高等建筑教育 ２０１５年第２４卷第１期 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＡＬ ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ ＩＮ ＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮＳ ＯＦ ＨＩＧＨＥＲ ＬＥＡＲＮＩＮＧ Ｖｏ１．２４ Ｎ０．１ ２０１５ １２３ ｄｏｉ：１０．１１８３５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２９０９．２０１５．０１．０３０ 钢梁整体稳定教学实验装置改进 设计 郭小农，秦 朗，黄玮嘉，王 伟 （同济大学土木工程学院，上海２０００９２） 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。铜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；Ｇ６４２．４２３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—２９０９（２０１５）０１－０１２３－０４ 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¨ 。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 。 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 ３Ｉ４ｌ５］。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 应高于实验所得的极限弯矩 。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Ｍ 比弹性临界弯矩 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。 收稿日期：２０１４—０７—２０ 基金项目：国家精品课程和国家级教学团队“钢结构”建设项目；同济大学实验教学改革项目 作者简介：郭小农（１９７７一 ），男，同济大学土木工程学院副教授，博士，主要从事钢结构教学，（Ｅ—ｍａｉｌ） ｇｕｏ—ｘｉａｏ—ｎｏｎｇ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ。 １２６ 高等建筑教育 ２０１５年第２４卷第１期 三、改进支座 和ｋ 的值更加接近于无穷大；最后，由于在立杆上 根据对原有支座约束刚度的分析，可以得到改 也设置了滚动轴承，故尼 和ｋ 的值也为零。综上， 进支座（图７）。改进支座由底座、轴、定距套、活动 改进支座的约束条件更加接近于理想夹支支座。 立杆、滚动轴承、轴端挡圈、柱端挡板、螺杆、螺母、螺 使用改进支座与原有支座进行钢梁整体稳定性 栓、垫圈等零件构成。轴由轴端挡板和螺栓固定在 的对比实验，试件１的两端采用了新设计支座，试件 底座上，轴上用定距套固定滚动轴承，使轴承沿轴向 ２的两端采用了原有支座。表２列出了试件１和试 不能移动。活动立杆能在轴和底座上滑动，可由螺 件２的实验极限弯矩 弹性临界弯矩 、边缘屈 杆和螺母固定。底座上固定立杆和活动立杆上各有 服弯矩 和全截面塑性弯矩 。比较结果。从表２ 一个滚动轴承，轴向固定，绕轴可自由转动。实验加 可以看出，试件２的极限弯矩为临界弯矩的１．２７ 载时，工字钢梁端下翼缘置于轴上滚动轴承上，上翼 倍，与往年使用原有支座的实验结果接近；而试件１ 缘侧面分别与支座固定立杆与活动立杆上２个滚动 的实验极限弯矩为临界弯矩的０．９９倍，采用新支座 轴承相接触。 的试验结果更加接近于理论值。采用新支座进行教 由于底杆上采用了滚动轴承，将滑动摩擦改为 学试验，可以获得更好的试验结果，收到更加良好的 了滚动摩擦，因此可以认为ｋ 和ｋ：的值为零；另外， 教学效果。 改进支座的立杆截面比原有支座增大了很多，故 表２ 改进支座和原有支座的实验结果对比 四、结语 ［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００５． 文章分析了钢梁整体稳定教学试验中钢梁支座 ［２］郭小农，罗永峰，蒋首超，等．钢结构稳定教学研究［Ｊ］． 的约束刚度，对原有支座进行了改进，进一步完善了 高等建筑教育，２０１１，２０（２）：４６—４８． 钢结构教学实验平台，完善了钢结构课程的教学模 ［３］王伟，赵宪忠，郭小农，等．钢结构多功能教学实验平台 式。采用改进支座进行教学试验，可以获得更加准 的研制与实践【Ｊ］． 高等建筑教育，２００９，１８ （２）：１０２—１０４． 确的试验结果，加深了学生对钢结构稳定问题的理 ［４］李国强，陈以一，朱合华等．土木工程专业结构工程课程 解，开阔了学生的学术视野，收到了更好的教学 体系与教学内容改革总体方案［Ｊ］．高等建筑教育， 效果 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 参考文献： 索［Ｊ］．高等建筑教育，２０１ｌ，２０（１）：１４９—１５４． ［１］沈祖炎，陈扬骥，陈以一．铜结构基本原理（第２版） Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｂｅａｍ ＧＵＯ Ｘｉａｏｎｏｎｇ，ＱＩＮ Ｌａｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｗｅｉｊｉａ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｆｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ａｎｄ ｄｉｆｉｆｃｕｌｔ ｐｏｉｎｔ ｉｎ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ａｓ ａ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｃｏｕｒｓｅ ｉｎ ｃｉｖｉｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｔｏｏｋ ｔｈｅ ｌｅａｄ ｉｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａ ｍｕｌｔｉ— ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｗｉｔｈ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｆｏｒ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｂｅａｍ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｏｒｎａｍｅｎｔａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｓｔ ｆｅｗ ｙｅａｒｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｅａｌ ｖａｌｕｅｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｓｕｐｐｏｎ ｏｆ ｂｅａｍ，ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ａ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ ｔｏ ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｂｅａｍ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏ￣，ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｕｅｓ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅｓ ａｎｄ ｔｈｕｓ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｇｏｏｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅａｃｈｉｎｇ ｔｅｓｔ；ｏｖｅｒａｌ１ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｂｅａｍ；ｓｕｐｐｏ￣ｏｆ ｂｅａｍ （编辑胡碉）
