鋼梁整體穩(wěn)定性實驗結(jié)果分析

王 亮,樂風江

(新疆大學建筑工程學院,新疆 烏魯木齊 830008)

梁是結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件,梁的整體失穩(wěn)可能導致整個結(jié)構(gòu)喪失承載能力,甚至造成嚴重的工程事故。在高等院校中為學生開設(shè)鋼梁整體穩(wěn)定性實驗,可以提高學生對穩(wěn)定性理論的感性認識,加深理論知識的理解。然而,往往實驗的數(shù)據(jù)所得結(jié)果與規(guī)范公式相差較大。如何對實驗結(jié)果進行分析,找到影響實驗結(jié)果的各種因素,使實驗的精度得到進一步提高,尚需要做深入的工作,從而加深對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論的認識和理解。

1 工字型截面鋼梁喪失整體穩(wěn)定性實驗概況

為了提高學生對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的理論認識水平,我校近些年為學生開設(shè)了鋼梁整體穩(wěn)定性實驗,實驗采用工字型截面組合鋼梁。加載設(shè)備采用 Q30B-02-00高精度液壓油缸伺服系統(tǒng),用DH 3818靜態(tài)電阻應變儀進行上下翼緣的應變測量,百分表測量側(cè)向及豎向位移。

下面僅抽取 1組(3根)典型的實驗進行分析研究,3根尺寸完全相同編號分別為 1號、2號、3號,材料為 Q235-B鋼,支座采用自制夾支支座,利用分配梁加載。1#至 4#和 5#至 8#測點讀數(shù)分別表示上下翼緣應變值 ε。1#至 6#和 7#百分表分別測量鋼梁側(cè)向及豎向位移,實驗模型及加載方式如圖 1及圖 2。

圖1 鋼梁具體尺寸

鋼梁開始加載后,首先出現(xiàn)豎向位移同時伴隨有側(cè)向變形,但豎向變形數(shù)值較小,上下翼緣應變逐漸增大。在荷載達到一定程度的時候,豎向位移較為明顯,側(cè)向位移也逐漸緩慢增大,當荷載達到某一數(shù)值,鋼梁出現(xiàn)較為突然的側(cè)向扭曲(側(cè)向變形變得很大)不能繼續(xù)承載,從而喪失整體穩(wěn)定,如圖 3所示。

實驗時每加 1級荷載,穩(wěn)定 5min左右再讀數(shù)。記錄應變值 ε及撓度值,并繪制出 P-ε、P-f曲線。

圖2 試驗梁加載

圖3 試驗梁破壞

1號鋼梁得到 P-ε、P-曲線如圖 4,圖 5所示。

圖4 1號鋼梁荷載 -應變曲線

圖5 1號鋼梁荷載 -撓度曲線

2號鋼梁得到 P-ε、P-f曲線如圖 6、圖 7所示。

圖6 2號鋼梁荷載 -應變曲線

圖7 2號鋼梁荷載 -撓度曲線

3號鋼梁得到 P-ε、P-f曲線如圖 8、圖 9所示 。

圖8 3號鋼梁荷載 -應變曲線

圖9 3號鋼梁荷載 -撓度曲線

由于發(fā)生突然的側(cè)向扭曲,最后一級讀數(shù)沒有來得及讀出,但其結(jié)果應與 1、2鋼梁相近,取 3號鋼梁的極限荷載為97.76 kN,Mcr=(P/2)×500=24.44 kN·m。

取 3根鋼梁所得臨界彎矩平均值為實驗測得臨界彎矩,即 Mcr=24.27 kN·m。

2 鋼梁整體穩(wěn)定性實驗結(jié)果分析

通過規(guī)范公式、靜力法和能量法對臨界彎矩 Mcr公式進行計算。

2.1 鋼梁的臨界彎矩理論值

(1)由規(guī)范中對鋼梁整體穩(wěn)定部分說明得,鋼梁整體穩(wěn)定性驗算公式為:

(2)由三軸平衡方程關(guān)系(靜力法),列出平衡微分方程:

(3)實驗采用兩點加載能量法,力分別為 P/2,列出總勢能方程為:

把所得數(shù)據(jù)結(jié)果代入靜力法和能量法所得臨界彎矩式式(1)、式(2)、式(3)中得:

2.2 實驗數(shù)值與理論值對比分析

實驗所得結(jié)果與規(guī)范公式、靜力法、能量法所計算的數(shù)據(jù)分別相差 21.88%,10.18%,25.92%。

根據(jù) 3組實驗與理論值結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),理論公式和規(guī)范公式解得的臨界彎矩的結(jié)果都與實驗所得結(jié)果有一定的偏差。究其原因,有以下幾點因素影響:(1)由于實際設(shè)計出的鋼梁要為人們所應用,應當更安全一些,實際鋼梁要比理論公式計算的結(jié)果偏大;(2)學生做實驗時,完成測量、記錄等工作時,產(chǎn)生一定誤差,鋼梁放置時有一定初偏心和鋼梁有殘余應力的作用;(3)實驗儀器輸出結(jié)果有一定誤差。

3 結(jié)論

本實驗通過對鋼梁的實際破壞過程的觀察,位移和應變隨荷載的變化,實驗結(jié)果與規(guī)范和理論結(jié)果的對比,使學生對鋼梁整體失穩(wěn)有更深刻的認識,加深了對整體穩(wěn)定的學習。以后要繼續(xù)開設(shè)此實驗,讓學生能更好地對鋼梁整體失穩(wěn)有深刻的了解。但要對實驗認真對待,使所得結(jié)果更加精確,讓學生鍛煉更嚴謹求實的專研精神。

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