1、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2006-410i目录1实验目的 .12试验准备工作 .12.1 制定试验计划 .12.2 试件的检查 .12.3 仪器设备标定 .12.4 材料试验 .22.4.1 混凝土抗压强度试验 .22.4.2 混凝土轴心抗压强度试验 .32.4.3 钢筋单调加载拉伸试验 .33构件试验 .43.1 梁受弯试验 .43.1.1 梁受弯性能概述 .43.1.2 试验装置 .53.1.3 加载方式 .63.1.4 试件设计 .73.1.5 量测内容 .83.2 梁受剪试验 .103.2.1 梁受剪性能概述 .103.2.2
2、试验装置 .103.2.3 加载方式 .113.2.4 试件设计 .113.2.5 量测内容 .123.3 柱偏心受压试验 .143.3.1 短柱偏心受压性能概述 .143.3.2 加载装置 .143.3.3 加载方式 .143.3.4 试件设计 .163.3.5 量测内容 .174试验结果整理 .204.1 数据处理方法 .20ii4.2 试验结果整理 .204.2.1 试验原始资料的整理 .204.2.2 裂缝发展情况及破坏形态描述 .214.2.3 荷载挠度关系曲线 .214.2.4 沿构件截面高度混凝土平均应变分布 .224.2.5 弯矩曲率关系曲线 .224.2.6 荷载纵筋应变关系
3、曲线 .234.2.7 荷载箍筋应变关系 .234.3 试验结果分析 .244.3.1 正截面承载力分析 .244.3.2 斜截面承载力分析 .244.3.3 构件的承载力分析 .244.3.4 使用性能分析 .244.4 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 .2711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
4、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）
5、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
6、对仪2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
7、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/T 50081-2002） 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3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
8、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C30 时，加荷速度取每秒0.30.5MPa；混凝土强度等级 C30 且C60 时，取每秒 0.50.8MPa；混凝土强度等级C60 时，取每秒 0.81.0MPa ；（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)c=FfA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（mm 2） 。（2）强度值的确定应符合下列规定：以三个试件为一组，每组
9、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；3三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C60 时，用非标准试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数，其值为对 200mm200mm200mm 试件为 1.05；对 100mm100mm100mm 试件为 0.95。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
10、度试验国家标准混凝土结构设计规范 （GB50010-2002 ） 1规定：边长为150mm150mm300mm 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C60 时，用非标准试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数，其值为对200mm200mm400mm 试件为 1.05；对 100mm100mm300mm 试件为 0.95。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
11、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02Lh中 L0 为 5 d0（ 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 330MPa/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 0.000250.0025/s 范围内，并保持恒定。屈服段
12、过后，试验机两夹头在力作用下的分离速率不超过 0.5Lc/min（L c 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。 】43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
13、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
14、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
15、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） 。5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
16、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=400 mm。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
17、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（a）加载简图（kN，mm）（b）弯矩图（kNm）6（c）剪力图（kN）图 3.1.2 梁受弯试验加载和内力简图3.1.3 加载方式（1）单调分级加载机制试件的加载简图和相应的弯矩、剪力图见 3.1.1 和 3.1.2 所示。梁受弯试验采用单调分级加载，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 2 级。对于适筋梁，在加载到开裂试验荷载计算值的 90以前，每级荷载不宜大于开裂荷载计算值的 20；达到开裂试验荷载计算值的 90以后，每级荷载
18、值不宜大于其荷载值的 5；当试件开裂后，每级荷载值取 10的承载力试验荷载计算值（P u）的级距；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 ；加载到临近破坏前，拆除所有仪表，然后加载至破坏。y对于超筋梁，的加载机制同适筋梁；在加载达到承载力试验荷载计算值的90以后，每级荷载值不宜大于开裂试验荷载值的 5；加载到临近破坏前，拆除所有仪表，然后加载至破坏。对于少筋梁，在加载到开裂试验荷载计算值的 90以前，每级荷载不宜大于开裂荷载计算值的 20；达到开裂试验荷载计算值的 90以后，每级荷载值不宜大于其荷载值的 5；少筋梁的开裂荷载和破坏荷载接近，而且
19、表现为脆性破坏，注意加载过程的安全防护。（2）开裂荷载实测值确定方法 2对于正截面出现裂缝的试验构件，可采用下列方法确定开裂荷载实测值：放大镜观察法 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。荷载挠度曲线判别法 测定试件的最大挠度，取其荷载挠度曲线上斜率首次发生突变时的荷载值作为开裂荷载的实测值；连续布置应变计法 在截面受拉区最外层表面，沿受力主筋方向在拉
20、应力最大区段的全长范围内连续搭接布置应变计监测应变值的发展，取任一应变计的应变增量有突变时的荷载值作为开裂荷载实测值。（3）承载力极限状态确定方法 2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：对有明显物理流限的热轧钢筋，其受拉主筋的受拉应变达到 0.01；7受拉主钢筋拉断； 受拉主钢筋处最大垂直裂缝宽度达到 1.5mm；挠度达到跨度的 1/30；受压区混凝土压坏。3.1.4 试件设计（1）试件设计的依据 7根据梁正截面受压区相对高度 和界限受压区相对高度 的比较可以判断出受弯构件b的类型：当 时，为适筋梁；当 时，
21、为超筋梁。界限受压区相对高度 可按下bb b式计算：(3-1)bys0.81.3fE其中在进行受弯试件梁设计时， 、 分别取混凝土结构设计规范规定的钢筋受拉强yfsE度标准值和弹性模量；进行受弯试件梁加载设计时， 、 分别取钢筋试件试验得到钢筋yfsE受拉屈服强度标准值和弹性模量。对于少筋梁，设计试件配筋时，需要控制梁受拉钢筋配筋率 不大于适筋构件的最小配筋率 ，其中 可按下式计算。minmin(3-2)tiy0.45f（2）试件的主要参数 （注：如无特别说明，以下为建筑工程系建筑结构试验室试件参数。 ）试件尺寸（矩形截面）：bhl1202001800mm；混凝土强度等级：C20；纵向受拉钢筋的种类：HRB335（适筋梁和超筋梁） ，HPB235（少筋梁） ；箍筋的种类：HPB235 （纯弯段无箍筋） ；纵向钢筋混凝土保护层厚度：15mm；试件的配筋情况见图 3.1.3 和表 3.1.1；
