1钢筋混凝土楼板承载力试验

实验报告

“钢筋混凝土楼盖”的设计是土木工程专业本科生必须掌握的《混凝土结构设计》课程知识点。由于该理论涉及梁、板、柱等一系列构件，体系复杂。长期以来在教学过程中出现了公认的“两多”和“两难”:设计公式多、计算模型假设多，教师讲解难、学生理解难。这主要受制于钢筋混凝土楼盖结构体量大、实验复杂，实验成本和实验空间都难以满足钢筋混凝土楼盖承载破坏过程实体实验的需求，实体实验无法开展。本教学团队为突破此瓶颈，曾经联合浙工大工程设计集团在工程实体结构中开展足尺楼盖结构承载破坏过程实验(现场试验照片如图2.2.1所示)，以期获取部分影像资料用于实验教学，虽有一定效果，但是仍不够直观，难以与学生产生互动和激发学生参与兴趣。

在教育部自2013年开始的国家级虚拟仿真实验教学中心建设启发和推动下，浙江工业大学于2015年申报了浙江省防灾减灾虚拟仿莫实验教学中心，并以此为契机，本着“能实不虚”的原则，将钢筋混凝土楼盖承载破坏过程虚拟仿真实验项目得以实现。通过多年的持续应用和不断修正，借助信息技术和互联网技术的发展，将实验室不可能实现的楼盖承载破坏实验“搬到”教室、“送到”学生们的面前，并采用有限元仿真等先进手段，动态展示钢筋混凝土楼盖的承载破坏，以及楼盖中梁、板构件应力、应变、变形动态响应全过程的虚拟实验，使不容易发现的楼盖裂缝和变形。看不见摸不着的应力、应变，生动地呈现在学生面前，以此破解理论教学难题,激发学生学习兴趣和创新能力。

本虚拟仿真工程实验项目由三维建模和有限元分析构成，主要包括钢筋混凝土楼盖的模型建造、整体加载实验、内力和破坏响应分析三部分内容。其实验目的分别是:

第一，钢筋混凝土楼盖的模型建造虚拟仿真部分，可以深入情境感受模板工程、钢筋工程和混凝土工程等钢筋混凝土楼盖的模型建造过程，从而强化对楼盖建造过程的理解和认识。

第二，钢筋混凝土楼盖整体加载实验部分，以钢筋混凝土整体式楼盖为对象，通过虚拟仿真实验，模拟分级加载过程、传感器布置和展示钢筋混凝土楼盖结构中的裂缝分布、裂缝产生和扩展直到混凝土结构破坏的全过程。该过程有助于掌握混凝土结构实体实验步骤、注意事项，从而提高实操技能。

第三，钢筋混凝土楼盖内力和破坏响应分析部分。通过设置梁、板、柱等构件的不同边界约束条件、不同荷载分布方案和荷载水平等参数变量，结合有限元计算，动态显示随参数变化的混凝土楼盖单向板、双向板、楼盖整体的应力、应变响应和变形、开裂破坏全过程。从结构层次、构件层次不同尺度进行直观展示，为深刻理解和掌握《混凝土结构设计》楼盖设计这一核心知识点打牢基础，还可为学生创新能力的培养创造条件。

二、实验器材

实验设备

(1)实验设备:PC设备、服务器、网络设备、手机终端:

(2)虚拟设备:钢筋混凝土楼盖承载破坏过程虚报仿真软件，交互操作中包括模板、脚手架、振捣器、应变片、千分表、砝码、裂缝观测仪等。

该虚拟实验不涉及实体材料。

实验项目预设参数如下:

(1)本项目为某多层钢筋混凝土结构房屋的标准层楼盖(梁板结构体系)。建筑结构平面详见图2.6.1,梁柱形心与轴线均按居中考虑。

(2)楼面构造:15mm厚装饰面层

20mm厚水泥砂浆找平层钢筋混凝土现浇板结构层

15mm厚板底抹灰

(3)柱子截面尺寸:400mmx400mm

假设梁柱线刚度比足够大，即柱可以作为梁的铰支座。

(4)材料:砼强度等级≥C25;梁中主筋II级或II级，梁箍筋和板中钢筋为I、II 级。(5)荷载:

装饰面层0.25 kN/m2

石灰砂浆重度(板底抹灰)17 kN/m3

水泥砂浆重度20 kN/m3

钢筋混凝土重度25 kN/m-

楼面活荷载标准值q kN/m2

其它荷裁(如有必妻)请查阅“荷载规范”。

(6)荷载分项系数:恒载1.2,活载13-1.4。

三、实验原理

1.实验原理.

(1)通过三维仿真及虚拟现实技术动态模拟钢筋混凝土楼盖的脚手架和模板搭设、钢筋绑扎搭接布置、混凝土浇筑过程，在此基础上对已经养护完成的钢筋混凝土楼盖整体进行虚拟加载。基于施加荷载大小和建立的虚拟模型，结合有限元计算程序进行结构和构件的荷载响应和破坏形态分析展示，从而将教材上枯燥的计算原理进行形象地展示。

(2)基于《建筑施工技术》课程，根据钢筋工程、模板工程和混凝土工程的施工技术操作规程，采用单人练习模式，通过人机交互模拟操作虚拟软件，实现模板搭设过程、钢筋绑扎过程、混凝土浇筑和振捣抹平及混凝土养护等动作，实现加载模型搭建，从而熟练把握钢筋混凝土结构模型搭建的操作过程。

(3)基于《混凝土结构设计》课程计算得到钢筋配筋图纸，通过交互方式设置不同钢筋种类、形状等参数，体验为什么要放置钢筋、钢筋放置在某一位置的具体作用、放置错误会导致什么后果等钢筋混凝土结构原理，掌握钢筋混凝土结构中钢筋放置的重要意义和配置要点。

(4)本实验项目基于《混凝土结构设计》课程，设置有钢筋混凝土单向板、双向板两种典型的楼板结构，以及现浇钢筋混凝土连续梁，全面覆盖该课程中所涉及的典型楼盖构件。改变结构的边界条件和荷载分布规律，通过该仿真试验项目的教学，学生可对教材中理论计算模型的假设、推导工程、分析方法等理论知识的理解产生直观的感受。

(5)教材中混凝土楼盖的设计理论，都是基于结构破坏的极限状态。基于高昂的成本和试验的复杂性，实验室或工程中学生不可能看到结构破坏的真实形态，甚至工程人员工作一生都没有机会进行相关实验，以研究结构破坏的机理。本实验通过虚拟加载和有限元软件的辅助定量计算分析，使学生便捷、无限次重复的进行虚拟实验，直观体验随着荷载增加结构内部的荷载效应(响应)、结构哪些位置会首先开裂和破坏、结构最终的破坏形态如何。这些身临其境的体会，会帮助学生深入理解教材的钢筋混凝土楼盖设计原理，从而深刻影响其整个科研或工程师生涯。

2.核心要素仿真度