适筋梁受弯破坏试验设计实施方案

适筋梁受弯破坏试验设计方案
一、 试验目的：
（1） 通过实践掌握试件的设计、实验结果整理的方法。

（2） 加深对混凝土基本构建受力性能的理解。

（3） 更直观的了解适筋梁受弯破坏形态及裂缝发展情况。

（4） 验证适筋梁破坏过程中的平截面假定。

（5）
对比实验值与计算理论值，从而更好地掌握设计的原理。

二、 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ξ和界限受压区相对高度b ξ的比较可以判断出受弯构件的类型：当b ξξ≤时，为适筋梁；当b ξξ>时，为超筋梁。

界限受压区相对高度
b ξ可按下式计算：
b y s 0.8
10.0033f E ξ=
+
在设计时，如果考虑配筋率，则需要确保1αρρξ≤=c b b
y
f f
其中在进行受弯试件梁设计时，
y
f 、s E 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，y f
、s E 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，为了防止出现少筋破坏，需要控制梁受拉钢筋配筋率ρ大于适筋构件的最小配筋率min ρ，其中min ρ可按下式计算：
t min y
0.45
f f ρ=
（2）试件的主要参数 ①试件尺寸（矩形截面）：b ×h ×l ＝180×250×2200mm ； ②混凝土强度等级：C35；
③纵向受拉钢筋的种类：HRB400；
④箍筋的种类：HPB300（纯弯段无箍筋）； ⑤纵向钢筋混凝土保护层厚度：25mm ；
综上所述，试件的配筋情况见图3和表1：
图3 梁受弯实验试件配筋
表1
试件 编号
试件特征
配筋情况
预估荷载P (kN) ①
② ③
P cr P y P u MLA
适筋梁
416
2φ10
φ8@50(
2)
32.729
147.266
163.629
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。

三、 试验装置：
图1为本方案进行梁受弯性能试验采用的加载装置，加载设备为千斤顶。

采用两点集中力加载，以便于在跨中形成纯弯段。

并且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。

梁受弯性能试验中，采用三分点加载方案，取2200L mm =，100a mm =，700b mm =，600c mm =。

图2.a 为加载简图，此时千斤顶加力为P ，经过分配梁后，可视为两个大小为/2P 的集中荷载分别作用于图示位置。

图2.b 为荷载作用下的弯矩图。

由此图可知，纯弯段的弯矩最大，0.35M P =. 图2.c 为荷载作用下的剪力图。

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1 梁受弯试验装置图
（a）加载简图（kN, mm）
•）
（b）弯矩图（kN mm
•）
（c）剪力图（kN mm
图2 梁受弯试验加载和内力简图
四、加载方式：
（1）单调分级加载机制：
梁受弯试验采取单调分级加载，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两级。

具体加载过程为：
①在加载到开裂荷载计算值的90%以前，每级荷载不宜大于开裂荷载计
算值得20%
②达到开裂荷载计算值的90%以后，每级荷载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。

（2）开裂荷载实测值确定方法：
对于本次试验，采用放大镜观测法确定开裂荷载实测值。

具体过程：用放大倍率不低于四倍的放大镜观察裂缝的出现；当加载过程中第一次出现裂缝时，应取前一级荷载作为开裂荷载实测值；当在规定的荷载持续时间内第一次出现裂缝时，应取本级荷载值与前一级荷载的平均值作为开裂荷载实测值；当在规定的荷载持续时间结束后第一次出现裂缝时，应取本次荷载值作为开裂荷载实测值。

（3）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：
①受拉主钢筋拉断；
②受拉主钢筋处最大垂直裂缝宽度达到1.5mm；
③挠度达到跨度的1/30；
④受压区混凝土压坏。

五、试验测量内容、方法和测点仪表布置：
（1）混凝土平均应变
在梁跨中一侧面布置5个位移计，位移计间距50mm，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。

图4梁受弯试验混凝土平均应变测点布置
（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5。

图5 纵筋应变片布置
（3）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6 梁受弯试验挠度测点布置
（4）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(0.4P u ~0.7P u )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。

六、 理论极限荷载计算书
（1）配筋计算：
由所选材料性能可知:
222222
2400/360/270/23.4/16.7/2.20/1.57/yk y yv ck c tk t f N mm f N mm f N mm f N mm f N mm f N mm f N mm =======
3
t min y 1.57
0.450.45 1.9610360
ρ-==⨯=⨯f f
b y s 0.810.0033f E ξ=
+
=0.523
1116.7
0.5230.024
360
αρξ⨯==⨯=c b b y f f
025********
d
h h c mm =--
=--= 所以，当所配纵筋为314时，钢筋面积A s =804mm 2;
0.021s
A bh ρ==
此时
min ρρρ≤≤b
所以该梁为适筋梁
（2）试件加载估算 1. 开裂弯矩估算
5
s E 4
c 2.0610 6.5403.1510
α⨯===⨯E E
E s A 22 6.54804
0.234180250
A bh αα⨯⨯=
==⨯
()2
cr tk 20.292(1 2.5)0.2921 2.50.234 2.2018025011.455A M f bh kN m
α=+=⨯+⨯⨯⨯⨯=•
2. 屈服弯矩估算
作为估算，可以假定钢筋屈服时，压区混凝土的应力为线性分布，因此有：
y y s 0n u
(/3)0.9M f A h x M =-≈
3. 极限弯矩估算
yk s
1ck 0
400804
0.350123.4180218
f A f bh ξα⨯=
=
=⨯⨯⨯
()2u 1ck 02(10.5)
123.41802170.35010.50.35057.270kN m
k M f bh αξξ=-=⨯⨯⨯⨯⨯-⨯=⋅ 11.455
kN=32.729kN 0.350.35cr cr M P ∴==
u 57.270P kN 163.629kN 0.350.35u M ===
0.9147.266kN y u P P ==
4. 抗剪验算
梁中箍筋采用上述配置，及
()
8@502φ，此时梁的抗剪能力如下：
0700 3.2217a h λ===
>3λQ =3λ∴
222
28100.534
sv A mm mm π
=
⨯⨯=
33min 0100.53
=
2.57100.24 1.4310180217sv t yv
A f bh f ρρ--==⨯>==⨯⨯ ,max 00.250.25 1.016.7180217163.075kN u c c V f bh N β==⨯⨯⨯⨯=
001.75
144.6kN 1sv u t yv A V f bh f h s
λ=+=+
.max u u V V >Q 144.6kN u
V ∴=
此时
2289.2kN cu u P V =⨯= 因为 cu u P
P >，所以该梁出现正截面破坏，符合要求。