CN110686632B - 一种h形截面钢压杆初始几何缺陷的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量工程技术领域，尤其涉及一种H形截面钢压杆初始几何缺陷的测量方法，包括以下步骤；步骤一、在钢压杆长度1/n点处选取初始几何缺陷测量截面，步骤二、在初始几何缺陷测量截面上设置位移测量系统，步骤三、计算初始几何缺陷测量截面处的绕弱轴方向的杆件初弯曲和荷载初偏心之和,步骤四、计算初始几何缺陷测量截面处的绕强轴方向的杆件初弯曲和荷载初偏心之和；本发明能根据加载过程中钢压杆测量截面的变形反算出H形截面钢压杆的初弯曲和荷载初偏心之和从而减小测量误差，且可以与后续的钢压杆整体稳定承载力试验共用一套加载系统而不需要另外的测量设备。

Description

一种H形截面钢压杆初始几何缺陷的测量方法

技术领域

本发明属于测量工程技术领域，尤其涉及一种H形截面钢压杆初始几何缺陷的测量方法。

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。钢压杆的初始几何缺陷越大，其整体稳定承载力越低。针对钢压杆整体稳定承载力的理论分析和试验研究工作中，需要明确钢压杆的初始几何缺陷的大小，因此，如何准确且方便地测量出钢压杆的初始几何缺陷就显得尤为重要。

H形截面钢压杆是钢结构中应用非常广泛的一种钢压杆，影响其整体稳定承载力的两种重要初始几何缺陷为钢压杆初弯曲和荷载初偏心。

目前传统的钢压杆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钢压杆中部偏离钢压杆两端几何中心连线的距离；(2)用光学仪器测量沿钢压杆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，并取最大值作为钢压杆的几何初弯曲值。目前传统的荷载的初偏心测量方法一般也有两种，分别为：(1)用光学仪器直接测量钢压杆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钢压杆的几何初偏心。

目前，H形截面钢压杆初始几何缺陷测量采用了分开测量钢压杆初弯曲和荷载初偏心后再叠加的方法进行处理的。这种处理方式有两个缺点：(1)钢压杆初弯曲和荷载初偏心对钢压杆的整体稳定承载力的影响性质相同，一般会将二者合二为一进行考虑，分开测量再叠加的处理方式会产生较大的人为误差；(2)现有的钢压杆初弯曲和荷载初偏心测量，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H形截面钢压杆初始几何缺陷的测量方法，能根据加载过程中钢压杆测量截面的变形反算出H形截面钢压杆的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和从而减小测量误差，且可以与后续的钢压杆整体稳定承载力试验共用一套加载系统而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H形截面钢压杆初始几何缺陷的测量方法，包括以下步骤；

步骤一、在钢压杆长度1/n点处选取初始几何缺陷测量截面，其中n为正偶数；

步骤二、在初始几何缺陷测量截面上设置位移测量系统，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和位移计组Ⅱ均包含三个位移计，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，其中H₁用来测量截面翼缘中点的z向位移，H₂用来测量翼缘左外伸端的z向位移，H₃用来测量翼缘右外伸端的z向位移，所述位移计组Ⅱ设置在腹板上，其中H₄用来测量腹板中点的y向位移，H₅用来测量腹板与下翼缘交叉点的y向位移，H₆用来测量腹板与上翼缘交叉点的y向位移；

步骤三、在H形截面钢压杆整体稳定承载力试验开始加载的弹性阶段，根据所施加的荷载P的大小及位移计H₄、位移计H₅、位移计H₆的读数，按照下式计算初始几何缺陷测量截面处的绕弱轴方向的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和；

步骤四、在H形截面钢压杆整体稳定承载力试验开始加载的弹性阶段，根据所施加的荷载P的大小及位移计H₁、位移计H₂、位移计H₃的读数，按照下式计算初始几何缺陷测量截面处的绕强轴方向的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和；

其中δ_y——为钢压杆初始几何缺陷测量截面处绕弱轴的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和；

P_Ez——为试验钢压杆绕弱轴的欧拉临界力数值；

P_i——为施加的轴向压力数值；

P_i+1——为施加的轴向压力P_i的下一级荷载P_i+1的数值；

Y_i——为施加的荷载为P_i时，钢压杆初始几何缺陷测量截面处截面绕弱轴发生弯曲变形时截面形心沿z轴方向的侧移数值，为位移计H₄、位移计H₅、位移计H₆的读数平均值；

Y_i+1——为施加的荷载为P_i的下一级荷载P_i+1时，钢压杆初始几何缺陷测量截面处截面绕弱轴发生弯曲变形时截面形心沿y轴方向的侧移大小；

δ_z——为钢压杆初始几何缺陷测量截面处绕强轴的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和；

P_Ey——为试验钢压杆绕强轴的欧拉临界力数值；

Z_i——为施加的荷载为P_i时，钢压杆初始几何缺陷测量截面处截面绕强轴发生弯曲变形时截面形心沿z轴方向的侧移数值，为位移计H₁、H₂、H₃的读数平均值；

Z_i+1——为施加的荷载为P_i的下一级荷载P_i+1时，钢压杆初始几何缺陷测量截面处截面绕强轴发生弯曲变形时截面形心沿z轴方向的侧移数值。

本发明的有益效果在于：能根据加载过程中钢压杆测量截面的变形反算出H形截面钢压杆的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和从而减小测量误差，通过沿钢压杆长度方向布置的多个测量截面获得钢压杆全长的初始几何缺陷形式，且因与后续的钢压杆整体稳定承载力试验共用一套加载系统而不需要另外的测量设备，另外可根据需要，沿钢压杆长度方向设置的更多的测量截面，获得更多的初始几何缺陷实测值，从而获得更为精确的沿钢压杆长度方向的初始几何缺陷分布形式。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的有限元模型示意图；

图3为本发明的杆端约束情况和轴心压力施加情况示意图；

图4为本发明的特征值屈曲分析结果示意图；

图5为本发明的P＝160.862kN时，钢压杆上1/2处Y向变形形式示意图；

图6为本发明的P＝160.862kN时，钢压杆上1/2处Z向变形形式示意图；

其中：1-球铰支座，2-钢压杆，3-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所示的一种H形截面钢压杆初始几何缺陷的测量方法，包括位移测量系统、球铰支座1和钢压杆2，钢压杆2设置在球铰支座1上，球铰支座可以与钢压杆产生相对转动，测量方法如下：

步骤一、在钢压杆长度1/n(n＝2,4,6,……)点处设置初始几何缺陷测量截面。

步骤二、在初始几何缺陷测量截面A-A处安装位移测量系统，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均包含三个位移计3，位移计组Ⅰ设置在翼缘板上，包括H₁、H₂、H₃，其中H₁用来测量截面翼缘中点的z向位移，H₂用来测量翼缘左外伸端的z向位移，H₃用来测量翼缘右外伸端的z向位移，位移计组Ⅱ设置在腹板上，包括H₄、H₅、H₆，其中H₄用来测量腹板中点的y向位移，H₅用来测量腹板与下翼缘交叉点的y向位移，H₆用来测量腹板与上翼缘交叉点的y向位移。

步骤三、在H形截面钢压杆整体稳定承载力试验开始加载的弹性阶段，可根据所施加的荷载P的大小及位移计H₄、H₅、H₆的读数，按照下式计算截面A-A处的绕弱轴方向的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和：

其中：

δ_y——为钢压杆截面A-A处绕弱轴的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和(mm)；

P_Ez——为试验钢压杆绕弱轴的欧拉临界力大小(kN)，需按照上述公式计算获得；

P_i——为施加的轴向压力大小(kN)；

P_i+1——为施加的轴向压力P_i的下一级荷载P_i+1的大小(kN)；

Y_i——为施加的荷载为P_i时，钢压杆截面A-A处截面绕弱轴发生弯曲变形时截面形心沿z轴方向的侧移大小(mm)，即图中位移计H₄、H₅、H₆的读数平均值；

Y_i+1——为施加的荷载为P_i的下一级荷载P_i+1时，钢压杆截面A-A处截面绕弱轴发生弯曲变形时截面形心沿y轴方向的侧移大小(mm)。

步骤四、在H形截面钢压杆整体稳定承载力试验开始加载的弹性阶段，可根据所施加的荷载P的大小及上述位移计H₁、H₂、H₃的读数，按照下式计算截面A-A处的绕强轴方向的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和：

其中：

δ_z——为钢压杆截面A-A处绕强轴的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和(mm)；

P_Ey——为试验钢压杆绕强轴的欧拉临界力大小(kN)，需按照上述公式计算获得；

P_i——为施加的轴向压力大小(kN)；

P_i+1——为施加的轴向压力P_i的下一级荷载P_i+1的大小(kN)；

Z_i——为施加的荷载为P_i时，钢压杆截面A-A处截面绕强轴发生弯曲变形时截面形心沿z轴方向的侧移大小(mm)，即图中位移计H₁、H₂、H₃的读数平均值；

Z_i+1——为施加的荷载为P_i的下一级荷载P_i+1时，钢压杆截面A-A处截面绕强轴发生弯曲变形时截面形心沿z轴方向的侧移大小(mm)

实施例1：

以长度为5000mm的H200×200×8×12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)的模型，并进行模拟加载试验，获得不同压力大小时图1中各测点的位移计读数，并带入钢压杆初弯曲和荷载初偏心的计算公式，对构件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。

具体步骤如下：

(1)选用BEAM188单元，按照几何尺寸l＝5000mm和H200×200×8×12建立具有初始缺陷的有限元模型(绕两主轴方向的钢压杆初弯曲为正弦曲线，最大幅值均为2.5mm；绕两主轴方向的荷载初偏心均为2.5mm)，钢材屈服强度f_y＝235MPa，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处节点的UX＝0、UY＝0、UZ＝0、ROTX＝0；X＝l处节点的UY＝0、UZ＝0、ROTX＝0；并在X＝l处节点上施加压力FX＝-1，如图3所示。

(3)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。其中屈曲模态为绕弱轴的弯曲失稳，临界力大小为1296.670kN，与传统稳定理论中的屈曲模态一致，且临界力误差为(1301.209-1296.670)/1301.209＝0.35％，从而验证了有限元模型的正确性。

(4)重新施加杆端约束和偏心压力，进行非线性分析，获得不同压力大小时钢压杆各测点位移计读数，对应有限元模型中相应节点的位移值，具体情况如表1所示，选取P＝160.862kN时，杆长1/2处单元，显示其变形情况，如图5所示。

表1H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

计算结果分析：

有限元模型中输入的初始几何缺陷为：绕两主轴方向的钢压杆初弯曲为正弦曲线，最大幅值均为2.5mm；绕两主轴方向的荷载初偏心均为2.5mm。

由表1中的临界力计算数据可知，钢压杆绕弱轴的屈曲临界力P_Ez的平均值为1299.700kN,与传统稳定理论中绕弱轴屈曲临界力的解析解1301.209相比，误差为0.116％；钢压杆绕强轴的屈曲临界力P_Ey的平均值为3650.662kN,与传统稳定理论中绕强轴屈曲临界力的解析解3749.107相比，误差为2.626％.

由表1中的初始几何缺陷计算数据可知，钢压杆1/2处绕弱轴的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和δ_y的平均值为4.9660mm，与有限元模型中的初设值5.0mm相比，误差为0.680％；钢压杆1/2处绕强轴的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和δ_z的平均值为4.9759mm，与有限元模型中的初设值5.0mm相比，误差为0.482％.

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H形截面钢压杆初始几何缺陷的测量方法，其特征在于：包括以下步骤；

步骤一、在钢压杆长度1/n点处选取初始几何缺陷测量截面，其中n为正偶数；

步骤二、在初始几何缺陷测量截面上设置位移测量系统，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和位移计组Ⅱ均包含三个位移计，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，其中H₁用来测量截面翼缘中点的z向位移、H₂用来测量翼缘左外伸端的z向位移、H₃用来测量翼缘右外伸端的z向位移，所述位移计组Ⅱ设置在腹板上，其中H₄用来测量腹板中点的y向位移、H₅用来测量腹板与下翼缘交叉点的y向位移、H₆用来测量腹板与上翼缘交叉点的y向位移；

步骤三、在H形截面钢压杆整体稳定承载力试验开始加载的弹性阶段，根据所施加的荷载P的大小及位移计H₄、位移计H₅、位移计H₆的读数，按照下式计算初始几何缺陷测量截面处的绕弱轴方向的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和；

步骤四、在H形截面钢压杆整体稳定承载力试验开始加载的弹性阶段，根据所施加的荷载P的大小及位移计H₁、位移计H₂、位移计H₃的读数，按照下式计算初始几何缺陷测量截面处的绕强轴方向的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和；

其中δ_y——为钢压杆初始几何缺陷测量截面处绕弱轴的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和；

P_Ez——为试验钢压杆绕弱轴的欧拉临界力数值；

P_i——为施加的轴向压力数值；

P_i+1——为施加的轴向压力P_i的下一级荷载P_i+1的数值；

Y_i——为施加的荷载为P_i时，钢压杆初始几何缺陷测量截面处截面绕弱轴发生弯曲变形时截面形心沿z轴方向的侧移数值，为位移计H₄、位移计H₅、位移计H₆的读数平均值；

Y_i+1——为施加的荷载为P_i的下一级荷载P_i+1时，钢压杆初始几何缺陷测量截面处截面绕弱轴发生弯曲变形时截面形心沿y轴方向的侧移大小；

δ_z——为钢压杆初始几何缺陷测量截面处绕强轴的钢压杆初弯曲和荷载初偏心之和；

P_Ey——为试验钢压杆绕强轴的欧拉临界力数值；

Z_i——为施加的荷载为P_i时，钢压杆初始几何缺陷测量截面处截面绕强轴发生弯曲变形时截面形心沿z轴方向的侧移数值，为位移计H₁、H₂、H₃的读数平均值；

Z_i+1——为施加的荷载为P_i的下一级荷载P_i+1时，钢压杆初始几何缺陷测量截面处截面绕强轴发生弯曲变形时截面形心沿z轴方向的侧移数值。

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