彈性鉸支梁受力性能試驗分析

史三元 劉克昭 吳 超

(河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲 056038)

0 引言

用實驗方法研究彈性鉸支梁在豎向荷載作用下的彈性受力全過程。深入理解彈性計算理論，理解彈性鉸支梁的受力特征和設計要點。深入研究該試驗涉及的概念問題。掌握結構試驗的方法，根據試驗檢測所建立的理論計算模型的正確性。

1 實驗設計

1.1 試驗假設

1)假設集中荷載作用下梁的變形符合平截面假定;2)假設兩端彈性鉸支梁的受力在彈性范圍內;3)假定彈性鉸支梁受壓區的壓應力均勻分布。

1.2 理論計算

1)理論實驗設計。理論選取兩個相同高度支座，兩個支座與鋼梁的交接處用兩個鋼板和一個滾軸通過四根螺栓垂直連接而成，試件設計見圖1。

鋼梁選用槽鋼[18，并設定兩個支座間的距離為L，即梁的有效長度為L，其中槽鋼的彈性模量為E，連接鋼梁與支座的上下兩個螺栓間的距離為a，支座外端螺栓與滾軸間的距離為b，螺栓的直徑為d。

2)建立理論計算模型(見圖2)。

3)當梁受到荷載作用時將會發生彎曲，并在支座處翹起，從而使支座處的螺栓受力。

由桿件的軸力、抗拉剛度、伸長量:

a.建立等式如下所示:

其中，N為螺栓所受的軸力;a為螺栓的計算長度;A為螺栓的有效面積。

b.可以根據幾何關系求梁在支座處的轉角θ:由圖3的幾何關系可以得:

根據位移法可以求得支座處的轉角。

2 實驗實施

2.1 實驗準備

前期試驗中要用到螺栓和鋼梁。受拉材料為螺栓，受彎材料為鋼梁。其中螺栓的直徑有小直徑5.5 mm、中直徑7.5 mm、大直徑11.5 mm三種規格。

本實驗采用小直徑5.5 mm、中直徑7.5 mm、大直徑11.5 mm三種規格的螺栓。要測定所選用材料的強度，需到材料試驗室測定強度。

2.2 設計

本組的裝置是模擬兩端彈性鉸支梁的簡易裝置，采用兩個型鋼當支座[2-4]，兩端彈性鉸支梁。兩個型鋼都是上方用鋼板與螺栓連接成鉸支座，模擬兩端彈性鉸支梁。

1)重力加載就是利用重物加于結構上作為荷載。本實驗采用的就是此類加載方法。每隔一定時間就加載24 kg重的鑄鐵塊，待機械式百分表的數據穩定后再次加載鑄鐵塊，直至加載到第八級荷載。2)本試驗要測量位移值。所采用的儀器是手持位移計。結構表面的測點應按照儀器量測之間的距離進行設置，試件的伸長由裝在骨架上的百分表來測讀。每加載一次就用百分表測量其位移值，并以表格的形式記錄下來。3)本組用到的試件是模擬兩端彈性鉸梁。在跨中施加一個集中力，梁的兩端與支座處用螺栓進行連接，梁兩端采用相同的螺栓連接。

2.3 試驗加載

試驗加載點如圖4所示。

1)將一個吊籃吊在彈性鉸支梁的中點處，每次吊籃上施加一個鑄鐵塊，然后觀察現象，待穩定后用記錄位移計的值，記錄下數據，并整理成表格。

2)實驗所得轉角與理論計算所得轉角的關系比較，如圖5所示。

3 試驗結論

本次試驗通過試驗數據和理論計算結果以及曲線圖的對比得出以下結論:

1)通過對彈性鉸支座梁的內力計算以及支座處轉角的計算，從試驗荷載與轉角和理論荷載與轉角關系的曲線對比，理論計算結果與實驗結果基本上是相吻合的，理論計算模型的簡化計算與實際工程相符合。

2)通過在試驗的過程中，對梁的彈性模量以及梁的計算跨度的增加，彈性梁支座處的轉角在加載的過程中隨之減小，隨著槽型鋼的截面尺寸以及梁的計算跨度的增加，彈性鉸支座梁趨近于兩端固支梁。

[1]趙興龍，張秀華，劉晚成.H型鋼梁與方鋼管柱連接框架抗側移剛度有限元分析[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2010(8):47-48.

[2]霍靜思，韓林海.鋼管混凝土柱—鋼梁節點的力學性能分析[J].計算力學學報，2008(5):31-32.

[3]蔡建國，馮 健.溫度變化對鋼梁受力性能的影響[A].第七屆全國土木工程研究生學術論壇[C].南京:東南大學，2009.

[4]張 磊，童根樹.工字形截面懸臂鋼梁的穩定性研究[J].工程力學報，2003(10):25-26.