钢结构实验报告.docx
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钢结构实验报告
钢结构基本原理演示实验报告
实验一：
摩擦型高强度螺栓抗剪连接实验
一、实验目的
1了解摩擦型高强度螺栓抗滑移系数的计算方法；
2了解摩擦型高强度螺栓连接不同阶段的受力性能和破坏过程；
3掌握摩擦型高强度螺栓抗剪连接的承载力计算方法。
二、实验原理
摩擦型高强螺栓连接是将高强度螺栓拧紧，使螺杆产生预拉力压紧构件接触面，靠接触面的摩擦力阻止其相对滑移，达到传力目的，并以板件间的摩擦力被外力克服作为极限状态。
因此，接触面抗滑移系数是重要的计算参数。
即
（其中N为滑动外力，P为螺栓预拉力）
单个剪力螺栓的承载力计算：
受剪承载力：
承压承载力：
注：
实验给定参考数
、
3、实验器材
编号
名称
单组实验数量
备注
①
—100×15×310钢板
2
Q345
②
—100×10×325钢板
2
Q345
③
10.9级摩擦型高强度螺栓
4
M20
④
扭矩扳手
1
200t万能实验机
1
注：
表中未注明单位均为mm
双摩擦面双栓拼接拉力试件
图1双摩擦面双栓拼接拉力试件平面图
图2双摩擦面双栓拼接拉力试件图
图3拉力试件零件①
图4拉力试件零件②
注：
拉力试件摩擦面采用抛丸、除锈处理
图中所示单位均为mm
四、实验过程及结果
第一步：
试件组装
将试件放在平台上，并使板与板之间螺栓孔对齐，观察板试件表面较为粗糙，摩擦面数目nf=2。
第二步：
螺栓初拧、终拧
实验现象记录（预扭矩T）
先将螺栓用手初拧，使其不脱落：
将扭矩扳手调到465N/m大小，然后
用其将螺栓拧紧，当听到咯噔一声，停止，依次将四个螺栓拧紧。
第三步：
试件加载
将组装试件置于万能试验机中，开始缓慢加荷直到板之间发生相对滑移。
仔细观察此时钢板的截面会发现螺栓孔周围相对其他部位变得很光滑，即认为此时试件已破坏。
加载曲线如图
五、实验结果及思考
1、由实验过程求取摩擦系数；
已知P=155kNnf=2n=2根据曲线得N=285N
2、由实验过程理解预拉力的加载原理；
实验之前先用扭矩扳手给高强度螺栓预拉应力，使螺栓对板件产生压力。
根据摩擦原理，由于摩擦系数的存在，使板与板之间产生很大的摩擦力，达到摩擦性高强度螺栓的作用机理。
3、高强度摩擦型螺栓不同阶段的受力性能及破坏过程；
（1）靠摩擦传力的弹性阶段
在加荷初期，由于荷载较小，靠构件接触面的摩擦力传递，栓杆与孔壁间的间隙保持不变，连接工作处于弹性阶段，在n-δ图上呈现出0，1斜直线段。
但由于板件间摩擦力的大小取决于拧紧螺帽时在螺杆中的初始拉力，一般来说，普通螺栓的初拉力很小，故此阶段很短。
（2）相对滑移阶段
随着荷载不断增大，连接中的剪力达到构件间摩擦力的最大值，板件间产生相对滑移，其最大滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间隙，直至螺栓与孔壁接触，相应于n-δ曲线上的1，2水平段。
（3）靠栓杆传力的弹性阶段
荷载继续增加，连接所承受的外力主要靠栓杆与孔壁接触传递。
栓杆除主要受剪力外，还有弯矩和轴向拉力，而孔壁则受到挤压。
由于栓杆的伸长受到螺帽的约束，增大了板件间的压紧力，使板件间的摩擦力也随之增大，所以n-δ曲线呈上升状态。
达到“3”点时，曲线开始明显弯曲，表明螺栓或连接板达到弹性极限，此阶段结束。
受剪螺栓连接达到极限承载力时，可能的破坏形式有：
①当栓杆直径较小，板件较厚时，栓杆可能先被剪断；②当栓杆直径较大，板件较薄时，板件可能先被挤坏，由于栓杆和板件的挤压是相对的，故也可把这种破坏叫做螺栓承压破坏；③端距太小，端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏；④板件可能因螺栓孔削弱太多而被拉断。
4、比较三种螺栓安装和工作中的优缺点，并思考其各自适合的工作环境
普通螺栓安装时只要拧紧就行，而高强度螺栓需要安装时需要施加一定的预应力，即通过扭矩扳手。
工作中普通螺栓的强度相对低一些，但是可以拆卸，重复利用；高强度螺栓强度更高，受力性能更好，其中分摩擦型和承压型，摩擦型只要构件滑移就认为破坏，个人的心理上有更好的安全感，承压破坏有普通螺栓破坏形式相同，承受的荷载更大一些。
高强度螺栓只要用于重要的永久连接构件中，并且要做好防潮处理避免在雨天施工；普通螺栓则用在相对次要的构件上，或者经常拆卸的部位。
5、实验心得
在进行摩擦型高强度螺栓抗剪连接实验中，我们首先学会了高强螺栓预拉力的加载过程，即先用普通扳手初拧，使板件靠拢，再用一种可显示扭矩值大小的特制扳手终拧；然后通过试验机加载，观察到连接板件所受拉力与相对位移之间的关系，即螺栓所受剪力大小与相对位移之间的变化曲线，了解了摩擦型高强度螺栓连接不同阶段的受力性能和破坏过程。
本次实验过程我有下列思考与心得体会：
1、摩擦型高强度螺栓与承压型高强度螺栓的区别，仅仅是极限状态的规定不同，对于所用螺栓类型及预拉力的加载方法以及最后的加载过程均相同。
摩擦型高强度螺栓的极限承载状态是以摩擦力刚被克服的时刻，故进行承载力验算时不需进行孔壁承压验算；而承压型高强度螺栓计算方法则与普通螺栓计算相同，即仍需进行孔壁承压验算。
2、摩擦型高强螺栓的受剪实验曲线中，与普通螺栓所不同的是，其弹性工作阶段的范围较大。
原因是普通螺栓仅靠板件之间的摩擦传递外力，而由于普通螺栓的紧固预拉力很小，产生的摩擦力也较小，而摩擦型高强度螺栓由于预拉力较大，故可承受较大的剪力而不产生滑移。
3、摩擦型高强度螺栓的摩擦面粗糙程度对于受剪承载力影响较大，即抗滑移系数
的大小将直接影响受剪承载力大小。
在本次实验中，板件摩擦面采用抛丸、除锈处理，抗滑移系数可以得到有效增加。
由此可以看出，在实际工程中，应注意摩擦型高强螺栓所连接的板件表面情况，如当连接在潮湿或淋雨状态下进行拼装，会降低抗滑移系数值的大学，故应采取防潮措施避免在雨天施工，以保证连接处表面干燥。
4、由于摩擦型高强度螺栓的受剪承载力主要是板面摩擦力的大小所影响，因此可以判定，当摩擦型高强度螺栓承担拉力时，会由于降低板件之间的预拉力大小进而降低板件摩擦力大小，直接影响摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力。
一言以蔽之，同时承受拉力和剪力的高强度螺栓，会由于拉力引起的预拉力损失，造成其受剪承载力减小。
而这种情况在普通螺栓及承压型高强度螺栓中则不予考虑，因为普通螺栓的极限状态是发生在板件发生滑移、螺栓贴紧孔壁时，摩擦力的损失对其受剪承载力大小无影响。
实验二：
工字形截面轴压构件整体稳定实验
一、实验目的
掌握钢构件实验方法，包括试件设计、加载装置设计、实验结果整理等；
观察工字形截面轴心受压柱的失稳过程和失稳模式；
将理论极限承载力和实测值进行比较，加深对轴心受压构件极限承载力的理解；
分析思考极限承载力的影响因素。
二、实验原理
轴心受压构件在轴心压力较小时处于稳定平衡状态，如有微小干扰力使其偏离平衡位置，则在干扰力除去后仍能回复原来的平衡状态。
随着轴心压力的增加，轴心受压构件会由稳定平衡状态过渡到随遇平衡状态，这时如有微小干扰力使其偏离平衡位置，则在干扰力除去后，将停留在新的位置而不能回复到原来的平衡位置。
当轴心压力超过临界压力后，构件就不能维持平衡而失稳破坏（弯曲失稳、扭转失稳、弯扭失稳）。
三、实验器材
实验器材统计表
编号
名称
单组实验数量
备注
①
微机控制电液伺服压力实验机
1
②
工字形截面150×100×8×10
1
长1500mmQ345
③
—200×20×200钢板
2
Q345
注：
表中未注明单位均为mm
工字形截面轴压构件整体试件
图1工字形截面轴压柱正立面图
图2工字形截面轴压柱侧立面图
图3工字形截面轴压柱横截面
四、实验过程及结果
Step1试件安装
实验现象记录
在老师和学长的帮助下，将工字型截面梁装在了微机控制电液伺服压力试验机上，试件采取了俩端铰接的固定方式，用刀口铰支座进行固定，为了确保构件受轴心压力，在安装时要仔细检查构件的上下对齐情况。
另外，为了确保安全，还需要在试件外围缠绕数圈麻绳。
Step2根据构件两端固定条件，记录L0xL0y
在老师的讲解下，我们知道了构件的计算长度是俩固定端刀口凹槽底之间的距离，而不是构件本身的长度或者说是腹板之间的距离。
Step3试件加载
记录加载曲线试件开始加载，当试件所承受的压力大于弯曲屈曲的临界应力Ncr时，构件发生弯曲屈曲，失去整体稳定性。
加载曲线（中间弯曲处是由于构件缺陷和实验器材影响）构件发生整体失稳
5、实验结果及思考
1、描述轴心受压柱失稳模式并解释原因；
工字形截面属于双轴对称截面，因此工字形截面轴心受压构件只可能发生弯曲失稳或扭转失稳。
对于常见的非薄壁工字形截面，其截面的抗扭刚度GIt和翘曲刚度EIω都很大，因此不会发生扭转失稳。
当构件未设置沿截面强轴的支撑时，由于工字形截面绕强轴的惯性矩大于绕弱轴的惯性矩，因此构件将发生绕弱轴的弯曲失稳。
2、由已知条件查表求构件整体稳定系数及整体失稳时对应的承载力；
查表得整体稳定系数
=0.601（Q345，b类缺陷）
3、将实验值同理论值进行比较并分析原因；
实验中实测值为801KN，比理论值566.4KN大。
分析其可能原因：
一、荷载初始偏心的影响；二、钢材制造性质的差异；三、压杆端部支撑处存在摩擦，引起承载力增加。
4、分析思考极限承载力的影响因素。
实际工程中不可避免地存在初弯曲，荷载初偏心和残余应力等初始缺陷，这些缺陷都会降低轴心受压构件的稳定承载力。
原因一：
荷载初偏心—由于制造、安装误差的存在，压杆也一定存在不同程度的初偏心。
初偏心对压杆的影响与初弯曲的十分相似①压力一开始就产生挠曲并随荷载增大而增大②初偏心越大变形越大承载力越小③无论初偏心多小它的临界力永远小于欧拉临界力。
原因二：
残余应力—残余应力使部分截面区域提前屈服从而削弱了构件刚度导致稳定承载力下降。
原因三：
初弯曲—严格的讲杆件在加工、制造、运输和安装的过程中不可避免的要形成不同形式、不同程度的初始弯曲导致压力一开始就产生挠曲并随荷载增大而增大。
6、实验心得
在本次工字型截面轴压构件整体稳定实验中，我们观看并亲自参与了全过程，如轴压构件两端支撑情况的处理、试验机的加载过程及加载曲线、轴压柱的失稳过程等。
本次实验过程我有下列思考与心得体会：
1、对于轴压失稳实验，两端支撑情况可以通过槽口的形式来确定，这一点令我受益匪浅。
对于简支情况，可以将压杆端口处开槽而在压力机处放置刀口，已使其可绕该轴旋转，即为简支；此时其垂直方向的轴则为固支。
在实验过程中，老师向我们提到了一点，如果想把两端支撑全部设为简支，则可在压杆边界上设置圆球，使其绕任意方向均可旋转。
2、在试验机加荷直到压杆失去稳定性时，本次实验即结束，试验机也停止加荷。
但此时我也产生了一个疑问，此时如果继续加荷会发生什么情况？
由日常生活经验可知，该杆必然不断弯曲直至折断。
在结束实验之后，我查阅了相关资料，发现对于轴压杆来说，其失稳过程是杆件由直线稳定转为曲线稳定的过渡，至于为什么将此刻列为轴压杆的失效极限状态呢？
是因为当压杆在曲线稳定状态下，压力的小幅度增加，都会引起弯曲挠度的大幅度增加，此时已经不适于继续承载压力，故认为已失效。
3、在第2点解决之后，我想到了一个新的问题，稳定性问题仅存在于压杆问题中吗？
答案当然是否定的，在梁中也存在稳定问题，即梁的整体稳定性。
与此同时我又产生了许多疑惑。
最终经过深入查阅资料及思考，我有了下述的认识。
众所周知，对于压杆屈曲包含以下三种形式：
弯曲屈曲、扭转屈曲与弯扭屈曲。
对于工字型截面柱，其两侧的长细比不同，即有强弱轴之分，故会发生绕弱轴的弯曲屈曲，究其原因是因为其为双轴对称构件。
当截面为单轴对称构件是，则会发生弯扭屈曲。
对于特殊的双轴对称十字型截面构件，则会发生扭转屈曲。
回到原来的问题上，那么对于工字型截面梁，两端承受弯矩时为什么可能会发生弯扭屈曲（即失去整体稳定性）呢？
原因是因为，对于一般的梁，通常会将截面设计为高而窄的形式，两个主轴惯性矩相差很大，在弯矩平面内由于刚度很大，故在达到极限状态时所能承受的弯矩极大，此时截面受压区所受压力则会很大。
个人猜测，此时情况应类似与压杆失稳，当梁未达到受弯承载力时，弯矩所产生的压力已使杆件达到失去稳定性的极限状态，同时由于压力并不是在整个截面分布，故最终会发生侧向屈曲和扭转，即弯扭屈曲。
可以看出，梁的整体稳定性问题也可归结为压杆的稳定型问题。
4、经过上述对于失稳的分析，我想如果对于偏心受压构件，会发生平面内失稳与平面外失稳。
若杆件发生平面外的失稳时，其作用原理应与梁的整体失稳相同，且均发生弯扭屈曲。
因对于杆件截面，其均是弯矩的绕轴惯性矩较大而难以达到极限状态，截面所受压力对于截面并非均匀分布，故会发生绕弱轴的弯曲屈曲与扭转屈曲。
上述的思考过程是由本次轴压构件失稳实验引起，却更帮助我理解了压杆的稳定性问题与梁的整体稳定性问题，使我对于轴心受压构件的稳定性问题有了更深一步的体会。
但以上的思考过程仅是个人见解，难免会存在一些问题，因此在以后的学习过程中，我会进一步学习相关知识，相信也会对此类问题有着更进一步的理解与认识。
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