CN110686631B - 一种测量t形截面钢压杆初始弯扭缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及试验装置技术领域，尤其涉及一种测量T形截面钢压杆初始弯扭缺陷的方法，包括应变测量系统、位移测量系统、球铰支座和钢压杆，所述钢压杆设置在球铰支座上，所述球铰支座可以与钢压杆产生相对转动；所述钢压杆长度的1/2处选取初始缺陷测量截面，所述应变测量系统和位移测量系统均设置在截面A‑A上，本发明能同时测量出钢压杆的初弯曲、初偏心、初扭转，且与后续的钢压杆整体稳定承载力试验共用一套加载系统，不需要另外的测量设备。

Description

一种测量T形截面钢压杆初始弯扭缺陷的方法

技术领域

本发明涉及试验装置技术领域，尤其涉及一种测量T形截面钢压杆初始弯扭缺陷的方法。

背景技术

钢压杆的初始几何缺陷是影响其整体稳定承载力大小的重要因素之一。测量钢压杆初始缺陷的目的是为钢压杆整体稳定承载力的理论分析和有限元模拟提供重要参数，因此，初始缺陷数据的全面性和合理性显得尤为重要。

T形截面钢压杆可能会发生绕对称轴平面的整体弯扭失稳。影响钢压杆弯扭失稳承载力的初始几何缺陷包括：初弯曲、初偏心和初扭转，简称为初始弯扭缺陷。

现有的初弯曲测量方法一般有两种，分别为：(1)用光学仪器直接测量杆件中部偏离钢压杆两端几何中心连线的距离；(2)用光学仪器测量沿杆件方向四分点位置处截面中心偏离柱两端截面中心连线的距离，并取最大值作为杆件的几何初弯曲值。

现有的初偏心测量方法一般有两种，分别为：(1)用光学仪器直接测量杆件端部加载位置偏离钢压杆端部几何中心的距离；(2)在杆端截面处粘贴应变片，在试验加载的初始阶段，根据应变片读数计算杆件的几何初偏心。

现有的初始几何缺陷测量方法多针对的双轴对称截面，比如圆钢管、H形截面和箱形截面，测量其初弯曲和初偏心。因上述钢压杆的整体失稳模式一般为弯曲失稳，不包含扭转变形，因此，初扭转对其整体稳定承载力影响不大，不需要对钢压杆的初扭转进行测量并考虑其对钢压杆稳定承载力的影响。然而，对于T形截面钢压杆而言，其多发生绕对称轴平面的整体弯扭失稳，初扭转是影响T形截面钢压杆整体稳定承载力的重要缺陷之一，不能不加以考虑。

现有的初弯曲和初偏心测量是采用了分开测量后再叠加的方法进行处理的。这中处理方式有两个缺点：(1)初弯曲和初偏心对钢压杆的整体稳定承载力的影响性质相同，从理论研究方面讲，一般会将二者统一考虑，分开测量再叠加会产生更大的人为测量误差；(2)现有的初弯曲和初偏心测量，需另外采用光学仪器(激光水准仪)进行，增加了试验步骤。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种测量T形截面钢压杆初始弯扭缺陷的方法，本发明能同时测量出压杆的初弯曲、初偏心、初扭转，且与后续的压杆整体稳定承载力试验共用一套加载系统，不需要另外的测量设备。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种测量T形截面钢压杆初始弯扭缺陷的方法，其特征在于：首先在钢压杆长度的1/2处选取初始弯扭缺陷测量截面，在初始弯扭缺陷测量截面上设置应变测量系统和位移测量系统，所述应变测量系统包括设置在初始弯扭缺陷测量截面上的应变片S₁、应变片S₂、应变片S₃、应变片S₄，所述应变片S₁与应变片S₂成对设置，所述应变片S₃与应变片S₄成对设置，所述应变片S₁、应变片S₂、应变片S₃、应变片S₄均沿钢压杆的长度方向布置，各应变片用于测量截面受拉侧、受压侧的应变值；

所述位移测量系统包括位移计组Ⅰ和位移计组Ⅱ，所述位移计组Ⅰ设置在翼缘板上，包括位移计H₁、位移计H₂、位移计H₃，H₁用于测量截面剪切中心处的y向位移、H₂用于测量翼缘左外伸端的y向位移、H₃用于测量翼缘右外伸端的y向位移，所述位移计组Ⅱ设置在腹板上，包括位移计H₄、位移计H₅、位移计H₆，H₄用于测量截面剪切中心处的z向位移、H₅用于测量截面形心处的z向位移、H₆用于测量腹板外伸端的z向位移；

初弯曲和初偏心的计算公式如下；

其中δ——为钢压杆指定截面处的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和；

D——为钢压杆截面处截面绕弱轴发生弯扭变形时截面形心沿z轴方向的侧移数值，也就是位移计H₅的读数；

I_y——为钢压杆截面绕弱轴的惯性矩；

A——为钢压杆的横截面面积；

h——为钢压杆失稳方向成对配置的拉压应变片的间距；

ε_t——表示截面处钢压杆失稳方向的翼缘受拉侧、受压侧第一组应变均值，为应变片S₃和S₄读数的平均值；

ε_c——表示截面处钢压杆失稳方向的翼缘受拉侧、受压侧第二组应变均值，为应变片S₁和S₂读数的平均值；

初扭转的计算方法如下；

其中β——为钢压杆指定截面处的初扭转角度数值；

r_i——为钢压杆指定截面处板件外伸端的位移计测点绕截面剪切中心转动时所产生的位移数值；

d_i——为钢压杆指定截面处初扭转测点至截面剪切中心的距离数值；

P——为施加的轴向压力数值；

P_E——为钢压杆相应的欧拉临界力数值，P_E＝π²EI_y/l²；

其中E——为钢材的弹性模量；

Iy——为截面绕弱轴的惯性矩；

l——为杆长；

所述T形截面钢压杆初始弯扭缺陷值为初弯曲和初偏心之和δ及初扭转β。

本发明的有益效果在于：本发明通过球铰支座系统保证钢压杆端部截面可以自由转动，通过位移测量系统能同时测量出钢压杆的初弯曲、初偏心、初扭转并且该装置与后续的钢压杆整体稳定承载力试验共用一套加载系统，不需要另外的测量设备。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的有限元模型示意图；

图3为本发明实施例1的杆端约束情况和轴心压力施加情况示意图；

图4为本发明实施例1的特征值屈曲分析结果示意图；

图5为本发明实施例1的具有初始弯扭变形的有限元模型示意图；

其中：1-球铰支座，2-钢压杆，3-应变片，4-位移计。

具体实施方式

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示的一种测量T形截面钢压杆初始弯扭缺陷的方法，包括应变测量系统、位移测量系统、球铰支座和钢压杆2，钢压杆2的两端安装在球铰支座1上，球铰支座1可以与压杆产生相对转动；

在压杆1长度的1/2处选取初始缺陷测量截面，应变测量系统和位移测量系统均位于截面A-A上，应变测量系统包括安装在截面A-A上的应变片S₁、S₂、S₃、S₄，应变片3成对安装，应变片3沿压杆的长度方向粘贴，应变片3用于测量截面受拉、压侧的应变值；

位移测量系统包括位移计组Ⅰ和位移计组Ⅱ，位移计组Ⅰ和位移计组Ⅱ均包括3个位移计4，位移计组Ⅰ安装在翼缘板上，包括H₁、H₂、H₃，H₁用于测量截面剪切中心处的y向位移、H₂用于测量翼缘左外伸端的y向位移、H₃用于测量翼缘右外伸端的y向位移；所述位移计组Ⅱ安装在腹板上，包括H₄、H₅、H₆，H₄用于测量截面剪切中心处的z向位移、H₅用于测量截面形心处的z向位移、H₆用于测量腹板外伸端的z向位移；

初弯曲和初偏心的计算公式如下：

其中：

δ——为钢压杆指定截面处的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和(mm)；

D——为钢压杆指定截面处截面绕弱轴发生弯扭变形时截面形心沿z轴方向的侧移大小(mm)，即图中位移计H₅的读数(mm)；

I_y——为钢压杆截面绕弱轴(y轴)的惯性矩(mm⁴)；

A——为钢压杆的横截面面积(mm²)；

h——为钢压杆失稳方向成对配置的拉压应变片的间距(mm)，即图1中应变片S₁和S₂与应变片S₃和S₄之间的间距；

ε_t、ε_c——分别表示指定截面处钢压杆失稳方向的翼缘受拉、受压侧应变均值，即应变片S₁和S₂读数的平均值、应变片S₃和S₄读数的平均值；

初扭转的计算方法如下：

其中：

β——为钢压杆指定截面处的初扭转角度大小(rad)；

r_i——为钢压杆指定截面处板件外伸端的位移计测点绕截面剪切中心转动时所产生的位移大小(mm)，可根据图1中的位移计的读数计算获得，如H₁-H₂、r₂＝H₃-H₁、r₃＝H₆-H₄；

d_i——为钢压杆指定截面处初扭转测点至截面剪切中心的距离(mm)，如图1中所示，d₁＝b₂、d₂＝b₃和d₃＝b₆；

P——为施加的轴向压力大小(kN)；

P_E——为钢压杆相应的欧拉临界力大小(kN)，P_E＝π²EI_y/l²；

其中E——为钢材的弹性模量；

Iy——为截面绕弱轴的惯性矩；

l——为杆长；

T形截面钢压杆初始几何缺陷值为初弯曲和初偏心之和δ及初扭转β。

实施例1

以长度为2474mm的T212×200×12×12钢压杆为例，利用有限元软件ANSYS建立具有初始几何缺陷(初弯曲和初偏心、初扭转)的模型，并进行模拟加载试验，获得不同压力大小时图1中各测点的应变片读数和位移计读数，并带入初弯曲和初偏心的计算公式、初扭转的计算公式，对钢压杆的初始几何缺陷大小进行计算，将计算结果与前述建模阶段初设的几何缺陷值大小进行对比，验证前述计算公式的正确性，从而说明本试验装置测量方法的可行性。

1.具体步骤如下：

(1)选用SHELL181单元，按照几何尺寸l＝2474mm和T212×200×12×12建立理想钢压杆有限元模型(无初始缺陷)，钢材屈服强度f_y＝460MPa，弹性模量E＝206000MPa，剪切模量G＝79000MPa，泊松比v＝0.3，如图2所示。

(2)施加杆两端的铰接约束条件和轴心压力，即X＝0处的横截面所有节点的UY＝0、UZ＝0，该截面的形心处节点的UX＝0；X＝l处的横截面所有节点的UY＝0、UZ＝0，且该截面的形心处节点上施加压力FX＝-1，如图3所示。

(3)进行静力分析求解后，再进行特征值屈曲分析求解，获得一阶屈曲临界力大小和相应的屈曲模态，如图4所示。

(4)根据钢压杆的一阶屈曲模态，取节点最大位移为l/1000的弯扭变形形式作为钢压杆的初始缺陷形式，用UPGEOM命令引入初始几何缺陷，如图5所示。

(5)重新施加杆端约束和轴心压力，进行非线性分析，获得不同压力大小时钢压杆各测点应变片读数和位移计读数，对应有限元模型中相应节点的应变值和位移值，具体情况如表1所示。

表1：T形截面钢压杆初始几何缺陷测量试验的有限元数值模拟结果汇总

注：计算过程中，其他参数取值如下：I_y＝8000000mm4，A＝4872mm2，h＝200mm，b₂＝b₃＝100mm，b₆＝206mm，P_E＝1579kN。

2.计算结果分析：

有限元模型中输入的初始弯扭缺陷值分别为：杆长1/2截面处，初弯曲和初偏心之和为1.0881mm，初扭转为0.0090rad.

由表1中数据可知，初弯曲和初偏心之和δ的平均值为1.0880mm，与有限元模型中的初设值1.0881mm相比，误差为1.38％；初扭转β的平均值为0.0088rad，与有限元模型中的初设值0.0090rad相比，误差为2.22％.

因此可知，本发明中提出的计算公式正确，本试验装置测量方法可行

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种测量T形截面钢压杆初始弯扭缺陷的方法，其特征在于：首先在钢压杆长度的1/2处选取初始弯扭缺陷测量截面，在初始弯扭缺陷测量截面上设置应变测量系统和位移测量系统，所述应变测量系统包括设置在初始弯扭缺陷测量截面上的应变片S₁、应变片S₂、应变片S₃、应变片S₄，所述应变片S₁与应变片S₂成对设置，所述应变片S₃与应变片S₄成对设置，所述应变片S₁、应变片S₂、应变片S₃、应变片S₄均沿钢压杆的长度方向布置，各应变片用于测量截面受拉侧、受压侧的应变值；

所述位移测量系统包括位移计组Ⅰ和位移计组Ⅱ，所述位移计组Ⅰ设置在翼缘板上，包括位移计H₁、位移计H₂、位移计H₃，H₁用于测量截面剪切中心处的y向位移、H₂用于测量翼缘左外伸端的y向位移、H₃用于测量翼缘右外伸端的y向位移，所述位移计组Ⅱ设置在腹板上，包括位移计H₄、位移计H₅、位移计H₆，H₄用于测量截面剪切中心处的z向位移、H₅用于测量截面形心处的z向位移、H₆用于测量腹板外伸端的z向位移；

初弯曲和初偏心的计算公式如下；

其中δ——为钢压杆指定截面处的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和；

D——为钢压杆截面处截面绕弱轴发生弯扭变形时截面形心沿z轴方向的侧移数值，也就是位移计H₅的读数；

I_y——为钢压杆截面绕弱轴的惯性矩；

A——为钢压杆的横截面面积；

h——为钢压杆失稳方向成对配置的拉压应变片的间距；

ε_t——表示截面处钢压杆失稳方向的翼缘受拉侧、受压侧第一组应变均值，为应变片S₃和S₄读数的平均值；

ε_c——表示截面处钢压杆失稳方向的翼缘受拉侧、受压侧第二组应变均值，为应变片S₁和S₂读数的平均值；

初扭转的计算方法如下；

其中β——为钢压杆指定截面处的初扭转角度数值；

r_i——为钢压杆指定截面处板件外伸端的位移计测点绕截面剪切中心转动时所产生的位移数值；

d_i——为钢压杆指定截面处初扭转测点至截面剪切中心的距离数值；

P——为施加的轴向压力数值；

P_E——为钢压杆相应的欧拉临界力数值，P_E＝π²EI_y/l²；

其中E——为钢材的弹性模量；

Iy——为截面绕弱轴的惯性矩；

l——为杆长；

所述T形截面钢压杆初始弯扭缺陷值为初弯曲和初偏心之和δ及初扭转β。

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