同济大学混凝土试验报告适筋梁受弯.docx

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同济大学混凝土试验报告适筋梁受弯

《混凝土结构基本原理》试验课程作业

混凝土结构基本原理试验报告

试验名称

适筋梁受弯实验

试验课教师

赵勇

姓名

王xx

学号

1xxxxxx

手机号

188xxxxxxxx

任课教师

李方元

日期

2014年10月24日

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材料和试件尺寸

（1）钢筋：

纵筋HPB335、箍筋HPB235

（2）混凝土强度等级：

C20

（3）试件尺寸（矩形截面）：

b×h×l＝120×200×1800mm

2.2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

的比较可以判断出受弯构件的类型：

当

时，为适筋梁。

界限受压区相对高度

可按下式计算：

（2-1）

其中在进行受弯试件梁设计时，

、

分别取《混凝土结构设计规范》规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，

、

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。

同时控制配筋量大于最小配筋率。

最小配筋率公式：

（2-2）

为了保证构件在实际受荷情况下受弯段发生受弯破坏，需在受弯段外配置足够的箍筋和架立筋以防止构件发生剪切破坏，同时支座处应做一定的处理以防止发生局部冲切破坏和纵筋锚固破坏。

（2）试件的主要参数

试件尺寸（矩形截面）：

b×h×l＝120×200×1800mm；

混凝土强度等级：

C20；

纵向受拉钢筋的种类：

HPB335；

箍筋的种类：

HPB235（纯弯段无箍筋）；

纵向钢筋混凝土保护层厚度：

15mm；

试件的配筋情况见图2.1和表2.1；

图2.1适筋梁受弯试验试件的配筋

表2.1适筋梁受弯试验试件的配筋

配筋情况

预估荷载P（kN）

①

②

Pcr

Py

Pu

2

14

2

10

8@50

（2）

10.8

44.4

49.3

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）试件加载估算

开裂弯矩估算

（2-3）

其中

，

。

屈服弯矩估算

（2-4）

③极限弯矩估算

对于适筋梁：

界限受压区相对高度：

（2-5）

（2-6）

作为计算，假定钢筋屈服时，压区混凝土的应力为线性分布，因此有：

_____/_D_Dd__________ফԷϨϨ___________________D_D

）（2-8）

预估极限荷载为

（2-9）

2.3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.材性试验

3.1混凝土材性试验

试块留设时间：

2014年09月25日

试验时间：

2014年10月26日

试块养护条件：

室内与试件同条件养护

混凝土强度实测结果见表3.1

表3.1混凝土强度实测结果

试件尺寸

150mm×150mm×150mm

实测立方体

抗压强度/MPa

平均立方体

抗压强度

/MPa

推定轴心

抗压强度

/MPa

推定轴心

抗拉强度

/MPa

推定

弹性模量

/GPa

23.4

22.5

17.1

1.89

26.75

22.0

22.2

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》GB50010-2010推定。

3.2钢筋材性试验

钢筋强度实测结果见表3.2

表3.2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

4

光圆

4.11

4.15

5.15

5.17

330

411

4.18

5.24

4.16

5.13

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4.1为适筋梁受弯性能试验采用的加载装置，图4.2为实物图。

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=100mm，b=600mm，c=400mm。

试件的加载简图和相应的弯矩、剪力图见图4.3所示。

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4.1适筋梁梁受弯试验装置图

图4.2适筋梁受弯试验装置实物图

（a）加载简图（kN，mm）

（b）弯矩图（kN·m）

（c）剪力图（kN）

图4.3梁受弯试验加载和内力简图

4.2加载制度

4.2.1单调分级加载机制

试件的加载简图和相应的弯矩、剪力图见图4.2和4.3所示。

梁受弯试验采用单调分级加载，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2级。

对于适筋梁：

（1）在加载到开裂试验荷载计算值的90％以前，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％以后，每级荷载值不宜大于其荷载值的5％；

（3）当试件开裂后，每级荷载值取10％的承载力试验荷载计算值（Pu）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。

4.2.2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：

对有明显物理流限的热轧钢筋，其受拉主筋的受拉应变达到0.01；

受拉主钢筋拉断；

受拉主钢筋处最大垂直裂缝宽度达到1.5mm；

挠度达到跨度的1/30；

受压区混凝土压坏。

4,2.3具体加载方式

具体分级加载/kN：

0→5→10→15→20→15→30→35→40→45→50→破坏

（开裂：

10kN；最大：

103kN）

4.3量测与观测内容

本次试验进行了大量的数据测量和试验现象的观测，内容包括混凝土平均应变、纵向钢筋应变、挠度以及裂缝，下面分别叙述。

测点编号与对应应变片编号如下表4.1

表4.1测点编号与相关测量量的对应关系

千斤顶

钢筋应变

位移

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

7

37-1

43-1

43-2

43-3

43-4

43-5

43-6

46-1

46-2

46-3

46-4

46-7

46-6

46-8

4.3.1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37-1测得。

4.3.2纵向钢筋应变

在试件纵向受拉钢筋中部粘贴电阻应变片，以量测加载过程中钢筋的应力变化，测点布置见图4.4。

图4.4纵筋应变片布置

4.3.3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，测点布置见图4.5。

图4.5梁受弯试验混凝土平均应变测点布置

4.3.4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，如图4.6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4.6梁受弯试验挠度测点布置

4.3.5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。

4.4裂缝发展及破坏形态

试验前，试件尺寸b×h×l＝120×200×1800mm，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。

后来裂缝逐渐扩大，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，顶部混凝土达到抗压极限导致最终破坏。

破坏形态如图4.7，裂缝图见附录。

图4.7破坏形态

5.试验数据处理与分析

5.1试验原始资料的整理

通过试验，我们得到构件在加载至破坏所测量内容在不同时刻的数据，为分析该构件的受力性能，需要对数据进行筛选和处理，对实际的结果结合所学理论知识定性分析，然后与理论预估值进行比较，分析两者之间异同的原因。

需要注意的是，在试验过程中产生的异常情况，在处理分析数据时要排除异常情况对结果的干扰，如实验数据中存在误差较大的点，应予以排除。

5.2荷载-挠度关系曲线

确定简支梁构件在各级荷载作用下的短期挠度实测值，考虑支座沉降、自重、加载设备自重及加载方式的影响，可按下式计算：

（5-1）

（5-2）

（5-3）

式中

——经修正后的第i级试验荷载作用下的构件跨中短期挠度实测值（mm）；

——消除支座沉降后的第i级试验荷载作用下的构件跨中短期挠度实测值（mm）；

——梁构件自重和加载设备重力产生的跨中挠度值（mm）；

——第i级外加试验荷载作用下构件跨中位移实测值（包括支座沉降）（mm）；

、

——第i级外加试验荷载作用下构件左、右端支座沉降位移实测值（mm）；

——构件自重和加载设备重力产生的跨中弯矩值（

）；

——从外加试验荷载开始至构件出现裂缝的前一级荷载为止的加载值产生的跨中弯矩值（

）；

——从外加试验荷载开始至构件出现裂缝的前一级荷载为止的加载值产生的跨中挠度实测值（mm）。

本试验实测分配梁自重16.6kg。

相应地，

当荷载P1=5kN，

，而实际荷载除第一级荷载外均大于5kN，因此梁构件自重造成的挠度可忽略，下面的挠度值直接按照（5-2）计算。

表5.1荷载-挠度关系筛选出的数据

荷载值/kN

跨中位移/mm

左支座位移/mm

右支座位移/mm

跨中挠度（绝对值）/mm

0

-0.010

-0.053

0.026

-0.004

0.532

-0.047

-0.061

0.030

0.032

5.9

-0.211

-0.078

-0.065

0.140

9.863

-0.420

-0.124

-0.152

0.282

15.065

-0.743

-0.157

-0.214

0.558

19.772

-1.087

-0.174

-0.247

0.877

29.763

-1.766

-0.199

-0.318

1.508

34.718

-2.134

-0.241

-0.339

1.844

39.59

-2.487

-0.261

-0.388

2.163

44.957

-2.855

-0.282

-0.430

2.499

48.92

-3.287

-0.320

-0.459

2.898

57.178

-3.731

-0.345

-0.463

3.327

60.315

-3.979

-0.370

-0.467

3.561

65.6

-4.360

-0.370

-0.463

3.944

70.555

-4.767

-0.387

-0.480

4.334

75.674

-5.270

-0.395

-0.475

4.835

80.133

-5.492

-0.408

-0.475

5.051

85.666

-6.095

-0.441

-0.492

5.629

90.785

-6.607

-0.445

-0.484

6.143

95.079

-7.239

-0.474

-0.509

6.748

100.941

-8.015

-0.516

-0.538

7.488

98.877

-8.275

-0.508

-0.542

7.750

94.914

-8.333

-0.516

-0.538

7.806

99.786

-8.698

-0.508

-0.533

8.178

96.978

-9.322

-0.508

-0.538

8.799

97.061

-10.035

-0.520

-0.542

9.504

94.831

-10.588

-0.52

-0.529

10.063

91.115

-11.569

-0.541

-0.542

11.028

88.391

-12.935

-0.566

-0.546

12.379

83.932

-13.728

-0.566

-0.546

13.172

81.867

-14.658

-0.566

-0.542

14.104

78.812

-16.347

-0.566

-0.550

15.789

76.913

17.236

-0.566

-0.542

16.682

图5.1荷载-挠度关系曲线

图5.1可以看出，跨中挠度随着荷载的增大大体分为两个阶段，

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7.5mm后，随着继续增大千斤顶的压力挠度继续迅速增加，和在不在增加，试件完全破坏。

5.3弯矩-曲率关系曲线

根据简支梁受两个竖向荷载的力学分析，设千斤顶产生的荷载为P，则每个竖向集中荷载大小为0.5P，则梁中点处的弯矩为

梁自重在中点处产生的弯矩为

分析可知当千斤顶施加的荷载大于1kN时，梁自重在中点产生的弯矩可以忽略不计，因此直接忽略梁自重产生的弯矩值。

即

其中M、P的单位分别为kN·m、kN。

根据实测混凝土应变，跨中截面平均曲率

可按下式计算：

（5-4）

式中，若定义挠度以向下为正，则

、

分别为截面侧面上、下两点的实测混凝土平均应变（以拉应变为正），

为该两点沿梁截面高度方向的实测距离。

混凝土平均应变的测点布置，见图4.5。

由于位移计4的读数受裂缝影响较大，因此在计算曲率的时候，用2、3两组位移计的读数来计算。

在本次实验数据处理时，当千斤顶施加荷载大于50kN时，贴在混凝土侧表面的应变片应变均突变为很大的值（从0.4左右突变为18左右），疑似应变片损坏失效，因此千斤顶荷载大于50kN的数据全部不予使用。

表5.2弯矩-曲率关系筛选出的数据

千斤顶压力P（kN）

位移计2位移（mm）

位移计3位移（mm）

曲率

（10-6mm-1）

弯矩M（kN·m）

0

0.034

0.112

1.30

0

0.367

0.038

0.12

1.37

0.1101

0.615

0.049

0.124

1.25

0.1845

0.698

0.061

0.116

0.92

0.2094

0.78

0.053

0.124

1.18

0.234

5.817

0.065

0.191

2.10

1.7451

6.23

0.057

0.195

2.30

1.869

9.781

0.057

0.159

1.70

2.9343

10.276

0.053

0.167

1.90

3.0828

20.102

-0.022

0.222

4.07

6.0306

25.057

-0.038

0.324

6.03

7.5171

30.094

-0.042

0.293

5.58

9.0282

40.085

-0.045

0.387

7.20

12.0255

45.039

-0.022

0.454

7.93

13.5117

49.664

-0.034

0.446

8.00

14.8992

图5.2跨中弯矩-曲率关系曲线

由于2、3两片位移计距中性轴较近，位移值较小，且接近于位移计最小精度值0.004mm，因此得到的测量结果准确性较低。

不过从整理后的数据形成的图5.2中仍可以看出，适筋梁在裂缝出现之前，弯矩和曲率基本成线性关系，荷载加到50kN后，由于应变片已拆除，具体数据无从得知。

采用《混凝土结构基本原理（第二版）》（顾祥林主编）第五章第五节中的方法计算，不同配筋率的梁的弯矩－曲率关系应如图5.3。

本实验为适筋梁破坏试验，曲线在I和II过程与理论分析基本相符。

图5.3不同钢筋混凝土梁正截面的的弯矩－曲率关系曲线

5.5正截面承载力分析

界限受压区相对高度：

=

（__）/（___）__D_Dd_______

对于适筋梁，要求

ξ=

（对于C20混凝土，）

_⁡{_/_}_D_Dd__________࿂ʔϨϨ________________

_/__D_Dd__________ڮǯϨϨ________________

（5-8）

由（5-7）、（5-8）解得

（5-9）

现取

，

，符合条件。

则实际

___⁄_D_Dd__________ۛԷϨϨ_________________

作为计算，假定钢筋屈服时，压区混凝土的应力为线性分布，因此有：

（5-11）

（5-12）

把

〖〗__D_Dd__________ࣷĝϨϨ

（5-13）

预估极限荷载为

（5-14）

5.6斜截面承载力分析

（5-15）

____D

_⁡（__）_______

_____⁡〖（__）〗___________________

（5-19）

（5-20）

说明试件设计符合受弯破坏控制要求。

5.7构件的承载力分析

理论计算

正截面对受弯破坏起到控制作用。

实际构件极限荷载为103.5kN，发生正截面受弯破坏，与理论一致。

6结论

通过本次试验，我们充分了解了适筋梁受弯过程，用手电筒及放大镜仔细观察了加载过程中混凝土裂缝的发展过程，结合理论知识学习，对混凝土梁受弯破坏有了更加深入的理解。

并且我们深刻体会到了各种工程材料在设计和使用阶段强度值的使用差异，以及在控制某些变量方面的使用方法。

在实验结果方面，本次试验的适筋梁极限承载力均明显大于理论值，实际极限荷载约为理论值的1.5倍，并不完全符合。

一方面正截面承载力的简化计算方法本身带来一定误差，并且这种计算方法本身偏保守，使计算值相对偏小；另一方面钢筋和混凝土强度测试实验也存在一定误差，混凝土的强度同时受温度、湿度、孔隙、杂质等影响，使试件上混凝土的强度可能大于材料强度试验中的测量值。