建筑力学实验报告指导手册.docx
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建筑力学实验报告指导手册
四川大学锦城学院
基础力学实验
实验指导书及实验报告
（合订本）
专业班级：
姓名：
学号：
指导教师：
四川大学锦城学院
土木和建筑工程系建筑力学实验室
年月日
《建筑力学》实验规则
一、每次实验前要做好准备，必须做到：
1、复习有关理论知识。
2、阅读实验指导书，基本上了解实验目的、内容、程序及有关仪器设备的主要原理和使用方法。
3、实验前指导教师按上述要求，检查学生准备情况，不合格者不得参加实验。
二、按照实验课程表所指定的时间，准时进入实验室，不得迟到早退。
三、以小组为单位，在老师的指导下进行实验。
1、实验小组长负责保管所有用具，组织分工，按实验步骤操作规程进行实验。
2、小组成员要有分工，并要互相配合，认真地进行实验，不得独自的无目的地随意动作，以保证实验正常进行。
四、严格遵守操作规程，爱护实验设备。
1、对仪器设备的使用方法不清楚时，应向指导教师提出询问，避免造成设备损坏。
2、按规定的实验步骤进行实验，不得随意改变实验方法和步骤。
3、对所用仪器，工具要注意保持整洁，不得随意乱丢。
4、实验中遇到异常情况或仪器损坏，小组长应立即报告指导教师进行处
理，不得使用非指定仪器。
五、实验准备完毕请指导老师检查允许后方可开动机器进行实验
六、遵守课堂纪律，保持实验室内安静和清洁实验完必要整理机器、工具、桌椅，按规定位置摆放好。
七、实验数据要有指导教师检查后，学生才可离开实验室。
八、按规定时间提交实验报告，报告要独立完成，书写工整，计算、图表等要清晰整齐。
《建筑力学》实验报告填写要求
建筑力学实验是工程类专业力学课程的重要组成部分，是学习理论和解决工程实际问题的有力方法，通过认真填写实验报告又可培养科学分析和计算能力，在填写报告必须注意以下几点：
一、实验数据须按实验步骤、方法测得，经指导教师检查无误后才可填入报告。
二、同一小组记录数据相同，但计算结果应由每个实验者独立完成。
三、填写报告时，字迹要工整，图表清晰、整齐，不许随意改动。
四、计算时，有效数字取一位小数即可，有关单位应注明。
五、按规定时间提交实验报告，不得无故延误。
《建筑力学》实验指导书
基本实验
（一）：
低碳钢和灰口铸铁的拉伸、压缩实验
一、实验目的
1．试样在拉伸或压缩实验过程中，观察试样受力和变形两者间的相互关系，并注意观察材料的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。
2．测定该试样所代表材料的PS、Pb和ΔL等值。
3．对典型的塑性材料和脆性材料进行受力变形现象比较，对其强度指标和塑性指标进行比较。
4．学习、掌握电子万能试验机的使用方法及其工作原理。
二、仪器设备和量具
微机控制电子万能材料试验机，钢板尺，游标卡尺。
三、低碳钢的拉伸和压缩实验
1．低碳钢的拉伸实验
在拉伸实验前，测定低碳钢试件的直径d和标距L。
试件受拉伸过程中，观察屈服（流动）、强化，卸载规律、颈缩、断裂等现象；绘制p——ΔL曲线如图2—1（a）所示；记录试件的屈服抗力Ps和最大抗力Pb。
试件断裂后，测量断口处的最小直径d1和标距间的距离L1。
依据测得的实验数据，计算低碳钢材料的强度指标和塑性指标。
图2—1 低碳钢拉伸图及压缩图
强度指标：
屈服极限
强度极限
塑性指标：
延伸率
断面收缩率
2．低碳钢的压缩实验
实验前，测量试件的直径d和高度h。
实验时，观察低碳钢试件压缩过程中的现象，绘出P—ΔL曲线，测定试件屈服时的抗力Ps，从而计算出低碳钢的屈服极限：
四、灰口铸铁的拉伸和压缩实验
1．灰口铸铁的拉伸实验
实验前测定试件的直径d。
试件在拉伸过程中注意观察和低碳钢拉伸试验中不同的现象（如变形小、无屈服、无颈缩、断口平齐等）；绘出P——ΔL曲线如图2—2（a）所示；记录断裂时的最大抗力Pb，从而计算出灰口铸铁的拉伸强度极限：
。
图2—2 灰口铸铁拉伸图及压缩图
2．灰口铸铁的压缩实验
实验前测定试件的直径d和高度h。
实验时观察灰口铸铁试件在压缩过程中的现象，尤其是断口形状；绘出P——ΔL曲线如图2—2（b）所示；记录压缩破坏时的最大抗力Pb，计算灰口铸铁压缩强度极限。
即
五、实验操作
1、打开总电源，打开电脑,打开控制器，打开油源。
2、打开电脑的软件，通过控制软件上面的加载，检查主机是否正常，如果软件上面的上升可以使主机位移发生变化，则系统正常。
检查夹紧松开是否正常，通过上下夹紧，松开按钮进行检查，如果正常则系统可以做实验。
3、调整横梁位置，安装好试件，做压缩实验的时候是放移动横梁的下面，做弯曲实验也是一样的，不过需要把弯曲的夹具放到主机上面，做拉伸实验的时候调整横梁来调整试件的夹紧空间。
4、试件安装好了后设置软件的各种参数，按照实验的不同选择不同的实验方法，设置不同的实验参数。
选择不同的运行方式，点击实验开始。
5、实验过程按照实验程序设计的各种参数运行，直到达到其中的一个条件，实验结束。
6、打印或输出实验报告，通过数据面板可以查看实验的结果。
7、如果需要继续实验按照实验的过程重复做一次，如果设置了几个试样可以在安装完试样后，点击实验开始就可以。
注意每次做完实验需要先卸下试件再卸载将主机复位到原始位置。
这样可以避免实验机的拉伸空间越来越小导致出现异常。
8、实验结束，清扫设备，关闭油源，关闭电脑，关闭控制器关闭总电源。
六、预习思考题
1.试比较低碳钢和铸铁在拉伸时的力学性能。
2.压缩时为什么必须将试件对准试验机压头的中心位置，如没有对中会产生什么影响？
3.说明铸铁和低碳钢断口的特点。
4.低碳钢和铸铁在拉伸、压缩中，各要测得哪些数据？
观察哪些现象？
基本实验
（二）：
扭转实验
一．试验目的
1.测定低碳钢的扭转屈服极限和强度极限。
2.测定铸铁的扭转强度极限。
3.观察低碳钢和铸铁的断口情况，并分析其原因
扭转试验是了解材料抗剪能力的一项基本试验。
本试验通过两种典型材料了解塑性（低碳钢）和脆性材料（铸铁）受扭转时的机械性能，绘制扭矩一扭角图。
并比较它们的破坏现象及原因。
扭转试验过程中，试件的断面形状和尺寸几乎一直不变，无缩颈现象，变形较均匀，可比较准确地测定试件变形及瞬时破坏应力。
关于扭转试验的要求及试件尺寸，可参阅国家标准《金属室温扭转试验方法》GB10128-88的规定。
二．实验原理
1.低碳钢园截面试件扭转时，其尺寸和形式视试验机而定。
在弹性范围内，扭矩T和扭转角
为直线关系（图4-1a）。
当扭矩超过比例极限扭矩
时，曲线变弯并逐渐趋于水平。
在屈服阶段时，扭角增加而扭矩不增加，此时的扭矩即为屈服扭矩
。
屈服后，圆截面上的剪应力，由边缘向中心将逐步升值到扭转屈服极限
（图4-1b），即截面材料处于全屈服状态，由此，可以求得材料的剪切屈服极限为：
图4-1a低碳钢扭转时的
曲线4-1b低碳钢扭转时横截面在全屈服下的应力分布
，其中
此后，扭转变形继续增加，试件扭矩又继续上升至C点，试件被剪断，记下破坏扭矩
，扭转强度极限
为：
铸铁受扭时，
曲线如图4-2所示。
从开始受扭，直到破坏，近似为一条直线，故其强度极限
可按线弹性应力公式计算如下：
图4-2铸铁扭转时的
曲线图4-3铸铁扭转时沿45o斜截面的应力
材料在纯剪切时，横截面上受到切应力作用，而和杆轴成45o螺旋面上，分别受到拉应力
和压应力
的作用（图4-3）。
低碳钢的抗拉能力大于抗剪能力，故试件沿横面剪断（图4-4a），而铸铁抗拉能力小于抗剪能力，故沿45o方向拉断（图4-4b）。
图4-4a低碳钢扭转破坏图4-4b铸铁扭转破
三．仪器和设备
1．微机控制扭转试验机
2．游标卡尺
四．试验方法和步骤
1、打开总电源,打开电脑，打开试验机主机电源。
2、打开扭转试验机的软件，选择通讯里面的联机。
3、查看软件上面的扭矩是否跳动，没有任何变化说明没有联机成功，需要检查线路，如果线路没有问题，请重启软件，再重新操作一次，正常情况下可以看到扭矩值是跳动的，扭矩值跳动，说明设备没有什么问题，可以正常做实验。
4、安装扭转的试样，通过主机上面的机械调零装置将安装后的扭转试样恢复到扭转值基本为零的位置，再次按下机械调零，让机械调零恢复不调零的位置，如果机械调零没有恢复原位，主机控制是不会有任何动作。
5、通过软件设置实验的各种参数，设置完毕后点击实验开始按钮，设备按照软件上面设置的各种参数运行。
6、实验过程可以通过参数设置，实验结束后，取下试件，在软件上面计算实验数据，打印或输出实验报告，如果需要继续实验请重复安装试件，点击开始，直到实验结束。
7、如果不需要继续实验，可以关闭程序，关闭主机电源，关闭电脑，关闭总电源，清理试验机上面的残渣。
整个实验过程完毕。
五．注意事项
1、加扭矩要均匀缓慢。
2、变换扭矩测量范围，要在加载前停机进行。
若要调整机器转速，也要停机进行，以免损坏传动齿轮。
六．预习要求
1、了解扭转试验的目的。
2、复习扭转变形的理论及试验原理。
3、自行设计实验记录格式。
七．试验报告要求
试验报告应包括：
试验名称。
试验目的。
仪器设备名称、规格、量程。
试验记录及结果，如低碳钢及铸铁扭转时的机械性能，图（用坐标纸绘制），两种试件破坏时的断口状态图等。
分析讨论低碳钢和铸铁破坏情况及原因，并和拉伸、压缩试验情况进行比较。
基本实验（三）：
冲击实验
一．实验目的
测定和比较不同材料的冲击韧度，并观察破坏情况。
二、实验设备
1、液晶显示冲击试验机。
2、游标卡尺。
三．实验原理
材料抗冲击的能力用冲击韧性表示。
冲击韧性一般通过一次摆锤冲击弯曲试验来测定。
试验用的材料必须按要求加工成标准试样，常用的标准冲击试样有两种：
一种为U型缺口试样，一种为V型缺口试样（图1）。
试样开缺口是为了在缺口附近造成应力集中和三向应力状态，使材料产生脆化倾向让塑性变形仅局限在缺口附近不大的体积范围内保证试样一次就被冲断，而且断裂就发生在缺口处。
铸铁、工具钢一类的脆性材料很容易冲断，试样可不开缺口。
试验时，试样以简支梁的形式（图2）安放在试验机的支座上，试样的缺口背对摆锤的刀口。
把重量为G的摆锤举至H的高度，摆锤获得的位能为GH，然后落锤将试样一次冲断（图3），此时摆锤的剩余能量为Gh，冲断试样消耗的能量G（H－h）就是试样的冲击吸收功，用Ak来表示，即：
Ak=G（H－h）
单位为焦耳J（N-m）或千克力·米（kgf·m），1kgf·m≈9.8J。
试样的冲击韧性定义为：
αk=Ak/A0，单位为J/cm2或kgf·m/cm2。
A0代表试样缺口截面的面积。
冲击韧度αK影响因素：
试件的绝对尺寸、缺口形状，实验温度等。
四．试验方法和步骤
1、检查试验机上面的冲击锤，看是否适应于当前的试样。
2、检查冲击试验机的冲击锤中心是否对中，先将冲击锤的中心对中（每台机器都配有一个冲击校准的刀）。
3、试验机上电，等待半分钟。
4、通过触摸屏选择当前冲击锤的能量大小，输入试样的参数。
按下触摸屏或者操作盒上面的扬摆，让试验机自动提升摆锤，听到答的一声，保护销起作用，摆锤自动锁住。
5、放置试样到冲击的刀口，手离开冲击的摆锤走的方向。
6、按下触摸屏或操作盒上面的退销按钮，听到答的一声，保护销退回原位。
7、按下触摸屏或操作盒上面的冲击，冲击锤从顶点往下面冲击，直到冲击能量耗尽，再往回摆。
8、冲击实验结束，在触摸屏上面显示冲击试样后试样吸收的能量。
不需要做实验时放摆，清理现场关闭电源。
注意：
冲击锤回摆的过程可能会继续回到冲击的顶点，然后关闭保护销，如需要将摆锤放下最低位置请先按下退销，然后再按下触摸屏或操作盒上面的放摆，摆锤回到最低点。
在实验过程当中注意安全，不要被冲击锤撞伤，人员远离冲击锤的摆锤线路，操作时尽量一个人操作，人员多了避免误伤。
五．结果整理
1．计算两种材料、不同缺口试样的冲击韧性值αk。
2．分析、比较两种材料抗冲击的能力。
3．画出两种材料、不同缺口试样的断口草图。
并比较低碳钢U型、V型缺口试样断口组织形貌的差异，说明其原因。
4．根据实验目的和试验结果完成实验报告。
六．试验报告要求
试验报告应包括：
试验名称、试验目的、仪器设备名称、规格、量程，试验记录及结果。
七．问题讨论
1．冲击韧性的物理意义？
2．冲击试样为什么要开缺口？
什么情况下可以不开缺口？
3．冲击韧性值αk的大小和什么因素有关？
为什么不能用于定量换算，只能用于材料间的相对比较？
4．分析、比较铸铁和低碳钢冲击断口组织形貌的差异，并说明低碳钢U型缺口和V型缺口试样断口形貌的异同。
八．注意事项
1．本实验要特别注意安全。
先安试件，后再升起摆锤，严禁先升摆锤，后安试件。
因为这样很危险。
2．冲击时，同学们一律不得站在面对摆锤运动的方向上，以免试件飞出伤人。
基本实验（四）：
纯弯曲梁截面上正应力的分布规律实验
一．实验目的
1．测定梁纯弯曲时沿其横截面高度的正应变（正应力）分布规律并和理论值进行比较
2．验证纯弯曲梁的正应力计算公式
二．实验仪器和设备
1．多功能材料力学实验台
2．纯弯曲梁
图4-1：
实验装置图
三．实验原理和方法
纯弯曲梁的材料为45号钢，其弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.31。
实验装置示意图如下：
图4-2：
实验示意图
试样简支于A、B两点。
在对称的C、D两点通过拉杆和横杆螺旋加载使梁产生弯曲变形，则CD段试件发生纯弯曲变形。
根据平面假设和纵向纤维间无挤压的假设，可得到纯弯曲正应力计算公式为：
式中：
M为弯矩；Iz为横截面对中性轴的惯性矩；y为所求应力点至中性轴的距离。
由上式可知，沿横截面高度正应力按线性规律变化。
实验可采用手动或自动加载方法，可以连续或逐级加载，载荷大小由传感器读出。
当增加压力ΔP时，梁的四个受力点处分别增加作用力ΔP／2，如下图所示。
图4-3：
纯弯曲梁受力示意图
为了测量梁纯弯曲时横截面上应变分布规律，在梁纯弯曲段的侧面各点沿轴线方向布置了3片应变片。
此外，在梁的上、下表面沿横向分别粘贴了应变片1#,5#。
如下图所示（单位:
mm）：
图4-4：
应变片粘贴位置
如果测得纯弯曲梁在纯弯曲时沿横截面高度各点的轴向应变，则由单向应力状态的胡克定律公式σ＝Eε，可求出各点处的应力实验值。
将应力实验值和应力理论值进行比较，以验证弯曲正应力公式。
四．实验步骤
1．检查或测量（弯曲梁试验装置）矩形截面梁的宽度b和高度h、载荷作用点到梁支点距离c，及各应变片到中性层的距离yi。
2．接通试验装置电源，检查实验装置是否正常工作。
3．分多次逐级加载，并记录各应变片在各级载荷作用下的读数应变。
4．卸去载荷，关闭实验装置电源，整理实验器具。
五．实验结果的处理
1．算出每增加ΔP时，各测点处平均应变增量
。
2．算出
3．利用公式算出各测点处的理论应力增量
。
4．利用公式计算相对误差。
5．将各点的
和
按相同比例绘在方格纸上，并分别连出横截面正应力实验分布曲线和理论分布曲线，将二图加以比较验证理论公式。
基本实验（五）：
材料弹性模量E的测定
一．实验目的
测定常用金属材料的弹性模量E。
二．实验设备
1、多功能实验台
2、弹性模量测试试件（拉伸试件）
图5-1：
拉伸实验装置图
三．实验原理
本实验和泊松比实验、偏心拉伸试验复用同一个试件，在试件上粘贴了3个应变片，2#和3#应变片用于弹性模量测试。
试件采用矩形截面试件，电阻应变片布片方式如图。
图5-2：
拉伸试件及布片图
弹性模量E的测定
由于实验装置和安装初始状态的不稳定性，拉伸曲线的初始阶段往往是非线性的。
为了尽可能减小测量误差，实验宜从一初载荷
开始，采用增量法，分级加载，分别测量在各相同载荷增量
作用下，产生的应变增量
，并求出
的平均值。
设试件初始横截面面积为
，又因
，则有
上式即为增量法测E的计算公式。
式中
—试件截面面积
—轴向应变增量的平均值
四．实验步骤
1、测量试件尺寸的基本尺寸。
2、调整好实验加载装置。
3、按实验要求接好线，调整好仪器，检查整个测试系统是否处于正常工作状态
4、均匀缓慢加载至初载荷P0，记下各点应变初始读数；然后分级等增量加载，每增加一级载荷，依次记录各点电阻应变片的应变值，直到最终载荷。
将实验记录填入实验报告。
实验完成后，卸掉载荷，关电源，整理所用仪器设备，清理实验现场，将所用仪器设备复原。
基本实验（六）：
弯扭组合作用下的电测试验
一．实验目的
用应变花测定弯扭组合应力状态下一点处的应变，并计算该点处的主应力。
二．实验仪器
多功能实验台
图6-1：
弯扭组合实验装置图
图6-2：
弯扭试验装置贴片位置图
三．实验原理
1、通过理论计算，求出A、B、C三点处的主应力
2、通过实验，测定A、B、C三点处的应变值
3、根据应变值计算A、B、C三点处的主应力
4、比较理论计算和实验结果的差异，并总结原因
四．实验步骤
1、应变片编号如下图
图6-3：
实验贴片图
2、受力分析和理论计算
通过加载装置在D点施加一个向下的力P，则圆轴端面E处受到一个向下的力P和扭矩Mt
图6-4：
圆筒截面受力示意图
其中Mt=Pa
A点和C点单元体都承受由M产生的弯曲应力σw和由扭矩Mt产生的剪应力
的作用
其中M=Pb，
，，
其中D是圆轴外径，
是圆轴内外径的比值
，
B点单元体处于纯剪切状态，其剪应力由扭矩Mt和剪力Q两部分产生
其中
，
A为薄壁圆环形的横截面积，
3、应变测量
为了用实验的方法测定薄壁圆筒弯曲和扭转时表面一点处的主应力大小和方向，首先要测量该点处的主应变ε1和ε3的大小和方向，然后用广义胡克定律算得一点处的主应力σ1和σ3。
根据平面应变状态分析原理，要确定一点处的主应变，需要知道该点处沿x和两个互相垂直方向的3个应变分量εX，εy和γxy。
由于在实验中测量剪应变很困难，而用电阻应变片测量线应变比较简便，所以通常采用一点处沿x轴成3个不同方向且已知夹角的线应变。
为了简化计算，实际上采用互成特殊角的三片应变片组成的应变花，中间的应变片和x轴成0°，另外2个应变片分别和x轴成±45°。
用电阻应变仪分别测得圆筒变形后应变花的3个应变值，即ε0°，ε-45°，ε45°,则有
主应变公式为
进而得
主应变的方向
对各向同性材料，主应变ε1、ε3,和主应力σ1、σ3,方向一致。
应用广义胡克定律，则主应力σ1、σ3,为
式中，μ,E分别为构件材料的弹性模量和泊松比。
可得到
如果测得三个方向应变值ε0°，ε-45°，ε45°，由上式即可确定一点处主应力的大小及方向的实验值。
对于重复性试验，有主应力及方向计算：
建筑力学实验报告
实验报告
（一）：
金属的拉伸实验报告
时间班级小组姓名学号成绩
一、实验目的：
二、实验设备（包括名称、型号、规格）：
三、实验原理：
四、实验数据记录和处理：
试件材料
试件尺寸
屈服荷载
屈服极限
最大荷载
强度极限
伸长率
截面收缩率
备注
拉断前
拉断后
d0
L0
A0
d1
L1
A1
Ps
σs
Pb
σb
σ
Ψ
mm
mm
mm2
mm
mm
mm2
N
MPa
N
MPa
%
%
低碳钢
铸铁
五、思考题：
1、材料的强度指标有哪些？
塑性指标又有哪些？
2、从低碳钢拉伸图上可知，试件拉断瞬时的荷载P比最大荷载（颈缩前）Pb小,问试件断裂时的真实应力是否比σb小？
为什么？
实验报告
（二）：
金属的压缩实验报告
时间班级小组姓名学号成绩
一、实验目的：
二、实验设备（包括名称、型号、规格）：
三、实验原理：
四、实验数据记录和处理：
试件材料
试件尺寸
屈服荷载
屈服极限
最大荷载
强度极限
备注
d0
A0
PS
σs
Pb
σb
mm
mm2
N
MPa
N
MPa
低碳钢
无
无
铸铁
无
无
五、思考题：
1、铸铁试件受压时，为什么会沿和轴线成450左右的斜面发生破裂？
2、低碳钢压缩时，测不到抗压强度σbc，是否意味着工程上可对由该类材料制成的构件施加“无限大”的压力？
3、试件压缩变形后，一般会变成腰鼓形，为什么会如此？
实验报告（三）：
材料扭转实验报告
时间班级小组姓名学号成绩
一、实验目的：
二、实验设备（包括名称、型号、规格）：
三、实验原理：
四、实验数据记录和处理：
试件材料
试件尺寸
抗扭截面模量
屈服扭矩
破坏扭矩
屈服极限
强度极限
D
W
TS
Tb
τs
τb
mm
mm3
N.m
N.m
MPa
MPa
低碳钢
铸铁
无
无
五、思考题：
1、低碳钢和铸铁扭转破坏有什么不同？
根据断口形式分析其破坏原因。
2、分析比较塑性材料和脆性材料在拉伸、压缩及扭转时的变形情况和破坏特点，并归纳这两种材料的机械性能。
3、按照弹性扭转公式计算出的剪应力，是否和实际情况完全一致？
分别对铸铁和低碳钢进行讨论。
实验报告（四）：
冲击实验报告
时间班级小组姓名学号成绩
一、实验目的：
二、实验设备（包括名称、型号、规格）：
三、实验原理：
四、实验数据记录和处理：
五、实验结论：
实验报告（五）：
梁的纯弯曲实验报告
实测记录
梁高h=梁宽b=
测点1
测点2
测点3
测点4
测点5
（N）
读数ε1
读数差Δε1
读数ε2
读数差Δε2
读数ε3
读数差Δε3
读数ε4
读数差Δε4
读数ε5
读数差Δε5
实测次数
第一次
平均读数差×10-6
实测应力（Mpa）
E取2.06×105
Δσ1=E×Δε1
Δσ2=E×Δε2
Δσ3=E×Δε3
Δσ4=E×Δε4
Δσ5=E×Δε5
第二次
升级会员 