钢梁整体稳定教学实验装置改进设计

郭小农　秦朗　黄玮嘉等

摘要：稳定性是钢结构教学的重点和难点，配合土木工程专业钢结构基本原理课程的教学，同济大学在国内率先构建了钢结构多功能教学实验平台，将理论教学与实验教学有机的结合。钢梁整体稳定实验是观赏性较强的教学实验，然而，数年的教学实验结果表明：原钢梁夹支支座会导致整体稳定承载力偏高，从而影响教学效果。为了准确模拟钢梁的约束条件，文章对原有支座进行了改进，使实验结果更加接近理论值，收到了良好的教学效果。

关键词：教学实验；钢梁整体稳定性；夹支支座

中图分类号：TU391；G642423 文献标志码：A 文章编号：10052909（2015）01012304

钢结构是土木工程最重要的专业必修课程之一，各高校的土木工程专业都开设有此课程。在钢结构课程教学中，稳定问题既是重点也是难点。由于钢材重量轻、强度高，钢结构构件通常较轻较薄，与混凝土结构相比，稳定问题是控制钢结构承载能力的主要因素，是贯穿整个钢结构教学的重要知识点[1]。同时，与普通的强度问题相比，稳定问题的概念更加抽象，公式更加复杂，给学生的理解和掌握造成了一定的难度，是一个教学难点[2]。

教学经验表明，对于钢结构稳定问题，单纯的课堂理论讲解很难收到理想的教学效果。故笔者所在的国家级“钢结构”教学团队，不断改进钢结构稳定的教学方法，改善钢结构稳定教学的硬件和软件条件，开发了和理论课程配套的实验教学环节[3，4，5]。钢梁整体稳定性教学实验是观赏性较强的一个实验，实验中选择了最典型的H型截面钢梁，通过吊篮对钢梁施加跨中集中荷载（图1），演示钢梁的整体弯扭失稳过程（图2），得到钢梁的极限承载力。实验充分调动了学生的学习热情和积极性，使学生了解了H型截面受弯构件发生整体弯扭失稳的失稳过程和破坏模式；认识了受弯构件整体稳定承载力的影响因素及其计算方法；掌握了受弯构件的整体稳定系数的计算方法。

在钢梁整体稳定性教学实验中，由于未考虑初始缺陷和残余应力的影响，按照弹性稳定理论计算出的临界弯矩Mcr应高于实验所得的极限弯矩Mu。然而，同济大学多年来的教学实验结果表明：钢梁的极限弯矩Mu比弹性临界弯矩Mcr高很多，实验结果的不准确极大影响了教学效果。通过分析发现，原有实验钢梁支座达不到理想的约束条件，故笔者对原有支座进行了改进设计。

一、原有支座及其教学效果

图1为进行H型截面梁整体稳定性实验采用的加载装置，梁跨中集中加载。在梁中央设置加载板，加载板开孔后通过钢索与测力传感器相连，测力传感器下悬挂吊篮，实验时将重物依次放入吊篮中以实现竖向悬吊重物加载，该吊载随构件平面外侧向位移可实现跟动，荷载值由测力传感器测出。在实验加载过程中，随着荷载的增加，试件发生弯扭失稳，整个构件产生很大的侧向位移和扭曲变形，破坏时的试件如图2所示。

二、原有支座约束刚度分析

为了分析原有夹支支座对钢梁的实际约束情况，图5将原有夹支支座简化为6个弹簧。其中，k1表示钢梁下翼缘处的轴向约束弹簧刚度；k2表示钢梁下翼缘处绕强轴的转动约束弹簧刚度；k3表示钢梁上翼缘侧向平动约束弹簧刚度；k4表示钢梁下翼缘侧向平动约束弹簧刚度；k5表示钢梁上翼缘绕弱轴的转动约束弹簧刚度；k6表示钢梁下翼缘绕弱轴的转动约束弹簧刚度。

三、改进支座

根据对原有支座约束刚度的分析，可以得到改进支座（图7）。改进支座由底座、轴、定距套、活动立杆、滚动轴承、轴端挡圈、柱端挡板、螺杆、螺母、螺栓、垫圈等零件构成。轴由轴端挡板和螺栓固定在底座上，轴上用定距套固定滚动轴承，使轴承沿轴向不能移动。活动立杆能在轴和底座上滑动，可由螺杆和螺母固定。底座上固定立杆和活动立杆上各有一个滚动轴承，轴向固定，绕轴可自由转动。实验加载时，工字钢梁端下翼缘置于轴上滚动轴承上，上翼缘侧面分别与支座固定立杆与活动立杆上2个滚动轴承相接触。

由于底杆上采用了滚动轴承，将滑动摩擦改为了滚动摩擦，因此可以认为k1和k2的值为零；另外，改进支座的立杆截面比原有支座增大了很多，故k3和k4的值更加接近于无穷大；最后，由于在立杆上也设置了滚动轴承，故k5和k6的值也为零。综上，改进支座的约束条件更加接近于理想夹支支座。

使用改进支座与原有支座进行钢梁整体稳定性的对比实验，试件1的两端采用了新设计支座，试件2的两端采用了原有支座。表2列出了试件1和试件2的实验极限弯矩Mu、弹性临界弯矩Mcr、边缘屈服弯矩My和全截面塑性弯矩Mp比较结果。从表2可以看出，试件2的极限弯矩为临界弯矩的1.27倍，与往年使用原有支座的实验结果接近；而试件1的实验极限弯矩为临界弯矩的0.99倍，采用新支座的试验结果更加接近于理论值。采用新支座进行教学试验，可以获得更好的试验结果，收到更加良好的教学效果。

四、结语

文章分析了钢梁整体稳定教学试验中钢梁支座的约束刚度，对原有支座进行了改进，进一步完善了钢结构教学实验平台，完善了钢结构课程的教学模式。采用改进支座进行教学试验，可以获得更加准确的试验结果，加深了学生对钢结构稳定问题的理解，开阔了学生的学术视野，收到了更好的教学效果。

参考文献：

[1]沈祖炎，陈扬骥，陈以一. 钢结构基本原理（第2版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2]郭小农，罗永峰，蒋首超，等. 钢结构稳定教学研究[J]. 高等建筑教育，2011，20（2）：46-48.

[3]王伟，赵宪忠，郭小农，等. 钢结构多功能教学实验平台的研制与实践[J]. 高等建筑教育，2009，18（2）：102-104.

[4]李国强，陈以一，朱合华等. 土木工程专业结构工程课程体系与教学内容改革总体方案[J]. 高等建筑教育，2002，11（2）：53-54.

[5]郭小农，王伟，蒋首超，等. 钢结构基本原理实验教学探索[J]. 高等建筑教育，2011，20（1）：149-154.