薄壁矩形管受压柱的局部稳定试验报告.docx

钢结构基本原理课程实验报告OR+、母TONGJIUNIVERSITY薄壁矩形管受压构件局部稳定实验报告试验名称薄壁矩形管受压柱的局部稳定试验试验课教师周锋姓名汪凡学号1251051联系方式1Iwangfan理论课教师吴明儿期2014年11月4日钢结构基本原理实验报告一-薄壁矩形管受压构件局部稳定实验姓名：汪凡学号：1251051一、 实验目的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 .通过试验观察薄壁构件的局部失稳现象。3 .通过试验观察薄壁构件的屈曲后性能。4 .通过试验观察薄壁构件板组约束现象。5 .将理论承载力和实测承载力进行对比,验证薄壁构件局部屈曲临界压力和屈曲后承载力的计算公式。二、 实验原理2.1 轴心受压实腹式构件局部失稳临界力的准则轴心受压实腹式构件局部失稳临界力的准则有两种：一种是不允许出现局部失稳，板件受到的临界应力。应小于局部失稳的临界应力。cr,。£。仃；另一种是允许出现局部失稳，并利用板件屈曲后的强度，要求板件受到的轴力N应小于板件发挥屈曲后强度的极限承载力Nu,N<Nuo2.2 四边简支矩形板的弹性屈曲机理图1所示为一两端受均布压力N=t的弹性简支矩形薄板，t为板的厚度。当压力NX逐渐增加到屈曲临界力时，平板就开始屈曲，屈曲挠度用W表示。屈曲成若干个半波（m>l）图1矩形薄板的屈曲根据弹性理论，板在纵向均布压力作用下，板中面的屈曲平衡微分方程为d'wc3'卬v.w八以苏+2旅尸谈)+M*=。式中D一一板的单位宽度的抗弯刚度，12(13)U钢材的泊松比。对于简支矩形板，方程的解W可用下列双重三角级数表示:nx.nvSUlab上式满足四个简支边上挠度和弯矩均为零的边界条件，式中m为X方向的半波数，n为y方向的半波数，a和b分别为板的长度和宽度。将代入式，可得NX的临界值NXCr,NXeTDJttb 。、2b2ymb当n=l时，临界力NXCr最小。物理意义是：当板屈曲时，沿y轴方向只有一个半波。因此临界力为式中，k为板的稳定系数，对于均匀受压的简支矩形板,mba二F+/取X方向半波数m=l,2,3,4等，可得到图2所示k与a/b的关系曲线。其物理意义是：当板屈曲时，沿y轴方向总是有k为最小值的半波数。如当a/b时，板屈曲成一个半波；当或<a/b<历时，板屈曲成二个半波；当<a/b<l时，板屈曲成三个半波，等等。图2纵向均匀受压简支矩形板的稳定系数k从图2中还可以看出，最小的稳定系数Z=4,在ab>1时，k值没有多大变化,差不多都等于4。因此，对于纵向均匀受压的简支矩形板可取Z=4o将代入式得临界应力表达式-vxa12(l-2)(b ,2.2板组约束对弹性屈曲荷载的影响截面由多块板件组成，故应考虑板组间的约束因素。即k值应包括板组间的约束系数C对箱形截面，有0.38-(tct0by片=(2+)?10二+32.3矩形四边简支班屈曲后的性能由于板屈曲后板面内有横向的薄膜张力，其对板的进一步弯曲起约束作用，使板件能够继续承受更大的压力。¾尹Jy图3板屈曲后，板面内应力分布规律板屈曲后强度的计算可以采用有效宽厚比计算。有效宽度的计算采用经验公式；（1-0.22；）aAo其中瓦一一板间的有效宽度;b板件的实际宽度;e一一板件采用有效宽度时的应力;板件失稳时的稳定系数。三、试件设计Bl我而锢试件实测几何参数和力学性能：名义截面和实测截面有差别，实测3各截面:实测截面单位平均值截面1截面2截面3截面宽度Blmm99.4099.3399.2099.67截面宽度B2mm199.73199.60199.40200.20板厚Tlmm2.482.482.512.46板厚T2mm2.472.472.432.52板厚T3mm2.482.482.512.46板厚T4mm2.472.472.432.52平均板厚Tmm2.48试件长度Lmm400.10400.10400.10400.10拉伸实验测量钢材力学性能:材性试验单位屈服强度fyMPa267.00弹性模量EMPa206000.00拉断强度fuMPa402.00四、测点布置根据失稳半波数合理布置应变片:段中戳面应变片布置情况50一 50跨中截面位移计布置情况应变片及位移计的实际布置如下:五、实验装置及加载方式5.1 实验装置：千斤顶，油压传感器，位移计，应变片，数据采集板。千斤顶为加载设备，由千斤顶及反力梁施加压力；压力传感器测定荷载值；纵向位移计测量试件侧向位移，竖向位移计测量试件纵向伸缩变形；应变片测量试件纵向应变；5.2 加载方式千斤顶通过厚钢板将荷载施加于构件两端，并调整使之作用点与截面形心尽量重合。视为均布轴心荷载。正式加载之前要进行预加载。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。六、承载力估算6.1按四边简支梁不考虑板组约束计算屈曲临界承载力计算公式：cr12(1-)UJPxcrO=crA单位宽面B2窄面Bl钢材的泊松比U0.30.3t/b0.01240.0249考虑板组约束局部失稳临界。crMPa114.8463.5截面面积Amm*2495.3246.5考虑板组约束失稳临界对应的荷载PcrOkN170.36. 2考虑板组约束计算屈曲临界承载力临界力公式：-÷=i板组约束系数:0.38l-(rcr0)2稳定系数:r=(2+单位宽面B2窄面Bl约束系数C0.505考虑板组约束后的稳定系数k5.06板组约束系数X1.26考虑板组约束局部失稳临界。CrOMPa182.8截面面积Amm2195.3246.5考虑板组约束失稳临界对应的荷载PcrOkN271.37. 3考虑屈曲后强度有效宽度经验公式:单位宽面B2窄面Bl采用有效宽度时的应力。eMPa267.00267.00局部失稳临界OCrMPa114.8463.5板件的等效长细比人。1.5250.759有效宽度比be/b0.5610.936有效宽度bemm112.193.0有效面积Aemm2277.9230.6考虑屈曲后强度的承载力PUOkN271.5七、实验现象及结果7.1实验现象在初始加载时，变形主要表现为竖向变形，侧向变形不明显。随着荷载的增加侧向变形逐渐增大。最终试件在长边纵向屈曲成三个半波，短边形变不明显，形成薄壁构件的局部失稳，实际屈曲形式表现为：上部、下部凸出，中部凹陷。当随着应变和位移的增大，荷载不再增加时，试件达到了其极限承载能力。试件最终破坏形式：局部失稳。8. 2实验数据处理删掉不合理的数据，用EXCCI软件处理数据，绘制图形。荷载一位移曲线荷载-应变曲线250,八、实验结果的分析9. 1实验设计的是轴心受压的方矩形管的局部失稳，但是从29-6和29-2这两个对称位置的应变数据的差值判断，该试验中集中荷载有偏心情况。由£二?一名得到应变差，炉=丝得到曲率，h又Ely=M,M=Afe求得偏心距。采用稳定阶段的29-6和29-2的数据，计算可得偏心距C=Mrnm.8. 2通过观察试验中宽面和窄面的变形关系可以发现板组之间的协调关系。实验过程中由于板组间的约束，屈曲出现的时间较晚。宽面由于受到窄面的约束，在开始阶段变形不明显，随着荷载的增大，板组约束减小，屈曲发展并加快。宽面先发生屈曲。由于宽面对窄面的约束作用，在试件破坏时窄面变形较小，屈曲现象不明显。9. 3实验破坏最终为塑性破坏。当板件屈服时达到屈服应变：=v=2WXI°-=296×106m=1296z/w-vE2.06×IO5×106从实验数据中可以看到29-2、29-3.29-7先到达屈服，29-6随后达到屈服，29-4、29-8、29-5随后依次屈服。大部分区域达到屈服应变，表现出了钢结构良好的延性。8.4板件的破坏最终为强度破坏。对实验数据分析得到，板件的破坏过程为先开始屈曲，而后产生屈曲后强度，且该强度较大，可使其继续承载，最后为强度破坏。最终极限荷载为208.839KN，误差b=四潜曜=0.3208.839该最终荷载更接近于未考虑屈曲后强度的数值。但是从实验现象上看，板组相关性、板件屈曲后强度均有所体现，故实验误差产生的原因可能是荷载的偏心、试件材料的不均匀性等造成，使得失稳临界荷载比理论分析结果较小。