3钢筋混凝土柱承载力破坏试验

实验报告

钢筋混凝土结构是土木工程领域应用最广泛的结构，《钢筋混凝土结构基本原理》是士木工程专业核心必修课程，钢筋混凝土结构设计理论是在实验的基础_上建立的，因此钢筋混凝土结构受力破坏实验是学习钢筋混凝士结构基本原理的重要环节。钢筋混凝土结构受力破坏试验涉及试验构件设计、构件制作、混凝土养护、构件安装、测试仪器仪表安装、试验加载、位移和应变测量、混凝土裂缝观测、数据分析等步骤。整个试验消耗大、步骤多、耗时长、工序繁琐，而且试验属于不可逆的破坏性试验，开展大规模实体实验教学的难度很大。

本项目借助虚拟现实技术高度仿真实验构件制作过程、实验构件安装过程、实验加载及数据分析过程,融合三维有限元分析和大量实体试验数据再现不同配筋情况下和多种加载条件下钢筋混凝士结构力学性能和破坏形态，引导学生全面掌握钢筋混凝土结构制作、安装、加载至破坏的全过程，通过设计参数变化判断实验构件的性能指标，通过不同构件实验结果认识结构受力破坏的机理，通过构件设计、加载技术和测试手段的集成，掌握结构实验方法和实际操作技巧，从而全方位培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力，切实提高教学实效。

二、实验器材

(1)线上虚拟仿真实验仪器设备及软件

电脑、服务器、钢筋混凝土结构受力破坏虚拟仿真实验软件网络版、具备WebGL 功能的浏览器。

(2)线下教学实验仪器设备

切割机，钢筋弯折机,打磨机，钢针,电烙铁，万用表,钢模具,振捣器，抹刀,水壶，刷子，针矩尺，自平衡加载装置,千顶，油泵，固定铰支座，滑动铰支座，分配梁铰支座，分配梁，荷载传感器，磁性表座,电阻应变仪，手持式应变仪，裂縫观测仪。仪器设备真实比例建模的各场景三维示意图(见图1-6)。

实际实验材料

本项目实验对象为钢筋混凝土柱，预设参数包括尺寸、主要配筋、剪跨比、偏心

502胶水、玻璃纸、绝缘胶带、电线、703胶、砂布、环氧树脂、细砂、扎丝、混凝土、铅笔、石灰水、铜柱等。

三、实验原理

钢筋混凝士柱受力破坏实验包含钢筋混凝土结构试件的设计、制作、安装和加载

试验，针对不同类型的结构试件采用不同的加载方式对结构进行加载，利用力传感器测定所顶的加载量，利用百分表测定结构的整体变形，利用电阻应变仪测定钢筋和混凝土的应变，利用应变引|伸计测定试件表面的平均应变，采用裂缝观测仪测定裂缝宽度并进行裂缝走向的描绘，得到结构整体变形和关键部位的局部变形以及裂缝开展规律和破坏形态。

本虚拟仿真实验集实体实验的环境、设备、工具于-体,采用3D仿真技术全景再现结构试件制作、安装和加载过程，对杂的实验过程及步骤高度仿真;采用三维实体有限元分析得到结构各个加载阶段的变形和应变,结合大量的实体试验数据和裂缝开展至破坏的图片资料,整合成虚拟仿真实验基础数据库，得到实验数据表格和数据曲线作为实验结果，并将典型裂缝开展过程和破坏形态表现出来，核心的实验结果数据同样有极高的仿真度。

知识点:共7个

(1)根据截面配筋、加载方式和破坏形态的不同，钢筋混凝土受压构件分为大偏压柱和小偏压柱。(知识掌握要点:配筋率、剪跨比、偏心距对构件受力特征的影响)(2)钢筋混凝土柱的设计参数主要包括截面尺寸、混凝土强度等级、纵向钢筋类别、箍筋类别、构造要求等。(知识掌握要点:通过设计参数判断实验构件的性能指标，通过理论计算得到极限承载力、开裂荷载等)

(3)钢筋混凝土构件制作，包括钢筋下料、钢筋弯折、钢筋应变片粘贴、绑扎箍筋、浇筑混凝土、养护、刷白、划线、贴铜柱、贴混凝土应变片等。(知识掌握要点:钢筋骨架的构造和内部测点的布置，构件制作的流程和质量控制方法，钢筋和混凝土应变片的贴粘技术等)

(4)实验构件安装与测试准备，主要包括千斤顶安装、油泵连接、支座安装、试件安装、分配梁安装、荷载传感器安装、位移计安装、导线连接并调试。(知识掌握要点:加载装置的构成、液压加载系统的组成、结构试件边界条件的实现方法、应变片接线方法等)

(5)加载前准备，包括应变仪预热、预载、检查仪表工作情况及试验测试人员的操作能力、消除试件、加载设备和支座之间的间隙，读取百分表、静态应变仪和手持式应变仪的初始读数。(知识掌握要点:应变仪的使用和操作方法、静载试验加载程序、百分表和千分表的读数方法)

(6)根据受力特性及计算的开裂荷载和破坏荷载，对构件进行分级加载，一般分三个阶段:弹性阶段、带裂缝工作阶段、破坏阶段，观察裂缝的开展，记录实验数据。(知识掌握要点:加载系统的使用方法、裂缝观测仪的使用方法、数据的记录方法、根据整体变形和局部变形的变化情况及裂缝开展的情况解析钢筋和混凝土在整体受力中所起的关键作用等)

(7)根据实测数据进行数据处理,分别绘制荷载挠度曲线、荷载钢筋应变曲线、荷载混凝土应变曲线、混凝土表面不同位置的应变分布曲线等。(知识掌握要点:

理论计算结果与实验数据的对比、平截面假定的适用条件、裂缝开展情况与结构局部变形之间的关联、不同构件实验结果的差异与结构内部钢筋配置的联系等)四、实验过程及步骤

本实验项目针对钢筋混凝土柱的受力特征设置几种不同的参数，基于虚拟仿真技术综合运用观察对照法、控制变量法、比较法等实验方法，让学生达成学习目标。

采用观察对照法，学生可熟练掌握钢筋混凝土构件的制作过程、安装过程和加载过程等整个复杂过程，了解钢筋混凝土构件的内部构造、测点的布置、加载的边界条件，更有利于加深对结构受力破坏特征的理解。运用控制变建法，本项目对相同类型的结构构件设计不同的参数包括配筋率、配箍率、剪跨比、偏心距等，获得典型的实验结果，再运用比较法，引导学生从各变量的变化和实验结果的不同掌握钢筋混凝土结构受力破坏的机理。

本虚拟仿真实验平台上设置了5个模块，包括实验原理与方案，试件设计,教学演示，实操练习，模拟考核(图11)，各模块的功能如下:

1)实验原理与方案:该模块类似于实验教材,内含实验原理和实验方案两个部分，实验原理包括基础理论知识、计算方法等，实验方案即实验指导书，有实验目的、试验仪器、试验内容、试件设计方案、加载装置及仪表布置方案、加载方案及试验量测方案等;

2)试件设计:该模块用于选择开展试验的具体构件,每个构件信息包括配筋图、钢筋应力应变曲线、材料计算参数、理论估算结果等;

3)教学演示:该模块用于实验全过程的演示，包括构件制作演示、安装过程演示、加载过程演示，演示模块配有标准语音和文字提示，按实验步骤-步一步指导学生完成整个实验;

4)实操练习:该模块用于实验全过程的操作练习，包括构件制作实操、安装过程实操、加载过程实操，实操模块配有标准语音和文字提示，同时对操作目标进行箭头指示，引导学生进行操作练习;

5)模拟考核:该模块用于实验全过程的模拟考核，包括构件制作考核、安装过程考核、加载过程考核、原理考核，考核模块只配有文字提示，学生需要在规定时间内自行完成全部实验步骤，实验完成后自动撰写实验报告，包括实验目的、原理、实验数据处理和结果、实验结论以及对该实验设计的评价和建议,提交给老师评阅。

互动操作步骤之第一组(1步):实验原理和实验方案选择学习(图12)。