工字钢梁抗弯实验教学探索与实践★

周云开 闫 健 麦琦坚 黄学良

(华南农业大学水利与土木工程学院，广东 广州 510642)

1 概述

钢结构以其强度高、自重轻、抗震性能好、工业化程度高、施工周期短、可塑性强、节能环保等综合优势，在工业厂房、市政基础设施建设、文教体育建设、电力、桥梁、海洋石油工程、航空航天等行业得到了广泛的应用。

组成钢结构的构件形式多样，可以是单根的型钢，也可以是各式各样的组合钢构等；钢材的类型繁多，有热轧钢板、型钢、冷弯薄壁型钢，其截面形式更是琳琅满目。因此，钢结构的设计难度系数高、涉及的知识点多而散、计算公式复杂。作为引导学生从基础理论到实际工程的跳板，本院开设了一个入门级的实验项目——工字钢梁抗弯实验。选择工字钢为梁体，一方面是工字钢在各种受力构件中应用非常广泛，另一方面工字钢是一种双轴对称截面型钢，作为受力构件往往独立使用，其计算理论相对通俗易懂，学生容易掌握并激发其学习钢结构设计原理的兴趣。

2 工字钢梁抗弯实验教学改革思路

以往的工字钢梁抗弯实验教学的实施步骤从教师介绍实验仪器和材料开始，进而阐述实验步骤、预期结果。学生对理论知识的思考和应用不深入，循规蹈矩的实验教学未能充分激发学生自主学习和动手能力。笔者结合多年的实验教学实践，以一个小组为试点，就激发学生自主动手能力和学习兴趣、提高实验教学质量进行了探索(见表1)。

3 工字钢梁抗弯实验教学实践

3.1 实验目的

掌握使用百分表测位移；掌握使用电阻应变仪采集应变数据；掌握工字钢梁抗弯强度理论计算；结合工字钢梁抗弯强度理论设计更优的实验方案，呈现弹性工作阶段工字钢梁与理论靠近的反应。

3.2 实验用设备及材料

反力架、10 t千斤顶、手动泵、测力仪、静态电阻应变仪(DH3818-1)、百分表(0 mm～10 mm)、电阻应变片(120.0 Ω±0.1 Ω，灵敏度系数2.0)、14号工字钢(Q235)。工字钢规格表及截面特性见表2，表3。

表1 工字钢梁抗弯实验教学改革

表2 工字钢规格表

表3 截面特性

3.3 拟加载装置

模拟静力荷载作用在梁的指定位置，观测梁的变形、应变等参数，以分析梁在静力荷载作用下的工作性能和使用能力。

加载装置如图1所示，利用手动泵控制的100 kN双向液压千斤顶通过分配梁对工字钢梁施加两点集中力的荷载；静态应变仪采集钢梁上下翼及腹板全过程的应变片数值；百分表测量钢梁的竖向挠度。钢梁四点受力简图如图2所示。

3.4 拟加载步骤

加载步骤分成两个阶段：预加载和正式加载阶段。

预加载：加载至P0=5 kN，加载、卸载反复2次，以消除初始状态的各种无关因素引起的误差，观察实验装置和仪器工作是否正常；预加载后将应变仪、百分表重新调零或归正。

正式加载：加载方案分级、缓慢加载，记录相应的数据，并注意试件的变形情况。

当加载至40 kN(弹性阶段内)，停止加载，整理相应的数据，加载结束，缓慢卸掉载荷，整理好所用仪器设备，清理实验现场，将所用仪器设备复原归位。

3.5 实验原理

当工字钢梁在载荷作用下发生弯曲变形时，工作片的电阻值将随着钢梁的变形而发生变化，通过电阻应变仪可以分别测量出各对应点的实测应变值ε实，然后根据虎克定律，计算出相应点的应力值σ实：

σ实=Eε实

(1)

其中，E为Q235工字钢梁的弹性模量。

工字钢梁弯曲变形时，钢梁纯弯曲段横截面上的正应力理论计算公式为：

(2)

其中，M，Iz分别为测点所在截面上的弯矩和该截面对中性轴的惯性矩；y为测点至中性轴的距离。

工字钢梁四点受力过程，钢梁最大挠度理论计算公式为：

(3)

(4)

3.6 影响实验结果的可能因素

1)工作片数量和粘贴的位置(见图3)。入门级别的实验采用3个工作片，于工字钢梁的上翼缘、腹板、下翼缘分别贴上1个工作片(见图3a))，采集最大压应变、中心轴应变、最大拉应变数据(见图4)，以画出该截面的应力应变分布图(见图5)。但由于加载与支座的接触位置不是一个点，而是一条线，线上每个点并不能均等受力等情况，工字钢梁在受力过程中，发生了竖向弯曲的同时可能发生侧向弯曲，因此同一高度的翼缘不同位置的应变可能不相同。同学们经过研讨和反复的试验，最后确定9个工作片的实验方案(见图3b))，即在上翼缘、腹板、下翼缘分别贴上3个工作片，图6为该方案截面的荷载—应变曲线，截面的应力分布图如图7所示，线条较之圆滑。

2)设置百分表的位置和数量。设置百分表的目的是测定梁的挠度，一般在跨中和1/4跨径的截面处各设置一个百分表(见图8a))，荷载—挠度曲线如图8a)所示。但由于工字钢的x轴截面特性与y轴不对等、受力点不均匀原因，受力过程横截面侧翻，左右翼缘的挠度值不相同，如每个截面设置一个百分表，实验数据不能全面反映实际挠度发展情况，经反复试验和分析，每截面增加一个表更优(见图8b))。

3)加载速度。静载试验要求试验过程中试验结构的反应不包含任何惯性作用和加速度的影响，加载设备对试件所施加的荷载应保持稳定，手动泵加载尽量保持0.2 kN/s～0.5 kN/s的速度，加载速度过快，结构反应的误差提高，如图9所示，40 kN跨中挠度将随着加载速度提高，实测值与理论值的相对误差增大。

4)实验数据量小放大了个别数据的误差。从图4与图6、图10与图11的曲线不难看出，分级加载的每级荷载越小，离散的实验数据拟合曲线越光滑。

5)不同电阻应变仪的接线方法产生的相对误差亦不同。

3.7 确定实验方案

同学们经过多次的试验，发现可能影响实验结果因素、讨论更优的方案，从而确定最终的实验方案，并编写完整的实验报告。除了实验目的、实验用器材、加载装置、实验原理等内容之外，自行设计的内容包括：

1)设计正式加载过程的分级加载的大小、加载速度、间隔停顿的时间；

2)确定电阻应变仪的接线方法；

3)采集纯弯段的应力应变分布数据的方案：确定选取的截面、工作片数量和粘贴位置，并绘制工作片的平面、立面布置图；

4)采集梁的挠度数据的方案：设计百分表数量和位置，绘制百分表的立面、横截面布置图。

4 教学效果

所谓“理越辩越明，道越论越清”。从工字钢梁的抗弯强度理论分析开始，组内的讨论逐渐激烈，如判断40 kN荷载是否超出14号工字钢梁的弹性工作阶段，哪一种接线方法的相对误差较小，“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，工字钢梁抗弯实验教学实践取得了显著的成效：

1)掌握用静载实验模拟梁受集中力作用下的受力过程；

2)经过研讨、反复试验的实践过程，同学们对理论知识、各种仪器设备的工作原理有更加深刻的认识；

3)在掌握了相关概念和理论知识的基础上能轻松地对比实验数据与理论值的差异，分析可能的原因，并基本掌握消除部分差异的实验手段；

4)同学们的实践动手能力有了显著提高，团队协作意识明显增强；

5)在不断地出现问题、解决问题的过程中，同学们有了新的感悟。言谈中，有的同学更坚定了攻读研究生的信念，有的同学对钢结构产生了浓厚的兴趣，希望毕业后从事钢结构行业的工作。

工字钢梁抗弯实验教学成效显著，但同时也存在一些问题：

1)课时长难以把控。原计划教学为4学时，即3小时。本项目以一个小组作为试点完成全部的实验内容，实际用时5 h，大于计划教学时，随着研讨和反复推敲的次数增加时长更长。

2)受设备数量的限制，每小组的人数达7人～8人，如能安排5人/组，其中组长1名、控制加载1人、应变数据采集2人、百分表数据采集1人，人员参与度将大大提高。

5 结语

实验教学是土木工程专业本科人才培养的重要环节，是调动学生的学习兴趣和提高动手能力、创新能力的关键环节，夯实基础、以点及面，激发学生自主动手能力和学习潜能。项目以工字钢梁抗弯实验为试点，为开展其他实验项目的教学改革研究作准备，逐步提升整体的实验教学质量。此外，目前土木工程专业毕业生的就业面广，其中钢结构、玻璃幕墙工程相关专业人才的需求也越来越大，本次实践教学改革也旨在通过感性认识与理性认识的结合，学生能对复杂的钢结构设计原理产生浓厚的学习兴趣，提高从事钢结构工作的兴致。