混凝土结构基本原理.docx

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混凝土结构基本原理

混凝土结构基本原理

实验指导书

赵勇林峰编制

同济大学土木工程学院建筑工程系

2006-10

目录

1．实验目的1

2．试验准备工作1

2.1制定试验计划1

2.2试件的检查1

2.3仪器设备标定1

2.4材料试验2

2.4.1混凝土抗压强度试验2

2.4.2混凝土轴心抗压强度试验3

2.4.3钢筋单调加载拉伸试验3

3．构件试验4

3.1梁受弯试验4

3.1.1梁受弯性能概述4

3.1.2试验装置5

3.1.3加载方式6

3.1.4试件设计7

3.1.5量测内容8

3.2梁受剪试验10

3.2.1梁受剪性能概述10

3.2.2试验装置10

3.2.3加载方式11

3.2.4试件设计11

3.2.5量测内容12

3.3柱偏心受压试验14

3.3.1短柱偏心受压性能概述14

3.3.2加载装置14

3.3.3加载方式14

3.3.4试件设计16

3.3.5量测内容17

4．试验结果整理20

4.1数据处理方法20

4.2试验结果整理20

4.2.1试验原始资料的整理20

4.2.2裂缝发展情况及破坏形态描述21

4.2.3荷载－挠度关系曲线21

4.2.4沿构件截面高度混凝土平均应变分布22

4.2.5弯矩－曲率关系曲线22

4.2.6荷载－纵筋应变关系曲线23

4.2.7荷载－箍筋应变关系23

4.3试验结果分析24

4.3.1正截面承载力分析24

4.3.2斜截面承载力分析24

4.3.3构件的承载力分析24

4.3.4使用性能分析24

4.4试验报告的内容要求25

附录26

附录1试验常用仪器设备介绍26

附录2仪器设备的主要技术性能指标26

附录3安全防护措施27

附录4数据记录表格27

参考文献27

1．实验目的

本实验教学是所有学习专业基础课《混凝土结构基本原理》学生的同时必修课。

本课程教学目的是使学生通过试验研究认识混凝土结构构件的破坏全过程，掌握测试混凝土受弯和受压构件基本性能的试验方法。

包括：

（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和实验结果，通过实践掌握试件的设计、实验结果整理的方法。

（2）写出实验报告。

在此过程中，加深对混凝土结构基本构件受力性能的理解。

2．试验准备工作

2.1制定试验计划

结构构件试验前应制定试验计划。

试验计划宜包括下列内容[2]：

（1）概述；

（2）试验目的和要求；（3）试件设计和制作；（4）试验对象的考察和检查；（5）试验构件的安装就位和试验装置；（6）试验荷载、加载方法和加载设备；（7）试验测量内容、方法和测点仪表布置图；（8）辅助试验的内容；（9）安全与防护措施；（10）试验进度计划；（11）试验的组织；（12）试验资料整理和数据分析的要求。

2.2试件的检查

试验前宜将试件表面刷白，并分格画线，分格大小可按构件尺寸确定。

在刷白前，对试件进行检查的内容包括[2]：

（1）收集试件的原始设计资料、设计图纸和计算书；施工和制作记录；原材料的物理力学性能试验报告等文件资料。

（2）对结构构件的跨度、截面、钢筋的位置、保护层厚度等实际尺寸及初始挠曲、变形、原始裂缝等作出书面记录，绘制详图。

对钢筋位置、实际规格、尺寸和保护层厚度也可在试验结束后进行量测。

2.3仪器设备标定

为了确定仪器设备的灵敏度和精确度、确定试验数据的误差，应该在试验前或试验后对仪器设备进行标定。

仪器标定可按两种情况进行，一是对仪器进行单件标定，二是对仪器系统进行系统标定。

单件标定可以确定某一件仪器的灵敏度和精确度，系统标定可以确定某些仪器组成的系统的灵敏度和精确度[4]。

2.4材料试验

2.4.1混凝土抗压强度试验

国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）[1]规定：

混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准确定；立方体抗压强度标准值系指标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度。

因此立方体抗压强度标准值是《混凝土结构设计规范》[1]中混凝土各种力学指标的基本代表值，根据混凝土强度等级，可以查阅《混凝土结构设计规范》[1]的有关表格，以确定混凝土的轴心抗压、轴心抗拉强度标准值和设计值以及混凝土的弹性模量等。

国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081-2002）[3]规定：

以边长为150mm的立方体为标准试件，将标准立方体试件在20℃的温度和相对湿度90％以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为N/mm2（MPa）。

混凝土立方体抗压强度试验步骤应按下列方法进行：

（1）试件从养护地点取出后应及时进行试验，将试件表面与上下承压板面擦干净；

（2）将试件安放在试验机的下压板或垫板上，试件的承压面应与成型时的顶面垂直。

试件的中心应与试验机下压板中心对准，开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡；

（3）在试验过程中应连续均匀地加荷，混凝土强度等级

（4）当试件接近破坏开始急剧变形时，应停止调整试验机油门，直至破坏。

然后记录破坏荷载。

混凝土立方体抗压强度试验结果计算及确定按下列方法进行：

（1）混凝土立方体抗压强度应按下式计算：

（2-1）

式中，为混凝土立方体试件抗压强度（MPa）；F为试件破坏荷载（N）；A为试件承压面积（mm2）。

（2）强度值的确定应符合下列规定：

以三个试件为一组，每组试件所用的拌合物应从同一盘混凝土或同一车混凝土中取样；

三个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值（计算应精确至0.1MPa）；

三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15％时，则把最大及最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的抗压强度值；

如最大值或最小值与中间值的差值均超过中间值的15％，则该组试件的试验结果无效。

混凝土强度等级

当混凝土强度等级C60，宜采用标准试件。

2.4.2混凝土轴心抗压强度试验

国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）[1]规定：

边长为150mm×150mm×300mm的棱柱体试件是轴心抗压强度和静力受压弹性模量试验的标准试件。

轴心抗压强度和抗压强度的试验方法相同。

而对于非标准试件的数据处理有如下规定：

混凝土强度等级

当混凝土强度等级C60，宜采用标准试件。

2.4.3钢筋单调加载拉伸试验

（1）试件尺寸[6]

钢筋试样采用不经切削加工原截面钢筋。

根据各类钢筋标准所规定的伸长率标准和试验机上、下夹头的最小距离，夹头高度等因素决定其试件长度，基本长度，其中L0为5d0（d0为钢筋直径）；h为夹头长度，通常取100mm左右。

对于圆形截面钢筋的直径应在标距L0的两端和中间测量，应在每处的两个相互垂直的方向上各测一次，取其算术平均值，选用三处中的最小直径计算横截面面积。

对于热轧带肋钢筋，按其公称直径计算横截面面积。

（2）试验条件[6]

钢筋试样在弹性范围内，试验机的加载速率应在3～30MPa/s范围内，并保持试验机控制器固定于这一速率位置上，直至获得屈服点和上屈服点；测定下屈服点时，应变速率在0.00025~0.0025/s范围内，并保持恒定。

屈服段过后，试验机两夹头在力作用下的分离速率不超过0.5Lc/min（Lc为两夹头的钢筋试样净长）。

【说明：

试验准备工作由试验室老师和课程指导教师完成，并将相关结果告知同学。

】

3．构件试验

3.1梁受弯试验

3.1.1梁受弯性能概述

根据梁正截面受弯破坏过程及破坏形态，可将梁分为适筋梁、超筋梁和少筋梁三种类型。

下面以纯弯段内只配置纵向受拉钢筋的截面为例，说明这三种破坏模式[7]。

（1）适筋梁的受弯破坏过程

当梁中纵向受力钢筋的配筋率适中时，梁正截面受弯破坏过程表现为典型的三个阶段。

第一阶段——弹性阶段（I阶段）：

当荷载较小时，混凝土梁如同两种弹性材料组成的组合梁，梁截面的应力呈线性分布，卸载后几乎无残余变形。

当梁受拉区混凝土的最大拉应力达到混凝土的抗拉强度，且最大的混凝土拉应变超过混凝土的极限受拉应变时，在纯弯段某一薄弱截面出现首条垂直裂缝。

梁开裂标志着第一阶段的结束。

此时，梁纯弯段截面承担的弯矩Mcr称为开裂弯矩。

第二阶段——带裂缝工作阶段（II阶段）：

梁开裂后，裂缝处混凝土退出工作，钢筋应力激增，且通过粘结力向未开裂的混凝土传递拉应力，使得梁中继续出现拉裂缝。

压区混凝土中压应力也由线性分布转化为非线性分布。

当受拉钢筋屈服时标志着第二阶段的结束。

此时梁纯弯段截面承担的弯矩My称为屈服弯矩。

第三阶段——破坏阶段（III阶段）：

钢筋屈服后，在很小的荷载增量下，梁会产生很大的变形。

裂缝的高度和宽度进一步发展，中和轴不断上移，压区混凝土应力分布曲线渐趋丰满。

当受压区混凝土的最大压应变达到混凝土的极限压应变时，压区混凝土压碎，梁正截面受弯破坏。

此时，梁承担的弯矩Mu称为极限弯矩。

适筋梁的破坏始于纵筋屈服，终于混凝土压碎。

整个过程要经历相当大的变形，破坏前有明显的预兆。

这种破坏称为适筋破坏，属于延性破坏。

（2）超筋梁的受弯破坏过程

当梁中纵筋配筋率很大时，梁正截面受弯破坏只经历上述的I、II两个阶段。

当荷载较小时，梁处于线弹性破坏状态，梁截面的应力呈线性分布，卸载后几乎无残余变形。

当梁受拉区混凝土的拉应力达到混凝土的抗拉强度，且最大的混凝土拉应变达到混凝土极限受拉应变时，梁开裂。

随着荷载的增加，裂缝不断增加。

但是，由于钢筋很多，钢筋中的应力增加不显著，裂缝多而且密。

当受压区混凝土的最大压应变达到混凝土的极限受压应变时，压区混凝土压碎，梁正截面受弯破坏。

此时，纵筋尚未屈服。

超筋梁中虽然出现大量的裂缝，但是裂缝宽度较小，梁的变形较小，破坏具有突然性。

这种破坏称为超筋破坏，属于脆性破坏。

（3）少筋梁的受弯破坏过程

当梁中纵向钢筋的配筋很小时，梁正截面的破坏仅经历上述的I阶段（即弹性阶段）。

当荷载较小时，梁处于线弹性状态。

梁开裂后裂缝截面受压区混凝土承受的拉力全部传给钢筋。

由于配筋率很小，钢筋无法承受混凝土转嫁来的拉力，钢筋应力激增，并迅速越过屈服平台和强化段达到极限强度而拉断，受拉裂缝发展至梁顶，梁由于脆性断裂而破坏，混凝土的抗压强度未得到充分发挥。

少筋梁钢筋拉断后，梁断为两截，破坏前梁上无裂缝，梁仅产生了弹性变形，这种破坏称为少筋破坏，它是突发性的脆性破坏，具有很大的危险性。

3.1.2试验装置

图3.1.1为本课程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，在跨中形成纯弯段，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，取L=1800mm，a=100mm，b=600mm，c=400mm。

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3.1.1梁受弯试验装置图

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