鋼梁整體穩(wěn)定教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

郭小農(nóng)　秦朗　黃瑋嘉等

摘要：穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，配合土木工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程的教學(xué)，同濟(jì)大學(xué)在國內(nèi)率先構(gòu)建了鋼結(jié)構(gòu)多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)的結(jié)合。鋼梁整體穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)是觀賞性較強(qiáng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，然而，數(shù)年的教學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：原鋼梁夾支支座會(huì)導(dǎo)致整體穩(wěn)定承載力偏高，從而影響教學(xué)效果。為了準(zhǔn)確模擬鋼梁的約束條件，文章對(duì)原有支座進(jìn)行了改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近理論值，收到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：教學(xué)實(shí)驗(yàn)；鋼梁整體穩(wěn)定性；夾支支座

中圖分類號(hào)：TU391；G642423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10052909（2015）01012304

鋼結(jié)構(gòu)是土木工程最重要的專業(yè)必修課程之一，各高校的土木工程專業(yè)都開設(shè)有此課程。在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，穩(wěn)定問題既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。由于鋼材重量輕、強(qiáng)度高，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常較輕較薄，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，穩(wěn)定問題是控制鋼結(jié)構(gòu)承載能力的主要因素，是貫穿整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)[1]。同時(shí)，與普通的強(qiáng)度問題相比，穩(wěn)定問題的概念更加抽象，公式更加復(fù)雜，給學(xué)生的理解和掌握造成了一定的難度，是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)[2]。

教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，單純的課堂理論講解很難收到理想的教學(xué)效果。故筆者所在的國家級(jí)“鋼結(jié)構(gòu)”教學(xué)團(tuán)隊(duì)，不斷改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的教學(xué)方法，改善鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定教學(xué)的硬件和軟件條件，開發(fā)了和理論課程配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)[3，4，5]。鋼梁整體穩(wěn)定性教學(xué)實(shí)驗(yàn)是觀賞性較強(qiáng)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中選擇了最典型的H型截面鋼梁，通過吊籃對(duì)鋼梁施加跨中集中荷載（圖1），演示鋼梁的整體彎扭失穩(wěn)過程（圖2），得到鋼梁的極限承載力。實(shí)驗(yàn)充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，使學(xué)生了解了H型截面受彎構(gòu)件發(fā)生整體彎扭失穩(wěn)的失穩(wěn)過程和破壞模式；認(rèn)識(shí)了受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力的影響因素及其計(jì)算方法；掌握了受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法。

在鋼梁整體穩(wěn)定性教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，由于未考慮初始缺陷和殘余應(yīng)力的影響，按照彈性穩(wěn)定理論計(jì)算出的臨界彎矩Mcr應(yīng)高于實(shí)驗(yàn)所得的極限彎矩Mu。然而，同濟(jì)大學(xué)多年來的教學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鋼梁的極限彎矩Mu比彈性臨界彎矩Mcr高很多，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確極大影響了教學(xué)效果。通過分析發(fā)現(xiàn)，原有實(shí)驗(yàn)鋼梁支座達(dá)不到理想的約束條件，故筆者對(duì)原有支座進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

一、原有支座及其教學(xué)效果

圖1為進(jìn)行H型截面梁整體穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)采用的加載裝置，梁跨中集中加載。在梁中央設(shè)置加載板，加載板開孔后通過鋼索與測力傳感器相連，測力傳感器下懸掛吊籃，實(shí)驗(yàn)時(shí)將重物依次放入吊籃中以實(shí)現(xiàn)豎向懸吊重物加載，該吊載隨構(gòu)件平面外側(cè)向位移可實(shí)現(xiàn)跟動(dòng)，荷載值由測力傳感器測出。在實(shí)驗(yàn)加載過程中，隨著荷載的增加，試件發(fā)生彎扭失穩(wěn)，整個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生很大的側(cè)向位移和扭曲變形，破壞時(shí)的試件如圖2所示。

二、原有支座約束剛度分析

為了分析原有夾支支座對(duì)鋼梁的實(shí)際約束情況，圖5將原有夾支支座簡化為6個(gè)彈簧。其中，k1表示鋼梁下翼緣處的軸向約束彈簧剛度；k2表示鋼梁下翼緣處繞強(qiáng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束彈簧剛度；k3表示鋼梁上翼緣側(cè)向平動(dòng)約束彈簧剛度；k4表示鋼梁下翼緣側(cè)向平動(dòng)約束彈簧剛度；k5表示鋼梁上翼緣繞弱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束彈簧剛度；k6表示鋼梁下翼緣繞弱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束彈簧剛度。

三、改進(jìn)支座

根據(jù)對(duì)原有支座約束剛度的分析，可以得到改進(jìn)支座（圖7）。改進(jìn)支座由底座、軸、定距套、活動(dòng)立桿、滾動(dòng)軸承、軸端擋圈、柱端擋板、螺桿、螺母、螺栓、墊圈等零件構(gòu)成。軸由軸端擋板和螺栓固定在底座上，軸上用定距套固定滾動(dòng)軸承，使軸承沿軸向不能移動(dòng)。活動(dòng)立桿能在軸和底座上滑動(dòng)，可由螺桿和螺母固定。底座上固定立桿和活動(dòng)立桿上各有一個(gè)滾動(dòng)軸承，軸向固定，繞軸可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)加載時(shí)，工字鋼梁端下翼緣置于軸上滾動(dòng)軸承上，上翼緣側(cè)面分別與支座固定立桿與活動(dòng)立桿上2個(gè)滾動(dòng)軸承相接觸。

由于底桿上采用了滾動(dòng)軸承，將滑動(dòng)摩擦改為了滾動(dòng)摩擦，因此可以認(rèn)為k1和k2的值為零；另外，改進(jìn)支座的立桿截面比原有支座增大了很多，故k3和k4的值更加接近于無窮大；最后，由于在立桿上也設(shè)置了滾動(dòng)軸承，故k5和k6的值也為零。綜上，改進(jìn)支座的約束條件更加接近于理想夾支支座。

使用改進(jìn)支座與原有支座進(jìn)行鋼梁整體穩(wěn)定性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，試件1的兩端采用了新設(shè)計(jì)支座，試件2的兩端采用了原有支座。表2列出了試件1和試件2的實(shí)驗(yàn)極限彎矩Mu、彈性臨界彎矩Mcr、邊緣屈服彎矩My和全截面塑性彎矩Mp比較結(jié)果。從表2可以看出，試件2的極限彎矩為臨界彎矩的1.27倍，與往年使用原有支座的實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近；而試件1的實(shí)驗(yàn)極限彎矩為臨界彎矩的0.99倍，采用新支座的試驗(yàn)結(jié)果更加接近于理論值。采用新支座進(jìn)行教學(xué)試驗(yàn)，可以獲得更好的試驗(yàn)結(jié)果，收到更加良好的教學(xué)效果。

四、結(jié)語

文章分析了鋼梁整體穩(wěn)定教學(xué)試驗(yàn)中鋼梁支座的約束剛度，對(duì)原有支座進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步完善了鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完善了鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)模式。采用改進(jìn)支座進(jìn)行教學(xué)試驗(yàn)，可以獲得更加準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，加深了學(xué)生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的理解，開闊了學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，收到了更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈祖炎，陳揚(yáng)驥，陳以一. 鋼結(jié)構(gòu)基本原理（第2版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]郭小農(nóng)，羅永峰，蔣首超，等. 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定教學(xué)研究[J]. 高等建筑教育，2011，20（2）：46-48.

[3]王偉，趙憲忠，郭小農(nóng)，等. 鋼結(jié)構(gòu)多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制與實(shí)踐[J]. 高等建筑教育，2009，18（2）：102-104.

[4]李國強(qiáng)，陳以一，朱合華等. 土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)工程課程體系與教學(xué)內(nèi)容改革總體方案[J]. 高等建筑教育，2002，11（2）：53-54.

[5]郭小農(nóng)，王偉，蔣首超，等. 鋼結(jié)構(gòu)基本原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J]. 高等建筑教育，2011，20（1）：149-154.