郑州大学现代远程教育《综合性实践环节》.docx
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郑州大学现代远程教育《综合性实践环节》
郑州大学现代远程教育《综合性实践环节》课程考核
一．作业要求
1.要求提交设计试验构件详细的设计过程、构件尺寸和配筋；
2.要求拟定具体的试验步骤；
3.要求预估试验发生的破坏形态；
4.构件尺寸、配筋、试验步骤以及破坏形态可参考《综合性实践环节试验指导》或相关教材（例如，混凝土原理），也可自拟。
二．作业内容
1.正截面受弯构件——适筋梁的受弯破坏试验设计。
（35分）
2.斜截面受剪构件——无腹筋梁斜拉受剪破坏试验设计。
（35分）
3.钢筋混凝土柱——大偏心受压构件破坏试验设计。
（30分）
答案
1．正截面受弯构件——适筋梁的受弯破坏试验设计。
适筋破坏-配筋截面加载：
（注明开裂荷载值、纵向受拉钢筋达到设计强度fy时的荷载值、破坏荷载值）
加载：
（1）计算的开裂弯矩、极限弯矩与模拟实验的数值对比，分析原因。
理论计算：
通过分析对比，实验数据跟理论数据存在着误差，主要原因：
1实验时没有考虑梁的自重，而计算理论值时会把自重考虑进去；
2.计算的阶段值都是现象发生前一刻的荷载，但是实验给出的却是现象发生后一刻的荷载；
3.破坏荷载与屈服荷载的大小相差很小，1.5倍不能准确的计算破坏荷载；
4.整个计算过程都假设中和轴在受弯截面的中间。
（2）绘出试验梁p-f变形曲线。
（计算挠度）
当构件开裂时，
以此类推，在不同的荷载下，可以得到相关的数据：
F（kN）
0.3466
16.33
32.65
51.38
56.45
Mk（KN·m）
0.8491
40
80
125.875
138.3
（N/mm2）
2.044
96.3
192.6
303.1
333
ψ
0.2
0.43
0.76
0.8855
0.9
5.519
4.199
3.13
2.85
2.82
f（mm）
0.52
32.16
86.30
149.1
166
实验得出的荷载-挠度曲线:
（3）绘制裂缝分布形态图。
（计算裂缝）
（4）简述裂缝的出现、分布和展开的过程与机理。
①当荷载在0.4KN内，梁属于弹性阶段，没有达到屈服更没有受到破坏。
②当荷载在0.4KN的基础上分级加载，受拉区混凝土进入塑性阶段，手拉应变曲线开始呈现较明显的曲线性，并且曲线的切线斜率不断减小，表现为在受压区压应变增大的过程中，合拉力的增长不断减小，而此时受压区混凝土和受拉钢筋仍工作在弹性范围，呈直线增长，于是受压区高度降低，以保证斜截面内力平衡。
当内力增大到某一数值时，受拉区边缘的混凝土达到其实际的抗拉强度和极限拉应变，截面处于开裂前的临界状态。
③接着荷载只要增加少许，受拉区混凝土拉应变超过极限抗拉应变，部分薄弱地方的混凝土开始出现裂缝，此时荷载为7.9KN。
在开裂截面，内力重新分布，开裂的混凝土一下子把原来承担的绝大部分拉力交给受拉钢筋，是钢筋应力突然增加很多，故裂缝一出现就有一定的宽度。
此时受压混凝土也开始表现出一定的塑性，应力图形开始呈现平缓的曲线。
此时钢筋的应力应变突然增加很多，曲率急剧增大，受压区高度急剧下降，在挠度-荷载曲线上表现为有一个表示挠度突然增大的转折。
内力重新分布完成后，荷载继续增加时，钢筋承担了绝大部分拉应力，应变增量与荷载增量成一定的线性关系，表现为梁的抗弯刚度与开裂一瞬间相比又有所上升，挠度与荷载曲线成一定的线性关系。
随着荷载的增加，刚进的应力应变不断增大，直至最后达到屈服前的临界状态。
④钢筋屈服至受压区混凝土达到峰值应力阶段。
此阶段初内力只要增加一点儿，钢筋便即屈服。
此时荷载为52.3KN。
一旦屈服，理论上可看作钢筋应力不再增大（钢筋的应力增量急剧衰减），截面承载力已接近破坏荷载，在梁内钢筋屈服的部位开始形成塑性铰，但混凝土受压区边缘应力还未达到峰值应力。
随着荷载的少许增加，裂缝继续向上开展，混凝土受压区高度降低，中和轴上移，内力臂增大，使得承载力会有所增大，但增大非常有限，而由于裂缝的急剧开展和混凝土压应变的迅速增加，梁的抗弯刚度急剧降低，裂缝截面的曲率和梁的挠度迅速增大。
（5）简述配筋率对受弯构件正截面承载力、挠度和裂缝宽度的影响。
配筋率越高，受弯构件正截面承载力越大，最大裂缝宽度值越小，但配筋率的提高对减小挠度的效果不明显
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=
时，在集中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
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4
12
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）
图1.3大偏心受压柱配筋图
⑦取偏心距e0：
100mm
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。
图1.4.1柱偏心受压试验加载装置
2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。
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。
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。
图1.4.3.2大偏心受压柱试验侧向挠度测点布置
（4）裂缝
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。
荷载
纵向钢筋应变
2_1
34_1
34_2
34_3
34_4
34_5
34_6
34_7
34_8
0.661
-12
-5
-1
3
-4
-14
-5
0
9.992
-50
-117
20
116
-100
-128
126
84
19.984
-162
-229
226
349
-229
-274
351
272
30.224
-280
-348
486
634
-363
-442
623
515
40.216
-372
-466
721
913
-496
-615
904
842
50.043
-478
-625
962
1191
-661
-832
1190
1126
59.705
-653
-825
1256
1521
-871
-1143
1522
1467
69.862
-810
-1008
1511
1825
-1056
-1403
1832
1773
79.854
-1100
-1329
1905
2346
-1376
-1866
2348
2205
93.976
-1485
-1741
2586
4928
-1819
-2411
4074
5128
93.232
-1544
-1811
2793
6257
-1879
-2494
5723
6022
92.737
-1560
-1815
2843
7114
-1883
-2502
6547
6402
92.076
-1585
-1841
2899
8132
-1909
-2525
8076
6913
80.928
-1699
-1851
2928
10437
-2060
-2561
0
7856
75.643
-1703
-1811
2930
10382
-2086
-2520
0
7844
4、实际实验数据
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
-0.094
0.559
2.009
7.084
2.222
-0.318
-0.094
0.594
2.051
7.236
2.255
-0.326
-0.094
0.602
2.156
7.685
2.411
-0.341
-0.094
0.598
2.775
10.733
3.802
-0.349
-0.094
0.598
3.268
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：
kN。
构件正截面承载力分析
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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