高度h。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P——AL曲线如图2—2（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

。尸“

bA

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。按卜.传感器选择键：“拉”。根据低碳钢A3）试件直径

为10伽的承载力，大约在，10kN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

（】）低碳钢试件拉伸甘，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、压缩实险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粕并使其上下移动，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记录仪的画板上摆正，纸开关置于HOLD吸住记录纸。

（2）检杳或调整量程旋钮Y2或Y1坐标应置于10mV/cnc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油的输入开关置于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2~10mm/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。屈服段之后，可提高加

载速度，按下omm/min键或按下10nun/mino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ZERO以防止画笔乱画乱动。

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lOOkN。

⑶用速度2nun/min加压，使上压头接触试样（荷载整元可显2〜3kN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5nmi/min。

<5>试样不会断裂，曲线画到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P——AL曲线绘在一张图纸上，两根压缩试件的P——AL

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健应置于原始位置，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骗机压头的中心位置，如没有对中会产生什么影响？

3.说明铸铁和低碳钢断I」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P的测定实验

一、实验目的

①学习使用双向引伸计测量材料的弹性模量E和泊桑匕口。

②学习使用电阻应变仪。

③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2—3。由于双向引伸计

是一个娇弱的仪器，可调范用小，装卡时易损坏，故小由学生装卡，在这里也就小介绍双向引

伸计的装卡过程。双向引伸计主要由A、B、C、D杆、主体和弓形曲板组成。图中A、C杆间

和B、D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。

当试件承受轴力伸长时，装夹在试件上的双向伸计的A、C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

桥虢路.当A.B杆产生弯曲变形时，电桥就有电信号饰出，经过换算可以得到试件的双向

应变值。试件承受轴向拉伸后，横向尺寸要减小，即A、B杆及C、D杆间的距离缩短，这时

贴在弓形曲板上的应变片被拉冲，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

Ac

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

A8_KAc

纵一1纵纵平

Ac=KAc

横一2横横平

注意：式中的々纵和*2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

料的弹性模量E值和泊桑比口值：

M

AcA址纵

纵

四、实验操作步骤

1.sY-m型应变仪调试

（1）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、B、C、D分别接于应变仪背板上A、B、C、D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卜吃°

（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±1四均可。

（5）按下平衡键，用改锥调节调零电位器，使显示值为零或±1即均可。

（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/min”键。

3.加载顺序

5kN——lOOmV或5kN——10mV

10kN——200mV或10kN——20mV

15kN——300mV或15kN——30mV

20kN——400mV或20kN——40mV

4.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：玻速度单元的“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

一、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。

二、仪器设备

弯扭试验台、电阻应变仪。

图2—8纯弯的试验装置

三、弯扭试验台

弯扭试验令可以做弯曲试脸、扭转试验，以及弯曲-扭转的组合试验。这里哲时只叙述其

弯曲试验部分，其纯弯曲的加载系统如图2-8,试样简支于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2—9。

小I+.*El

L______420_______J

500N—I000N—I500N-2000N

图2—9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：

My

o-.......-

式中，M为横截而上的弯矩，Iz为梁横截而对中性轴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AP，

£,求出各点应力增量b。

测定各点相应的应变增量一次，分别取应变增量的平均值实平实

O=£­£Q=包1_

实“实平理/

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:

A"=—APx170(A/-mm)

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。为了测豉应变随试件截面

高度的分布规律，应变片的粘贴位置如图2—10。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-III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。

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.根据各测点放变增量的平均值，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，可计和出在等量荷

载作用下，各测点理论应力值。

5.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:

。厂制xioo%

。理

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，就认为测试是可匏的。

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£实力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扫矩。

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、弯扭试验装置

穹扭试验台用于穹曲试验，已在上一节中谈到。现在主要叙述其穹扭组合试验系统，其穹

扭加载的装置如图2—11。弯初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•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2—12。

图2—11弯扭试验装苴图

四、弯扭组合作用时主应力的测量

1.应变片布置

由图2-13可看出，A点与C点单元体都承受由M产生的弯曲应力uw和由扭矩Ml产

生的剪应力丁的作用。B点单元体处于纯剪切状态，其剪应力由扭矩Ml和剪力Q两部分产

生。这些应力可根据下列公式计算。

图2—12试样受力图（尺寸单位：mm）

O一四

W_

71/53

W=a4)

32。~

M

T=—L

rW

P

…2。

bl_A

从上面分析看来，随试件的A点、B点、C点上分别粘贴一个三向应变片如图2-14,

就可以测出各点的应变值，并进行主应力的计算。

图2—13单元体图图2—14应变片的布置

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2—15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/45Q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式，即

*y

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

在弯扭组合的构件匕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。

图2—16测量弯矩的接桥方式

利用图2-16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VB，，

选用C点沿轴线方向的应变片接入电桥的温度补偿臂ITC，,这样组成仪器测量的外部半桥

如图2—16。

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

图2—17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2-17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皆

如图2一17。

由于B点处于弯曲的中性层，所以弯矩的作用对应变片没右.影响。在扭转力矩作用下，

应变片a受到伸长变形接于桥臂A，B，，应变片b受到压缩变形接于桥臂夕C，.由于接入

相邻桥臂既自身温度补偿，乂使应变读数增加•倍。此处弯曲剪应力较小而未加考虑。

1

£=£__F

12读数一3

再根据广义虎克定律求得得和。3。由于在纯剪切状态下。=°1,则可进一步计算出内

力---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。所以如此接标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%以内都是正常的。

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，采用半柝测量时，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

一.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户。

2.理论计算两端较支撑条件卜细长压杆的临界力P并与实验值测试值进行比较。

1}

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(己粘贴应变片)

3.YJ-4501静态数字电阻网变仪一台

三.实验原理和方法

图1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,传感落

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65Mn,弹性模量E-210GW*

对于两端钱支的中心受压的细长杆，

H2EI

其临界压力为P=——皿

U/2

I~压杆长度

1.~压杆截面的最小惯性矩

假设理想乐杆，若以压力P为纵坐标，压杆中点挠度/为横坐标，按小挠度理论绘出

的P-/曲线图，见图4。当压杆所受压力P小于试件的临界压力％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-/曲浅图中即为0C段直线：当压

杆所受压力户之夕时，

U

杆件因丧失稳定而弯曲，在P--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，则在工=/处

2

横截面上的内力为M=Pf,N=—P

x=r

2

PMv

横截面上的应力为CT=-_±__

A/

min

P

图5

在工=二处沿压杆轴向已粘贴两片应变片，按图3(b)半桥测量电路接至应变仪上，

2

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

£

M引起应变的两倍，即£二1

M2

Mh

Me

由此可得测点处弯曲正应力。=_=

1M2

minmin

并可导出x=_处压杆挠度/与应变仪读数应变之间的关系式

2

rEI

j=min£

Phd

由上式可见，在一定的力P作用下，应变仪读数应变£的大小反映了压杆挠度/的大

d

小，可将图4中的挠度/横坐标用读数应变£来替代，绘制出P-£曲线图。当P远小于P

ddij

时，随力P增加应变£也增加，但增加的极为缓慢(0A段)：而当力P趋近于临界力P时，

</U

应变2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

d

位置来确定临界力尸。

IJ

四.实验步骤

1.将压杆安装在两端被支承中间；

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

G.旋转手轮对压杆施加载荷。要求分级加载荷，并记录P值和。值，在P远小于P段,

dlj

分级可粗些，当接近P时，分级要细，直至压杆有明显弯曲变形，应变不超过1000。

五.实验结果处理

1.根据实验设计实验数据记录表格

绘制P-£试验曲线，确定临界力测试值P

dlj

3.计算两端钱支的临界力值P

y

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是由哪些因数引起的？

记录表

津工载荷读数应变（性:）

PAP%加Pd

1

2

3

4

5

6

7

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