资源描述
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《混凝土结构基本原理》试验课程作业
混凝土构件试验报告
试验名称
适筋梁受弯破坏试验
试验日期
2015-11-05
试件编号
MLA2
姓名
倪荫豪
学号
1350871
手机号
15900736318
试验课教师
赵勇
基本原理课教师
薛伟辰
一． 试验目的 3
二． 试件设计 3
2.1设计依据 3
2.2材料和试件尺寸 3
2.3配筋率的检验 4
2.3.1纵筋配筋率的检验 4
2.3.2箍筋配筋率的检验 4
2.4试件加载估算 5
2.4.1开裂弯矩估算 5
2.4.2极限弯矩的估算 5
2.4.3屈服弯矩的估算 5
2.5试件的制作 6
三． 材料试验 6
四． 试验过程 8
4.1 加载装置 8
4.2 加载制度 9
4.3预估承载力 9
五． 量测与观察内容 9
5.1荷载 9
5.2纵向钢筋的应变 9
5.3混凝土平均应变 10
5.4挠度 10
5.5裂缝 11
六． 试验数据处理与分析 11
6.1实验数据处理 11
6.1.1荷载-挠度关系曲线 11
6.1.2荷载-曲率关系曲线 12
6.1.3 荷载-纵筋应变关系曲线 14
6.2承载力分析 15
6.2.1 正截面承载力分析 15
6.2.2斜截面承载力分析 15
1． 试验目的
（1）观察并掌握适筋梁受弯破坏的力学行为和破坏模式；
（2）掌握构件加载过程中裂缝和其他现象的描述和记录方法；
（3）掌握对实验数据的处理和分析方法；
（4）学会利用数据分析实验过程中的现象，尤其是与理论预期有较大偏差的现象；
（5） 通过撰写实验报告的过程，加深对混凝土结构适筋梁构件受弯性能的理解。
2． 试件设计
2.1设计依据
紧扣试验目的，适筋梁的受弯破坏。设计的试件必须保证是一个适筋梁，并且破坏时必须是受弯破坏而不能是其他类型的破坏。
2.2材料和试件尺寸
试件主要参数：
（1）钢筋：纵筋HRB335、箍筋HPB235
（2）混凝土强度等级：C20
（3）试件尺寸（矩形截面）：bhl＝1202001800mm
（4）纵向钢筋混凝土保护层厚度：15mm
配筋情况见下表：
受拉钢筋
2fi14
受压钢筋
2fi10
箍筋
Fi8@50(纯弯段无箍筋）
2.3配筋率的检验
2.3.1纵筋配筋率的检验
满足适筋梁的要求。
2.3.2箍筋配筋率的检验
采用公式进行计算。
代入，可得：
由4.1节中的剪力图可知，只要荷载不超过226kN，受剪段就不会发生受剪破坏。
2.4试件加载估算
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进行计算，未计试件梁和分配梁的自重。
2.4.1开裂弯矩估算
按照公式进行计算。
2.4.2极限弯矩的估算
对于适筋梁：
2.4.3屈服弯矩的估算
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：
2.5试件的制作
（1）检查试模尺寸及角度，在试模内表面应涂一层矿物油或其他不与混凝土发生反应的脱模剂；
（2）取样拌制的混凝土，至少用铁锹来回拌和三次至均匀；
（3）现场平板振动现浇混凝土，将拌合物一次装入试模，装料时应用抹刀沿各试模壁插捣，并使混凝土拌合物高出试模口。刮涂试模上口多余的混凝土，待混凝土临近初凝时，用抹刀抹平；
（4）将试件小心平稳移入温度20℃0.5℃的房间进行标准养护；
（5）28天后，将试件小心脱模，待用，完成试件制作。
3． 材料试验
本次材料的试验数据：
试块留设时间：2015年10月11日
试块试验时间： 2015年12月3日
试块养护条件：与试件同条件养护
试件尺寸
150mm150mm300mm
实测轴心
抗压荷载
/kN
平均轴心
抗压强度
/MPa
推定立方体
抗压强度
/MPa
推定轴心
抗拉强度
/MPa
推定
弹性模量
/GPa
557.9
25.5
33.6
2.7
30.9
552.3
548.5
583.5
575.6
584.4
注：轴心抗压强度、轴心抗拉强度、弹性模量根据国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010推定。
钢筋强度实测结果
公称直径
/mm
屈服荷载
/kN
极限荷载
/kN
屈服强度
平均值/MPa
极限强度
平均值/MPa
试件
平均
试件
平均
6
光圆
11.6
11.3
16.0
15.7
400
556
11.2
15.6
11.2
15.6
8
光圆
19.0
18.5
23.2
22.9
368
456
18.4
22.4
18.0
23.2
10
光圆
28
27
40
37
344
476
25
32
28
40
10
带肋
39.99
39.78
50.06
49.90
506
635
39.49
49.71
39.87
49.93
12
带肋
60
62
71
73
548
646
63
74
62
73
14
带肋
68
69
91
92
448
598
74
94
66
90
18
带肋
154
145
162
164
570
645
152
164
128
165
22
带肋
162
160
200
200
421
526
158
200
160
200
4． 试验过程
4.1 加载装置
图2为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，在跨中形成纯弯段，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，取L=1800mm，a=150mm，b=500mm，c=500mm。
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2 梁受弯试验装置图
加载简图、弯矩剪力图如图3所示：
图3 加载简图、弯矩剪力图
4.2 加载制度
采用单调分级加载机制，加载分级情况为：①在加载到开裂试验荷载计算值的90%之前，每级荷载不宜大于开裂荷载计算值的20%；②达到开裂试验荷载计算值的90%之后，每级荷载值不宜大于其荷载值的5%；③当试件开裂后，每级荷载取10%的承载力试验荷载计算值（Pu）的级距；④加载到临近破坏前，拆除所有仪表，然后加载至破坏，记录破坏荷载。
承载力极限状态确定方法：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受压区混凝土压坏；④挠度达到跨度的1/30。
4.3预估承载力
根据之前计算的预估弯矩值结合，且L=1.2m，可得到开裂荷载，屈服荷载以及极限荷载依次为：
5． 量测与观察内容
5.1荷载
通过千斤顶施加到梁上的荷载，可以通过设置在加荷装置上的力传感器测得。
5.2纵向钢筋的应变
在试件纵向受拉钢筋中部粘贴电阻应变片，以量测加载过程中的钢筋应力变化，测点布置见下图。
5.3混凝土平均应变
在梁跨中一侧面布置4个位移计，从上至下间距分别为55,60,55mm。位移计标距为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，测点布置见下图。
5.4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，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。
5.5裂缝
试验前将梁两侧面用石灰浆刷白，并绘制50mm50mm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。
裂缝发展及破坏形态：试验前，试件尺寸bhl＝1202001800mm，跨度1600mm，无肉眼可见的裂缝和损伤。荷载较小时，也无明显裂缝发展。荷载加到15kN时，集中荷载作用截面下缘已经产生裂缝，如图。后来裂缝逐渐扩，裂缝截面混凝土承受的拉力全部传给钢筋，钢筋拉应力激增，直到发生屈服。 加载到接近100kN时，裂缝发展至梁顶部导致最终破坏。破坏形态如下图，裂缝图见附录。
6． 试验数据处理与分析
6.1实验数据处理
6.1.1荷载-挠度关系曲线
确定简支构件在各级荷载下的短期挠度实测值，本应该考虑支座沉降，自重的影响，但是，自重的影响在实验中被没有记录，因此只考虑支座沉降的影响。
fs,i=fq,i=fm,i-0.5 * (fl,i+fr,j)
说明：fm,i —— 位移计6所测数据
fl,i —— 位移计5所测数据
fr,i —— 位移计7所测数据
由以上公式可得荷载-挠度关系曲线，
从上图可以看出，挠度随荷载的变化大体可以分为三个阶段。
第一阶段是直线阶段（弹性阶段），荷载和挠度成正比，这一阶段中混凝土没有开裂现象。当到达开裂弯矩时，曲线的斜率开始降低。
第二阶段是斜率不断减小的曲线（带裂缝工作），裂缝处混凝土退出工作，钢筋应力激增， 裂缝不断发展，构件的刚度减小，即荷载挠度曲线的斜率不断减小。
第三阶段是斜向下的曲线（破坏阶段），挠度超过12mm后，随着继续增大千斤顶的压力挠度继续迅速增加，荷载不再增加，试件完全破坏。
6.1.2荷载-曲率关系曲线
混凝土应变与位移计1，2，3，4存在以下关系：
x是测得的位移。
实际测得数据可以发现位移计4已损坏，去除4号位移计数据。
(此曲线只取了荷载<69.931kN的数据)
由上图中应变3的数据可以看出，本构件的开裂荷载在20kN。
（此曲线中应变3的数据只取了荷载在69.931kN的数据，其后应变3处混凝土已经完全开裂。）
由以上两个曲线图可以看出，梁下部承受拉力，由于混凝土受压强于受拉特性，梁底部混凝土率先开裂，开裂荷载Pcr=20kN,其实测值大于预估值16.2kN。原因是位移计4损坏，这里测得开裂荷载20kN实际是位移计3处混凝土开裂的荷载。但此处并不是截面的最下方。
根据实测混凝土应变，跨中截面平均曲率可按下式计算：
其中，挠度以向下为正，则ε_i 、ε_j分别为截面应变1和应变3两点的实测混凝土平均应变，∆h_ij为该两点沿梁截面高度方向的实测距离，取115mm。实验梁跨中M-φ关系曲线如下：
（此曲线中数据只取了荷载在69.931kN的数据，其后应变3处混凝土已经完全开裂，其数据无意义。）
从图中可以看出，曲率随荷载的变化基本呈现2个阶段。第一阶段，基本呈线性。第二阶段曲率不断增加而荷载不变。总的来说，符合混凝土在受拉或者受压时应力-应变关系曲线，即先弹性后屈服的特性。
与理论的荷载-曲率曲线比较：
根据公式：
算的当混凝土应变取不同值时对应的荷载和曲率变化：
将理论的荷载-曲率变化曲线与实际的相比，虽然曲率变化的数值范围不一样但，是可以发现走势是基本一致的。发生这种情况可能的原因是试验用的位移传感器的单位可能不是mm。
6.1.3 荷载-纵筋应变关系曲线
从上图可以看出，纵筋在整个试验过程中经历了先弹性后屈服的阶段。并且当压区混凝土被压碎后，纵筋应力下降并产生残余变形。还可以看出在荷载大于20kN后，由于底部混凝土开裂无法承受拉应力，拉应力完全由钢筋承担，钢筋应变显著增加。
6.2承载力分析
结合本报告中2.3节，2.4节以及材料试验的数据进行正截面承载力分析和斜截面承载力分析。
根据材料试验的结果：
取混凝土抗压强度fc=25.5MPa,抗拉强度ft=2.7MPa;
取纵筋屈服强度 fy=448MPa,箍筋屈服强度fyv=368MPa;
6.2.1 正截面承载力分析
配筋率：0.0144
界限受压区相对高度：
为适筋梁。
由，代入数值可算的：
结合所以，
6.2.2斜截面承载力分析
采用公式进行计算。
代入，可得：
结合得：
理论计算弯<剪，正截面对受弯破坏起控制作用。实际构件极限荷载，发生正截面受弯破坏。
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