钢筋混凝土简支梁抗弯性能的试验

前言：

随着经济的高速发展，越来越多的建筑物尤其是高层建筑离不开混凝土结构。因此，对混凝土性能的研究就显得尤为重要。本文拟通过试验对钢筋混凝土受弯构件中的受力机理和性能做初步的分析。

1.试验目的：

（1）本试验的的主要目的是通过钢筋混凝土简支梁在静力集中荷载下，在梁的纯弯段通过测得梁在不同受力阶段的挠度、角变位、截面上纤维应变和裂缝宽度等参数，来分析梁的整个受力过程以及结构的承载力、刚度和抗裂性能；

（2）进一步学习各种常用仪器仪表的选用原则和使用方法；

（3）掌握试验量测数据的整理、分析和表达方法；

2.试验设计

2.1构件的设计

本试验采用的构件是一根截面尺寸为b=200--300mm，h=300—500mm，混凝土等级C20--C50；钢筋HPB235--HRB400；跨度l=2.5m—5m的钢筋混凝土简支梁。下面确定构件的尺寸并进行配筋计算。

截面尺寸确定：l=4.5mh=(1/18—1/12)l=400mmb=(1/3—1/2)h=200mm

构造层：20mm厚水泥砂浆面层，15mm厚混合砂浆抹灰。

材料选择：混凝土采用C30，钢筋采用HRB335。

配筋计算：

为防止混凝土发生超筋破坏，应当控制受压区高度。使构件在受拉区钢筋屈服时，受压区混凝土同时达到极限应变，受压区出现水平裂缝，混凝土被压碎，构件破坏。根据这一破坏形态，对钢筋混凝土梁按界限配筋率进行配筋计算。根据力矩平衡关系，分别对手拉去纵向受力钢筋的合力作用电荷受压区混凝土应力的合力作用点取矩，则正截面受弯承载力设计值为：

在《钢筋混凝土结构设计原理》中查表4-3得，混凝土等级为C30、钢筋等级为HRB335的混凝土构件相对界限受压区高度b=0.550，所以该钢筋混凝土梁的正截面承载力最大值为

1.0×14.3×200×（400-35）

×0.550×(1-0.5×0.550)=151.93KN·m

=151.93/[300×(400-35) ×（1-0.5×0.550）]=1913.8选用328，=1847;

验算最小配筋率/(b×h)=1847/(200×400)=2.31%

=45=45×1.43/300×100%=0.215% >

单面钢筋的配筋率也满足大于0.2%的要求。

此时构件实际所能承受的最大弯矩为：

1847×300/（1.0×14.3×200）=148.57mm

300×1847×(365-x/2)=148.57KN·m

又因为：(P×1.5+G×2.25)×1.35G=25×0.4×0.2×4.5=9 KN·m

因此构件所能承受的最大荷载标准值为：P=59.87 KN

构件所能承受的极限荷载为：P×1.35=80.82 KN

钢筋混凝土梁抗弯性能试验试件配筋图

试验加载设计及观测设计

为排除剪应力的存在对试件正截面受力性能的影响，本试验利用分配梁在跨中形成1.5m长度的纯弯段，主要测量各受力阶段纯弯段的混凝土应变、构件挠度以及裂缝宽度等。试验装置如图所示：

试验装置图

试验加载程序分为预载、标准荷载（正常使用荷载）、破坏荷载三个阶段，试验采用两点集中对称的同步液压分级加载方式。这种加载方式的有点：便于控制加（卸）载速度，方便观察和分析结构变形情况，利于各点加载统一步调。

预载的目的：① 使试件各部接触良好，进入正常工作状态，荷载与变形关系趋于稳定，② 检验全部试验装置的可靠性；③ 检验全部观测仪表工作正常与否；④ 检查现场组织工作和人员的工作情况，起到演习的作用。

预载一般分三级进行，每级取标准荷载值的20％。然后分级卸载，2～3级卸完。加卸一级，停歇10min。

（1）试验采用两点集中对称的同步液压分级加载方式，在加载前先进行10KN 的预加载，使各测量已进入正常的工作状态，变形和荷载的关系趋于稳定。

正式加载时，荷载分级加，标准荷载（59.87KN）之前，每级加载11.97 KN，分五级加至标准荷载；标准荷载30min之后，每级加载5.99KN；当荷载加至71.83KN后，为了求得精确的破坏荷载值，每级加载2.99 KN，以获得精确的破坏荷载值和作抗裂检。然后按照加载级距卸载。

（2）为获得该钢筋混凝土的最大挠度和整体挠曲曲线，测得梁的整体变形和局部变形，百分表以及应变片的布置如图所示：

百分表、应变片的布置图

① 挠度测量

梁的挠度值是测量数据中最能反映其综合性能的一项指标，其中最主要的是测定梁跨中的最大挠度值及弹性挠度曲线。为了求得梁的真正挠度，必须注意支座沉降的影响，应次至少要测三个点的百分表读数。

② 应变测量

梁是受弯构件，试验时要量测由于弯曲产生的应变，一般在梁承受正负弯矩最大的截面或截面有弯矩突变的截面上布置测点。该试验只要求测量弯据引起的最大应力，所以只需在截面上下边缘纤维安装应变即可。为了减少误差，上下纤维上的仪表应设在截面的对称轴上或是在对称轴的两侧各设一个仪表，取其平均应变量，应变特点沿截面高度的布置可以是等距的也可以是不等距的外密里疏，以便比较准确的测出截面上较大的应变，布置在靠近中和轴位置处的仪表，由于应变读数值小，相对误差可能较大以致不起效应，但是在受拉区混凝土开裂以后可以通过该特点读数值的变化来观测中和轴位置的上升与变动。在梁的的纯弯曲区域内，梁截面上仅有正应力，在该处截面上可仅布置单向的应变测点。钢筋混凝土梁受拉区混凝土开裂后由于该处截面上混凝土部分退出工作，此时布置在混凝土受拉区的仪表就丧失其量测的作用。

③ 裂缝测量

一般垂直裂缝产生在弯矩最大的受拉区段，因此在这一区段连续设置测点。如图所示

对于选用手持式应变仪量测最为方便，它们各点间的间距安选用仪器的标距决定。裂缝未出现前，仪器的读数是逐渐变化的；如果构件在某级荷载作用下开始开裂时，则跨越裂缝测点的仪器读数将会有较大的越变，此时相邻测点仪器读数可能变小，有时甚至会出现负值，而荷载应变曲线会产生突然转折的现象。

混凝土的微细裂缝，常常不能光评肉眼所能察觉，如果发现上述想象，则可判明已开裂。至于裂缝的宽度，则可根据裂缝出现前后两级荷载所产生的仪器读数差值来表示。通常应测定构件受拉面的最大裂缝宽度，在钢筋水平位置上的侧面裂缝宽度以及斜截面上由主拉力作用产生的斜裂缝宽度。每一构件中测定裂缝宽度的裂缝数目一般不少于三条，包括第一条出现的裂缝以及开裂最大的裂缝。凡选用测量裂缝宽度的部位应在试件上标明并编号，各级荷载下的裂缝宽度数据应记载相应的记录表格上。每级荷载下出现的裂缝均需在试件上标明，即在裂缝的尾端注出荷载级别或荷载数量。以后每加一级荷载后，裂缝长度扩展，需在裂缝新的尾端注明相应荷载。由于卸载后，裂缝可能闭合，所以应紧靠裂缝的边缘1—3mm处平行画出裂缝的位置起向。

3．结构试验准备

3.1试件准备

试件在试验之前，应对照设计图纸仔细检查，测量各部分实际尺寸、构造情况、施工质量、结构变形和安装质量。还应检查钢筋位置、保护层的厚度和钢筋的锈蚀情况等。这些情况都将对试验结果有重要影响，应作详细记录存档。