工字鋼梁抗彎實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐★

周云開(kāi) 閆 健 麥琦堅(jiān) 黃學(xué)良

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

1 概述

鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、工業(yè)化程度高、施工周期短、可塑性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等綜合優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)廠房、市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、文教體育建設(shè)、電力、橋梁、海洋石油工程、航空航天等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

組成鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件形式多樣，可以是單根的型鋼，也可以是各式各樣的組合鋼構(gòu)等；鋼材的類(lèi)型繁多，有熱軋鋼板、型鋼、冷彎薄壁型鋼，其截面形式更是琳瑯滿目。因此，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度系數(shù)高、涉及的知識(shí)點(diǎn)多而散、計(jì)算公式復(fù)雜。作為引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)理論到實(shí)際工程的跳板，本院開(kāi)設(shè)了一個(gè)入門(mén)級(jí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——工字鋼梁抗彎實(shí)驗(yàn)。選擇工字鋼為梁體，一方面是工字鋼在各種受力構(gòu)件中應(yīng)用非常廣泛，另一方面工字鋼是一種雙軸對(duì)稱(chēng)截面型鋼，作為受力構(gòu)件往往獨(dú)立使用，其計(jì)算理論相對(duì)通俗易懂，學(xué)生容易掌握并激發(fā)其學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的興趣。

2 工字鋼梁抗彎實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路

以往的工字鋼梁抗彎實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施步驟從教師介紹實(shí)驗(yàn)儀器和材料開(kāi)始，進(jìn)而闡述實(shí)驗(yàn)步驟、預(yù)期結(jié)果。學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的思考和應(yīng)用不深入，循規(guī)蹈矩的實(shí)驗(yàn)教學(xué)未能充分激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力。筆者結(jié)合多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，以一個(gè)小組為試點(diǎn)，就激發(fā)學(xué)生自主動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了探索(見(jiàn)表1)。

3 工字鋼梁抗彎實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

掌握使用百分表測(cè)位移；掌握使用電阻應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)；掌握工字鋼梁抗彎強(qiáng)度理論計(jì)算；結(jié)合工字鋼梁抗彎強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案，呈現(xiàn)彈性工作階段工字鋼梁與理論靠近的反應(yīng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)用設(shè)備及材料

反力架、10 t千斤頂、手動(dòng)泵、測(cè)力儀、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀(DH3818-1)、百分表(0 mm～10 mm)、電阻應(yīng)變片(120.0 Ω±0.1 Ω，靈敏度系數(shù)2.0)、14號(hào)工字鋼(Q235)。工字鋼規(guī)格表及截面特性見(jiàn)表2，表3。

表1 工字鋼梁抗彎實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

表2 工字鋼規(guī)格表

表3 截面特性

3.3 擬加載裝置

模擬靜力荷載作用在梁的指定位置，觀測(cè)梁的變形、應(yīng)變等參數(shù)，以分析梁在靜力荷載作用下的工作性能和使用能力。

加載裝置如圖1所示，利用手動(dòng)泵控制的100 kN雙向液壓千斤頂通過(guò)分配梁對(duì)工字鋼梁施加兩點(diǎn)集中力的荷載；靜態(tài)應(yīng)變儀采集鋼梁上下翼及腹板全過(guò)程的應(yīng)變片數(shù)值；百分表測(cè)量鋼梁的豎向撓度。鋼梁四點(diǎn)受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3.4 擬加載步驟

加載步驟分成兩個(gè)階段：預(yù)加載和正式加載階段。

預(yù)加載：加載至P0=5 kN，加載、卸載反復(fù)2次，以消除初始狀態(tài)的各種無(wú)關(guān)因素引起的誤差，觀察實(shí)驗(yàn)裝置和儀器工作是否正常；預(yù)加載后將應(yīng)變儀、百分表重新調(diào)零或歸正。

正式加載：加載方案分級(jí)、緩慢加載，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并注意試件的變形情況。

當(dāng)加載至40 kN(彈性階段內(nèi))，停止加載，整理相應(yīng)的數(shù)據(jù)，加載結(jié)束，緩慢卸掉載荷，整理好所用儀器設(shè)備，清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，將所用儀器設(shè)備復(fù)原歸位。

3.5 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)工字鋼梁在載荷作用下發(fā)生彎曲變形時(shí)，工作片的電阻值將隨著鋼梁的變形而發(fā)生變化，通過(guò)電阻應(yīng)變儀可以分別測(cè)量出各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值ε實(shí)，然后根據(jù)虎克定律，計(jì)算出相應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力值σ實(shí)：

σ實(shí)=Eε實(shí)

(1)

其中，E為Q235工字鋼梁的彈性模量。

工字鋼梁彎曲變形時(shí)，鋼梁純彎曲段橫截面上的正應(yīng)力理論計(jì)算公式為：

(2)

其中，M，Iz分別為測(cè)點(diǎn)所在截面上的彎矩和該截面對(duì)中性軸的慣性矩；y為測(cè)點(diǎn)至中性軸的距離。

工字鋼梁四點(diǎn)受力過(guò)程，鋼梁最大撓度理論計(jì)算公式為：

(3)

(4)

3.6 影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能因素

1)工作片數(shù)量和粘貼的位置(見(jiàn)圖3)。入門(mén)級(jí)別的實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)工作片，于工字鋼梁的上翼緣、腹板、下翼緣分別貼上1個(gè)工作片(見(jiàn)圖3a))，采集最大壓應(yīng)變、中心軸應(yīng)變、最大拉應(yīng)變數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4)，以畫(huà)出該截面的應(yīng)力應(yīng)變分布圖(見(jiàn)圖5)。但由于加載與支座的接觸位置不是一個(gè)點(diǎn)，而是一條線，線上每個(gè)點(diǎn)并不能均等受力等情況，工字鋼梁在受力過(guò)程中，發(fā)生了豎向彎曲的同時(shí)可能發(fā)生側(cè)向彎曲，因此同一高度的翼緣不同位置的應(yīng)變可能不相同。同學(xué)們經(jīng)過(guò)研討和反復(fù)的試驗(yàn)，最后確定9個(gè)工作片的實(shí)驗(yàn)方案(見(jiàn)圖3b))，即在上翼緣、腹板、下翼緣分別貼上3個(gè)工作片，圖6為該方案截面的荷載—應(yīng)變曲線，截面的應(yīng)力分布圖如圖7所示，線條較之圓滑。

2)設(shè)置百分表的位置和數(shù)量。設(shè)置百分表的目的是測(cè)定梁的撓度，一般在跨中和1/4跨徑的截面處各設(shè)置一個(gè)百分表(見(jiàn)圖8a))，荷載—撓度曲線如圖8a)所示。但由于工字鋼的x軸截面特性與y軸不對(duì)等、受力點(diǎn)不均勻原因，受力過(guò)程橫截面?zhèn)确?，左右翼緣的撓度值不相同，如每個(gè)截面設(shè)置一個(gè)百分表，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能全面反映實(shí)際撓度發(fā)展情況，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)和分析，每截面增加一個(gè)表更優(yōu)(見(jiàn)圖8b))。

3)加載速度。靜載試驗(yàn)要求試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)不包含任何慣性作用和加速度的影響，加載設(shè)備對(duì)試件所施加的荷載應(yīng)保持穩(wěn)定，手動(dòng)泵加載盡量保持0.2 kN/s～0.5 kN/s的速度，加載速度過(guò)快，結(jié)構(gòu)反應(yīng)的誤差提高，如圖9所示，40 kN跨中撓度將隨著加載速度提高，實(shí)測(cè)值與理論值的相對(duì)誤差增大。

4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量小放大了個(gè)別數(shù)據(jù)的誤差。從圖4與圖6、圖10與圖11的曲線不難看出，分級(jí)加載的每級(jí)荷載越小，離散的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線越光滑。

5)不同電阻應(yīng)變儀的接線方法產(chǎn)生的相對(duì)誤差亦不同。

3.7 確定實(shí)驗(yàn)方案

同學(xué)們經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果因素、討論更優(yōu)的方案，從而確定最終的實(shí)驗(yàn)方案，并編寫(xiě)完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。除了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)用器材、加載裝置、實(shí)驗(yàn)原理等內(nèi)容之外，自行設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：

1)設(shè)計(jì)正式加載過(guò)程的分級(jí)加載的大小、加載速度、間隔停頓的時(shí)間；

2)確定電阻應(yīng)變儀的接線方法；

3)采集純彎段的應(yīng)力應(yīng)變分布數(shù)據(jù)的方案：確定選取的截面、工作片數(shù)量和粘貼位置，并繪制工作片的平面、立面布置圖；

4)采集梁的撓度數(shù)據(jù)的方案：設(shè)計(jì)百分表數(shù)量和位置，繪制百分表的立面、橫截面布置圖。

4 教學(xué)效果

所謂“理越辯越明，道越論越清”。從工字鋼梁的抗彎強(qiáng)度理論分析開(kāi)始，組內(nèi)的討論逐漸激烈，如判斷40 kN荷載是否超出14號(hào)工字鋼梁的彈性工作階段，哪一種接線方法的相對(duì)誤差較小，“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行”，工字鋼梁抗彎實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐取得了顯著的成效：

1)掌握用靜載實(shí)驗(yàn)?zāi)M梁受集中力作用下的受力過(guò)程；

2)經(jīng)過(guò)研討、反復(fù)試驗(yàn)的實(shí)踐過(guò)程，同學(xué)們對(duì)理論知識(shí)、各種儀器設(shè)備的工作原理有更加深刻的認(rèn)識(shí)；

3)在掌握了相關(guān)概念和理論知識(shí)的基礎(chǔ)上能輕松地對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值的差異，分析可能的原因，并基本掌握消除部分差異的實(shí)驗(yàn)手段；

4)同學(xué)們的實(shí)踐動(dòng)手能力有了顯著提高，團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)明顯增強(qiáng)；

5)在不斷地出現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中，同學(xué)們有了新的感悟。言談中，有的同學(xué)更堅(jiān)定了攻讀研究生的信念，有的同學(xué)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚的興趣，希望畢業(yè)后從事鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的工作。

工字鋼梁抗彎實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效顯著，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題：

1)課時(shí)長(zhǎng)難以把控。原計(jì)劃教學(xué)為4學(xué)時(shí)，即3小時(shí)。本項(xiàng)目以一個(gè)小組作為試點(diǎn)完成全部的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)際用時(shí)5 h，大于計(jì)劃教學(xué)時(shí)，隨著研討和反復(fù)推敲的次數(shù)增加時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)。

2)受設(shè)備數(shù)量的限制，每小組的人數(shù)達(dá)7人～8人，如能安排5人/組，其中組長(zhǎng)1名、控制加載1人、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集2人、百分表數(shù)據(jù)采集1人，人員參與度將大大提高。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)本科人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，夯實(shí)基礎(chǔ)、以點(diǎn)及面，激發(fā)學(xué)生自主動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)潛能。項(xiàng)目以工字鋼梁抗彎實(shí)驗(yàn)為試點(diǎn)，為開(kāi)展其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)改革研究作準(zhǔn)備，逐步提升整體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。此外，目前土木工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)面廣，其中鋼結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才的需求也越來(lái)越大，本次實(shí)踐教學(xué)改革也旨在通過(guò)感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)的結(jié)合，學(xué)生能對(duì)復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，提高從事鋼結(jié)構(gòu)工作的興致。