综合性实践环节试验设计

1.正截面受弯构件——适筋梁的受弯破坏试验设计。 1.试验目的：

（1） （2） （3） （4） （5）

通过实践掌握试件的设计、实验结果整理的方法。 加深对混凝土基本构建受力性能的理解。

更直观的了解适筋梁受弯破坏形态及裂缝发展情况。 验证适筋梁破坏过程中的平截面假定。

对比实验值与计算理论值，从而更好地掌握设计的原理。

2.试件设计：

（1）试件设计的依据

根据梁正截面受压区相对高度和界限受压区相对高度b的比较可以判断出受弯构件的类型：当b时，为适筋梁；当b时，为超筋梁。界限受压区相对高度b可按下式计算：

b10.8fy0.0033Es

bb在设计时，如果考虑配筋率，则需要确保其中在进行受弯试件梁设计时，

fy1fcfy

、Es分别取《混凝土结构设计规范》规

fy定的钢筋受拉强度标准值和弹性模量；进行受弯试件梁加载设计时，

、Es分

别取钢筋试件试验得到钢筋受拉屈服强度标准值和弹性模量。

同时，为了防止出现少筋破坏，需要控制梁受拉钢筋配筋率大于适筋构件的最小配筋率min，其中min可按下式计算：

min0.45ftfy

（2）试件的主要参数 ①试件尺寸（矩形截面）：b×h×l＝180×250×2200mm； ②混凝土强度等级：C35；

③纵向受拉钢筋的种类：HRB400；

④箍筋的种类：HPB300（纯弯段无箍筋）； ⑤纵向钢筋混凝土保护层厚度：25mm；

综上所述，试件的配筋情况见图3和表1：

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图3 梁受弯实验试件配筋

表1

试件 编号 配筋情况 试件特征 ① 适筋梁 416 ② 210 ③ 8@50(预估荷载P (kN) Pcr 32.729 Py 147.266 Pu 163.629 MLA

2) 说明：预估荷载按照《混凝土结构设计规范》给定的材料强度标准值计算，未计试件梁和分配梁的自重。

3.试验装置：

图1为本方案进行梁受弯性能试验采用的加载装置，加载设备为千斤顶。采用两点集中力加载，以便于在跨中形成纯弯段。并且由千斤顶及反力梁施加压力，分配梁分配荷载，压力传感器测定荷载值。

梁受弯性能试验中，采用三分点加载方案，取L2200mm，a100mm，

b700mm，c600mm。

图2.a为加载简图，此时千斤顶加力为P，经过分配梁后，可视为两个大小为P/2的集中荷载分别作用于图示位置。

M0.35P. 图2.b为荷载作用下的弯矩图。由此图可知，纯弯段的弯矩最大，图2.c为荷载作用下的剪力图。

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1—试验梁；2—滚动铰支座；3—固定铰支座；4—支墩；5—分配梁滚动铰支座； 6—分配梁滚动铰支座；7—集中力下的垫板；8—分配梁；9—反力梁及龙门架；10—千斤顶；

图1 梁受弯试验装置图

（a）加载简图（kN, mm）

（b）弯矩图（kN•mm）

（c）剪力图（kN•mm）

图2 梁受弯试验加载和内力简图

4.加载方式：

（1）单调分级加载机制：

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梁受弯试验采取单调分级加载，每次加载时间间隔为15分钟。在正式加载前，为检查仪器仪表读数是否正常，需要预加载，预加载所用的荷载是分级荷载的前两级。具体加载过程为：

① 在加载到开裂荷载计算值的90%以前，每级荷载不宜大于开裂荷载计算值得20%

② 达到开裂荷载计算值的90%以后，每级荷载不宜大于其荷载值的5%；

③ 当试件开裂后，每级荷载值取10%的承载力试验荷载计算值的级距；

④ 当加载达到纵向受拉钢筋屈服后，按跨中位移控制加载，加载的级距为钢筋屈服工况对应的跨中位移；

⑤ 加载到临近破坏前，拆除所有仪表，然后加载至破坏。

（2）开裂荷载实测值确定方法：

对于本次试验，采用放大镜观测法确定开裂荷载实测值。具体过程：用放大倍率不低于四倍的放大镜观察裂缝的出现；当加载过程中第一次出现裂缝时，应取前一级荷载作为开裂荷载实测值；当在规定的荷载持续时间内第一次出现裂缝时，应取本级荷载值与前一级荷载的平均值作为开裂荷载实测值；当在规定的荷载持续时间结束后第一次出现裂缝时，应取本次荷载值作为开裂荷载实测值。

（3）承载力极限状态确定方法：

对梁试件进行受弯承载力试验时，在加载或持载过程中出现下列标记即可认为该结构构件已经达到或超过承载力极限状态，即可停止加载：

① 受拉主钢筋拉断；

② 受拉主钢筋处最大垂直裂缝宽度达到1.5mm； ③ 挠度达到跨度的1/30； ④ 受压区混凝土压坏。

5.试验测量内容、方法和测点仪表布置：

（1） 混凝土平均应变

在梁跨中一侧面布置5个位移计，位移计间距50mm，标距为150mm，以量测梁侧表面混凝土沿截面高度的平均应变分布规律，测点布置见图4。

图4梁受弯试验混凝土平均应变测点布置

（2）纵向钢筋应变

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在试件纵向受拉钢筋中部粘贴电阻应变片，以量测加载过程中钢筋的应力变化，测点布置见图5。

图5 纵筋应变片布置

（3）挠度

对受弯构件的挠度测点应布置在构件跨中或挠度最大的部位截面的中轴线上，如图6所示。在试验加载前，应在没有外荷载的条件下测读仪表的初始读数。试验时在每级荷载下，应在规定的荷载持续试件结束时量测构件的变形。结构构件各部位测点的测度程序在整个试验过程中宜保持一致，各测点间读数时间间隔不宜过长。

图6 梁受弯试验挠度测点布置

（4）裂缝

试验前将梁两侧面用石灰浆刷白，并绘制50mm×50mm的网格。试验时借助放大镜用肉眼查找裂缝。构件开裂后立即对裂缝的发生发展情况进行详细观测，用读数放大镜及钢直尺等工具量测各级荷载(0.4Pu~0.7Pu)作用下的裂缝宽度、长度及裂缝间距，并采用数码相机拍摄后手工绘制裂缝展开图，裂缝宽度的测量位置为构件的侧面相应于受拉主筋高度处。最大裂缝宽度应在使用状态短期试验荷载值持续15min结束时进行量测。

6.理论极限荷载计算书

（1）配筋计算：

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由所选材料性能可知:

fyk400N/mm2fy360N/mm2fyv270N/mm2fck23.4N/mm2fc16.7N/mm2ftk2.20N/mm2ft1.57N/mm2

min0.45b10.8fyft1.570.451.96103fy360

0.0033Es

116.70.024360=0.523

bb1fcfy0.523

h0hcd250258217mm 2所以，当所配纵筋为314时，钢筋面积As=804mm2;

As0.021 bh0此时

minb

所以该梁为适筋梁

（2）试件加载估算 1. 开裂弯矩估算

Es2.06105E6.540Ec3.15104

A2EAs26.548040.234 bh180250.

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Mcr0.292(12.5A)ftkbh20.29212.50.2342.20180250211.455kN•m

2. 屈服弯矩估算

作为估算，可以假定钢筋屈服时，压区混凝土的应力为线性分布，因此有：

MyfyAs(h0xn/3)0.9Mu

3. 极限弯矩估算

4008040.350

1fckbh0123.4180218Mu1kfckbh02(10.5)123.418021720.35010.50.350 57.270kNmfykAsPcrMcr11.455kN=32.729kN 0.350.35Mu57.270PukN163.629kN

0.350.35Py0.9Pu147.266kN

4. 抗剪验算

梁中箍筋采用上述配置，及

8@502，此时梁的抗剪能力如下：

a7003.2

h0217Asv>3 =3

2428mm2100.53mm2

=Asvf100.532.57103min0.24t1.43103 bh0180217fyvVu,max0.25cfcbh00.251.016.7180217N163.075kN Asv1.75Vuftbh0fyvh0144.6kN

1s.

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Vu.maxVu V144.6kN

u此时 因为

Pcu2Vu289.2kN

PcuPu，所以该梁出现正截面破坏，符合要求。

2. 斜截面受剪构件——无腹筋梁斜拉受剪破坏试验设计。

大量试验结果表明：无腹筋梁斜截面受剪破坏的形态取决于剪跨比λ的大小，大致有斜

拉破坏、剪压破坏和斜压破坏三种主要破坏形态。图1画出了两个对称荷载作用下，λ=2、1、

时的主拉应力迹线（虚线）和主压应力迹线（实线）。由图可见，当λ=

1时，在集中2荷载与支座反力间形成比较陡的主压应力迹线，又由于这时主压应力值比较大，所以破坏主要是由于主压应力产生，称为斜压破坏。当λ=1～2时，主压应力迹线与梁纵轴线的交角接近或小于45°，并且主压应力值与主拉应力值两者相差不很大，因此，破坏形态也就不同。试验研究表明，无腹筋梁斜截面受剪破坏形态主要有以下三种：

1、斜拉破坏：当剪跨比λ>3时，发生斜拉破坏，其破坏特征是：斜裂缝一旦出现就迅速延伸到集中荷载作用点处，使梁沿斜向拉裂成两部分而突然破坏，破坏面整齐、无压碎痕迹，破坏荷载等于或略高于出现斜裂缝时的荷载。斜拉破坏时由于拉应变达到混凝土极限拉应变而产生的，破坏很突然，属于脆性破坏类型。

2、剪压破坏：当剪跨比1≤λ≤3时，发生剪压破坏，其破坏特征是；弯剪斜裂缝出现后，荷载仍可以有较大的增长。随荷载的增大，陆续出现其它弯剪斜裂缝，其中将形成一条主要的些裂缝，称为临界斜裂缝。随着荷载的继续增加，临界斜裂缝上端剩余截面逐渐缩小，最后临界斜裂缝上端集中于荷载作用点附近，混凝土被压碎而造成破坏。剪压破坏主要是由于剩余截面上的混凝土在剪应力、水平压应力以及集中荷载作用点处竖向局部压应力的共同作用而产生，虽然破坏时没有像斜拉破坏时那样突然，但也属于脆性破坏类型。与斜拉破坏相比，剪压破坏的承载力要高。

3、斜压破坏：当剪跨比λ很小（一般λ≤1）时，发生斜压破坏，其破坏特征是：在荷载作用点与支座间的梁腹部出现若干条大致平行的腹剪斜裂缝，随荷载增加，梁腹部被这些斜裂缝分割成若干斜向受压的“短柱体”，最后它们沿斜向受压破坏，破坏时斜裂缝多而密。斜压破坏也很突然，属于脆性破坏类型，其承载力要比剪压破坏高。

3.钢筋混凝土柱——大偏心受压构件破坏试验设计。

1试件设计 1.构件设计

（1）试件设计的依据

为减少“二阶效应”的影响，将试件设计为短柱，即控制l0/h≤5。通过调整轴向力的作用位置，即偏心距e0,使试件的破坏状态为小偏心受压破坏。 （2）试件的主要参数

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①试件尺寸（矩形截面）：b×h×l = 124×120×899mm ②混凝土强度等级：C20 ③纵向钢筋：对称配筋412 ④箍筋：Φ6@100（2）

⑤纵向钢筋混凝土保护层厚度：15mm ⑥试件的配筋情况（如下页图所示）

4双向钢丝网2片 尺寸170x903 8@503 8@5050135120016φ124φ12120224 6@1005008704φ122001355015020050 8@50120 8@50 6@1001203 8@503 8@501-12-212080200 4双向钢丝网2片 尺寸170x90柱试件立面图 ⑦取偏心距e0：100mm

图1.3大偏心受压柱配筋图

2、加载装置和量测内容 1 加载装置

柱偏心受压试验的加载装置如图所示。采用千斤顶加载，支座一端为固定铰支座，另一 端为滚动铰支座。铰支座垫板应有足够的刚度，避免垫板处混凝土局压破坏。

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Pe0e0

图1.4.1 柱偏心受压试验加载装置

P2 加载方式

（1）单调分级加载机制

实际的加载等级为0-10kN-20kN-30kN-40kN-50kN-60kN-破坏

3量测内容

（1）混凝土平均应变

由布置在柱内部纵筋表面和柱混凝土表面上的应变计测量，混凝土应变测点布置如下图。

360

8701234150

位移计3030153603015

图1.4.3大偏心受压柱试验混凝土应变测点布置

（2）纵筋应变

由布置在柱内部纵筋表面的应变计量测，钢筋应变测点布置如下图。

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385应变片共计8片1203应变片共计8片31008701203853-3200图1.4.3.1大偏心受压柱试验纵向钢筋应变测点布置

（3）侧向挠度

柱长度范围内布置5 个位移计以测量柱侧向挠度，侧向挠度测点布置如下图。

870385支杆50

位移计5

位移计6385位移计750

图1.4.3.2大偏心受压柱试验侧向挠度测点布置

（4）裂缝

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试验前将柱四面用石灰浆刷白，并绘制50mm×50mm的网格。试验时借助放大镜查找裂缝。

4、实际实验数据

荷载

2_1 0.661 9.992 19.984 30.224 40.216 50.043 59.705 69.862 79.854 93.976 93.232 92.737 92.076 80.928 75.643

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纵向钢筋应变

34_1 34_2 34_3 34_4 34_5 34_6 34_7 34_8 -12 -5 -1 3 -4 -14 -5 0 -50 -117 20 116 -100 -128 126 84 -162 -229 226 349 -229 -274 351 272 -280 -348 486 634 -363 -442 623 515 -372 -466 721 913 -496 -615 904 842 -478 -625 962 1191 -661 -832 1190 1126 -653 -825

1256

1521 -871 -1143 1522 1467 -810

-1008 1511

1825 -1056 -1403 1832 1773 -1100 -1329 1905 2346 -1376 -1866 2348 2205 -1485 -1741 2586 4928 -1819 -2411 4074 5128 -1544 -1811 2793 6257 -1879 -2494 5723 6022 -1560 -1815 2843 7114 -1883 -2502 6547 6402 -1585 -1841 2899 8132 -1909 -2525 8076 6913 -1699 -1851 2928 10437 -2060 -2561 0 7856 -1703 -1811 2930

10382

-2086

-2520

0

7844

混凝土应变

侧向挠度

10_1 10_2 10_3 10_5

10_6

10_7 -0.012 0

0

-0.004 0.021 0 -0.016 -0.004 0.004 0.295 0.301 0.078 -0.031 -0.008 0.181 0.463 0.704 0.184 -0.063 -0.016 0.15 0.615 1.231 0.348 -0.086 -0.02

0.283

0.745 1.75 0.479 -0.09 -0.035 0.37 0.914 2.364 0.704 -0.11 -0.051 0.445 1.099 3.196 0.937 -0.161 -0.051 0.46 1.255 3.838 1.154 -0.228 -0.071 0.456 1.55 5.037 1.522 -0.322

-0.09

0.555

1.983

6.919

2.104

.

-0.318 -0.318 -0.326 -0.341 -0.349

-0.094 0.559 -0.094 0.594 -0.094 0.602 -0.094 0.598 -0.094 0.598

2.009 2.051 2.156 2.775 3.268

7.084 7.236 7.685

2.222 2.255 2.411

10.733 3.802 13.303 5.009

按照《混凝土结构设计规范》给定的材料强度标准值及上述的计算公式，对于本次试验试件的极限承载力的预估值为： Ncu64kN。

构件正截面承载力分析

l8707.258,查《混凝土设计规范》得：1.0b0120AS2*π*1221.6%3%bh4*120*120'则Ncu（Afcf'yAS)274kN'

实测值为94kN，比预估值大46.9%，可能原因如下：

①试验时混凝土养护时间已经超过要求的标准的28d，强度有所提高；

②计算时所采用的安全系数等等都为该构件的承载力提供了一定的安全储备，导致实际的抗压强度高于计算的抗压强度；

③混凝土计算公式本身的不确定性以及材料性质的不确定性导致。

当荷载较小时，构件处于弹性阶段，构件中部的水平挠度随荷载线性增长。随着荷载的不断增大，受拉区的混凝土首先出现横向裂缝而退出工作，远离轴向力一侧钢筋的应力及应变增速加快；接着受拉区的裂缝不断增多，并向压区延伸，受压区高度逐渐减小，受压区混凝土应力增大。当远离轴向力一侧的钢筋达到屈服时，截面处形成一主裂缝。当受压一侧的混凝土达到抗压极限时，受压区较薄弱的地方出现纵向裂缝，混凝土被压碎而使构件破坏。此时，靠近轴向力一侧的钢筋也达到抗压屈服强度。

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