鋼梁整體穩定性實驗結果分析

王 亮,樂風江

(新疆大學建筑工程學院,新疆 烏魯木齊 830008)

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

1 工字型截面鋼梁喪失整體穩定性實驗概況

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

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,首先出現豎向位移同時伴隨有側向變形,但豎向變形數值較小,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,側向位移也逐漸緩慢增大,當荷載達到某一數值,鋼梁出現較為突然的側向扭曲(側向變形變得很大)不能繼續承載,從而喪失整體穩定,如圖 3所示。

實驗時每加 1級荷載,穩定 5min左右再讀數。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

由于發生突然的側向扭曲,最后一級讀數沒有來得及讀出,但其結果應與 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 鋼梁整體穩定性實驗結果分析

通過規范公式、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)由規范中對鋼梁整體穩定部分說明得,鋼梁整體穩定性驗算公式為:

(2)由三軸平衡方程關系(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:

把所得數據結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 實驗數值與理論值對比分析

實驗所得結果與規范公式、靜力法、能量法所計算的數據分別相差 21.88%,10.18%,25.92%。

根據 3組實驗與理論值結果對比發現,理論公式和規范公式解得的臨界彎矩的結果都與實驗所得結果有一定的偏差。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果偏大;(2)學生做實驗時,完成測量、記錄等工作時,產生一定誤差,鋼梁放置時有一定初偏心和鋼梁有殘余應力的作用;(3)實驗儀器輸出結果有一定誤差。

3 結論

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,實驗結果與規范和理論結果的對比,使學生對鋼梁整體失穩有更深刻的認識,加深了對整體穩定的學習。以后要繼續開設此實驗,讓學生能更好地對鋼梁整體失穩有深刻的了解。但要對實驗認真對待,使所得結果更加精確,讓學生鍛煉更嚴謹求實的專研精神。

[1]陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].北京:科學出版社,2006

[2]駱協操.鋼梁的整體穩定分析[J].甘肅科技,2008,24(5)

[3]夏建國.工字形鋼梁整體穩定性能的研究[J].上海鐵道大學學報,1999,20(2)

[4]童根樹,張磊.薄壁鋼梁穩定性計算的爭議及其解決[J].建筑結構學報,2002(3)