实验指导书2012-11-8

混凝土结构基本原理实验指导书刘祖华 袁苗苗等（共18页）同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所二〇一二年十月目录1、实验目的和要求 (1)2、实验方法 (1)2.1试件设计 (1)2.2测试内容和方法 (2)2.2.1受弯破坏梁 (2)2.2.2受剪破坏梁 (2)2.2.3偏心受压柱 (2)2.2.4材料性能 (3)2.3加载方法 (3)2.3.1受弯破坏梁 (3)2.3.2破坏受剪梁 (3)2.3.3柱偏心受压 (3)3、试验准备 (3)3.1试件制作 (3)3.2试件安装 (4)3.3仪器设备准备 (4)3.4预实验 (4)4、实验实施 (4)4.1加载程序 (4)4.2数据采集 (4)4.3观察内容 (4)4.4思考问题 (5)5、实验报告撰写 (5)5.1数据处理 (5)5.2报告撰写要求 (6)6 参考文献 (6)7 附件 (7)1、实验目的和要求本实验课程是所有学习专业基础课《混凝土结构基本原理》的学生，必须同时学习的必修课。

本课程教学目的是使学生通过实验，认识混凝土结构构件的受力全过程、加深对混凝土结构基本构件受力性能的理解和掌握，了解、掌握混凝土受弯和受压构件基本性能的试验方法。

要求：1）参加并完成规定的实验项目内容，理解和掌握钢筋混凝土构件的实验方法，能对实验结果进行分析和判断，通过实践掌握试件设计、实验实施、实验结果整理和实验报告撰写。

2）本次实验课程有11个不同的实验项目：适筋梁受弯破坏，少筋梁受弯破坏，超筋梁受弯破坏（其中受弯破坏采用三分点加载和跨中单点加载2种加载方式），梁受剪斜压破坏，梁受剪剪压破坏，梁受剪斜拉破坏，柱小偏心受压破坏，柱大偏心受压破坏。

每一个学生参与上述项目中两个实验项目，还可以参观其它的实验项目。

3）写出实验报告。

2、实验方法2.1 试件设计试件设计要求：试件在规定的荷载作用下，能够或只能发生规定的破坏形式，不会发生其它形式的破坏。

共计有9种破坏形式的梁试件和2种破坏形式的柱试件，各个试件的设计详图见附图1~6（三分点加载的适筋梁LA-1、超筋梁LB-1和少筋梁LC-1见图1；跨中单点加载的适筋梁LA-2、超筋梁LB-2和少筋梁LC-2见图2、受剪斜压QA见图3、受剪斜拉QB见图4、受剪剪压QC见图5，大偏心受压柱ZA和小偏心受压柱ZB见图6）。

其中一组跨中单点加载的梁受弯试验，作为三分点加载梁的对比。

要求学生按照试件设计详图和加载示意图进行验算：1）受弯破坏梁（适筋梁、超筋梁和少筋梁），按三分点加载和跨中单点加载两种情况，验算梁跨中正截面抗弯承载力和受剪区段斜截面抗剪承载力，对应于抗剪承载力的荷载应为抗弯承载力的荷载的1.9倍（适筋梁）、1.7倍（超筋梁）、20.6倍（少筋梁）；2）受剪破坏梁（斜压梁、斜拉梁和剪压梁），验算梁受剪区段斜截面抗剪承载力的跨中正截面抗弯承载力，对应于抗弯承载力的荷载应大于对应于抗剪承载力的荷载；3）偏心受压柱，验算正截面承载力，确定偏心状态。

2.2 测试内容和方法混凝土构件受到荷载作用时，会发生变形、会产生应力，这个荷载作用与变形、应力等有着对应的关系。

随着荷载的不断增加，还会发生混凝土开裂、钢筋屈服等，当加载达到承载力极限状态时，构件会发生破坏。

通过观察和测试这些现象（反应），可以了解和掌握构件的受力状态和特点，受力机制和破坏形式。

2.2.1 受弯破坏梁受弯破坏梁（适筋梁受弯，少筋梁受弯，超筋梁受弯）的测试内容为，跨中挠度，纵向受拉钢筋应变，混凝土裂缝。

加载方式分三分点加载和跨中单点加载两组，比较两组实验梁的开裂、极限荷载和破坏形态等有何不同。

1）跨中挠度梁的跨中挠度是试件的整体反应。

荷载与挠度的关系（曲线）可以反应试件的受力状态和特点，挠度值的大小可以代表某个状态的指标，如屈服、破坏等（教材，P66~69）。

本次实验，用三个位移计测量跨中和两个支座的位移，由这些位移测量结果计算挠度，见附图7。

2）纵向受拉钢筋应变通过测量纵向受拉钢筋的应变（局部反应），可以由此得到纵向受拉钢筋的应力，了解该钢筋是否达到屈服等。

本次实验，在纵向受拉钢筋的跨中位置，粘贴应变片，以测量跨中截面处钢筋的应变，见附图1。

3）裂缝裂缝（局部反应）的产生表示该部位的应变超过材料的极限应变、或者受拉应力超过材料的抗拉强度。

裂缝的测试包括，裂缝的发生、位置和走向，测量裂缝宽度，记录裂缝发展过程。

实验前，将梁外表面刷白，并绘制50mm×50mm的网格。

实验时，借助放大镜用肉眼查找裂缝。

构件开裂后立即对裂缝的发展情况进行详细观察，用裂缝观测仪、读数放大镜及钢直尺等工具量测各级荷载作用下的裂缝宽度、长度，并绘制裂缝开展图。

对应于正常使用极限状态的最大裂缝宽度，可在梁侧面相应于纵向受拉钢筋中心的高度处测量。

2.2.2 受剪破坏梁受剪破坏梁（斜压破坏，剪压破坏，斜拉破坏）的测试内容为，跨中挠度，纵向受拉钢筋应变，受剪箍筋应变，裂缝。

其中，跨中挠度、纵向受拉钢筋应变和裂缝的意义和测试与受弯破坏梁相同。

1）受剪箍筋应变通过测量受剪箍筋的应变，可以由此得到箍筋的应力。

本次实验，在剪切区域的箍筋上，粘贴应变片，见附图3~5。

2.2.3 偏心受压柱偏心受压柱（大偏心受压柱，小偏心受压柱）的测试内容为，纵向压缩变形，横向弯曲变形，纵向受压钢筋应变，裂缝。

1）纵向压缩变形用二个位移计测量柱上下两端的竖向位移，由上下位移的差值得到柱的纵向压缩变形。

2）横向弯曲变形柱的横向弯曲变形与梁的横线挠曲相似，用三个位移计测量柱中间和上下两端的横向位移，由这些位移测量结果计算柱的横向弯曲变形。

3）纵向受压钢筋应变通过测量纵向压拉钢筋的应变，可以由此得到纵压受拉钢筋的应力。

在柱中间的纵向受拉钢筋上，粘贴应变片，以测量中间截面处钢筋的应变，见附图6。

4）裂缝偏心受压柱的裂缝测试与梁裂缝测试基本相同。

2.2.4 材料性能为了确切了解构件的结构性能，应通过试验得到材料的实际性能，如混凝土强度等级，钢筋强度等，并以材料实际性能作计算分析。

相应的方法见教材的第二章，和有关的国家标准。

2.3 加载方法2.3.1 受弯破坏梁受弯破坏梁（适筋梁受弯，少筋梁受弯，超筋梁受弯）的加载图式分别采用三分点加载和跨中单点加载，三分点加载示意图和相应的弯矩图和剪力图见附图8。

跨中单点加载示意图和相应的弯矩图和剪力图见附图9。

所用的设备包括，加载千斤顶、分配梁、铰支座和反力架、台座等。

用荷载传感器测量所作用在试件（分配梁）上荷载P的大小。

2.3.2 破坏受剪梁受剪破坏梁（斜压破坏，斜拉破坏，剪压破坏）的加载图式采用对称两点集中力加载，其加载示意图和相应的弯矩图和剪力图见附图10~12。

所用的设备包括，加载千斤顶、分配梁、铰支座和反力架、台座等。

用荷载传感器测量所作用在试件（分配梁）上荷载P的大小。

2.3.3 柱偏心受压柱偏心受压（大偏心受压，小偏心受压）的加载图式采用竖向偏心加载，见附图13。

所用的设备包括，万能试验机、铰支座等。

所作用在试件柱上荷载大小，用液压传感器测量，或直接从万能试验机的表盘上读得。

3、试验准备3.1 试件制作试件制作包括：1）材料准备，钢筋下料、制作，其它材料；2）应变测点布置，应变片粘贴、保护等；3）钢筋绑扎，支模板，浇捣混凝土；4）养护。

3.2 试件安装试件安装包括：1）对试件作详细检查，检查截面实际尺寸和初始变形、原始裂缝等缺陷，做出书面记录；2）将试件表面刷白，并分格画线；3）试件划线放样，确定加载、支座、测点等的位置；4）试件就位；5）安全措施。

3.3 仪器设备准备仪器设备准备包括：1）仪器选择和标定，单件标定和系统标定；2）测点仪器的连线；3）仪器设备系统调试。

3.4 预实验为了检查所有仪器设备等的状态，可以进行预实验。

施加一较小的实验荷载，检查所有的仪器读数等，以确定所有仪器设备等是否符合实验要求。

4、实验实施4.1 加载程序加载时应分级加载。

对有明显屈服现象的试件，当荷载小于屈服荷载时，可以取屈服荷载的20%为一级荷载，当荷载大于屈服荷载时，可以取极限荷载的10%或5%为一级荷载。

实验时，为准确得到开裂荷载、屈服荷载和极限荷载等，还应根据实际情况，进行调整。

观察裂缝发生可以用放大镜进行观察，也可以用肉眼进行观察。

如果在实验中难以确定裂缝的发生时刻，也可以在由实验得到的荷载-挠度曲线上，取曲线斜率首次发生突变的荷载作为开裂荷载的实测值。

由于混凝土构件受到某一荷载作用时，其相应变形的充分完成需要一定的时间。

在加载实验中，每级荷载的加载速度不能太快；每次加载到某级荷载时、应保持一段时间，然后再进行数据采集等。

4.2 数据采集实验中，应该将对试件的作用力和试件的位移、应变等进行数据采集，这些数据都是实验结果的原始资料。

本次实验采用数据采集系统进行数据采集，所有的应变、位移和荷载数据都用数据采集系统进行扫描采集、都保存在计算机磁盘中。

4.3 观察内容实验中，还应该观察裂缝的发生和发展，应观测并记录裂缝的位置、宽度、长度和形状等。

还应观察试件的破坏的发生和过程，观察破坏的形式，以判断试件的破坏形式，并与试件设计所考虑的作比较。

实验结束时，绘制裂缝分布和破坏形式示意图，图16、17为绘图所用的方格图。

梁受弯破坏形态示意图可以参考教材第68页，梁受剪破坏形态示意图可以参考教材第156页，偏心受压柱破坏形态示意图可以参考教材第113、114页。

当试件发生下列标志之一或一个以上时，可以认为试件已达到破坏：1）受拉主钢筋处，最大裂缝的宽度达到1.5mm（受弯破坏，大偏心受压破坏）；2）挠度达到试件跨度的1/50（受弯破坏，大偏心受压破坏）；3）受压区混凝土破坏（受弯破坏，大偏心受压破坏）；4）受拉主筋钢筋拉断（受弯破坏，大偏心受压破坏）；5）混凝土受压破坏（轴心受压破坏，小偏心受压破坏）；6）腹部斜裂缝宽度达到1.5mm（受剪斜拉破坏）；7）剪切斜裂缝末端受压混凝土破坏（受剪剪压破坏）；8）受剪区域，沿斜裂缝混凝土压坏（受剪斜压破坏）。

4.4 思考问题请各位同学根据实验现象和实验数据思考以下问题：1．梁受弯开裂时，受弯区段受拉纵筋的应变为多少？相应的关系？2．梁受剪开裂时，受剪区段箍筋的应变为多少？相应的关系？3．柱偏心受压，受拉侧开裂时，受拉侧纵筋的应变为多少？相应的关系？4．第一条裂缝发生的部位、原因，对应的荷载？5．从钢筋应变记录中找到屈服点，察看试件（各个曲线）在此时段有什么现象、有什么变化？原因和理由？6．试件的荷载-挠度曲线中，是否有对应于混凝土开裂、钢筋屈服的现象？这些现象发生的原因？7．确定试件的承载能力极限状态，特点或特征？是否符合试验设计要求？8．从试件的荷载-挠度曲线，评价试件的延性。

9．梁受弯时，不同的加载图式（三分点加载和跨中单点加载）下，试件反应有何异同？5、实验报告撰写5.1 数据处理实验时得到的数据有些不是我们所要求的形式，如挠度、应力等；而是代表位移和荷载的应变读数，钢筋的应变等。