钢筋混凝土简支梁抗弯性能的试验研究.doc

钢筋混凝土简支梁抗弯性能的试验研究作者：徐萍摘要： 通过对一根钢筋混凝土简支梁的抗弯试验，探讨了钢筋混凝土受弯构件正截面受力变形性能和破坏特征。试验结果表明：钢筋混凝土梁正截面在受力过程中，具有弹性、开裂、屈服和极限4个明显特征；正截面平均应变服从平截面假定；得出钢筋混凝土梁的开裂弯矩和极限抗弯承载能力以及抗弯刚度。最后，本试验应根据现行混凝土结构设计规范(GB500102002)提出的普通混凝土梁的计算公式，验算钢筋混凝土梁的开裂弯矩、极限弯矩、挠度和最大裂缝宽度。关键字： 钢筋混凝土简支梁 抗弯 正截面前言：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=300500mm，混凝土等级C20-C50；钢筋HPB235-HRB400；跨度l=2.5m5m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=(1/181/12)l=400mmb=(1/31/2)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1.014.3200（400-35）0.550(1-0.50.550)=151.93KNm=151.93/300(400-35) （1-0.50.550）=1913.8选用328，=1847; 验算最小配筋率/(bh)=1847/(200400)=2.31%=45=451.43/300100%=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：1847300/（1.014.3200）=148.57mm3001847(365-x/2)=148.57KNm又因为：(P1.5+G2.25)1.35G=250.40.24.5=9 KNm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：P1.35=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： 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， 检验全部试验装置的可靠性； 检验全部观测仪表工作正常与否； 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，23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 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。 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。 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13mm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。试件检查考察之后，尚应进行表面处理，例如去除或修补一些有碍试验观测的缺陷，钢筋混凝土表面的刷白、分区划格等。刷白的目的是便于观测裂缝;分区划格是为了荷载与测点的准确定位、记录裂缝的发生和发展过程以及描述试件的破坏形态。观测的裂缝的区格尺寸，一般取1030mm。为方便操作，测点布置和处理，如手持应变计、杠杆应变计、百分表应变计脚标的固定、以及应变计的粘贴、接线等也应在这个阶段进行。试验设备与试验场地的准备。3.2 试验计划应用的加载设备和量测仪表准备试验之前应进行检查、修正和必要的率定，以保证达到试验的使用要求。3.3 试验场地准备 在试件进场之前也应加以清理和安排，包括水、电、交通和清除不必要的杂物，集中安排好试验使用的物品。3.4 试件安装就位按照试验大纲的规定和试件设计要求，在各项准备工作就绪后即可将试件安装就位。保证试件在试验安装全过程都能按计划模拟条件工作，避免因安装错误而产生附加应力或出现安全事故，是安装就位的中心问题。简支结构的两支点应在同一水平面上，高差不宜超过试件跨度（）。试件、支座、支墩和台座之间应密和稳固，为此常采用砂浆坐缝处理。试件吊装时，钢筋混凝土结构在吊装就位过程中应保证不出现裂缝，尤其是抗裂试验结构，必要时应附加夹具，提高试件刚度。3.5 加载设备和量测仪表安装加载设备的安装应根据加载设备的特点按照大纲设计要求进行。在试件就位后安装，要求安装固定牢固，保证荷载模拟正确和试验安全。仪器安装位置按观测设计确定。安装后应及时把仪表号、测点号位置和连接仪器上的通道号一并记录表中。3.6 试验控制特征值的计算根据材性试验数据和设计计算图式，计算出各个荷载阶段的荷载值，和各特征部位的内力、变形值等，作为实验时控制与比较的依据。4.附录：4.1仪器设备清单该试验涉及到的试验仪器有：（1）加荷设备:同步液压装置JS-50型液压缸,或采用手动油泵配置液压缸(或千斤顶);（2）静态电阻应变仪;（3）百分表、千分表曲率及表架；（4）电子称及压力传感器；（5）刻度放大镜、钢卷尺及其他工具等。4.2试验安全措施及注意事项：为保证试验安全性，应当明确了解试件的破坏标准，当试件接近破坏时，注意观察试件的破坏特征并确定出破坏荷载值。（1）正截面强度破坏 受压区混凝土破损； 纵向受拉钢筋被拉断； 纵向受拉钢筋达到或超过屈服强度后致使构件挠度达到跨度的1/50；或构件纵向受拉钢筋处的最大裂缝宽度达到1.5mm.（2）斜截面强度破坏 受压区混凝土剪压或斜拉破坏； 箍筋达到或超过屈服强度后致使斜裂缝宽度达到1.5mm； 混凝土斜压破坏；（3）受力筋在端部滑脱或其他锚固破坏确定试件的实际开裂荷载和破坏荷载时，应包括试件自重和作用在试件上的垫板、分配梁等加荷设备重量。4.3加载试验数据记录表格如下：荷载P（KN）弯矩M（KNm）挠度应变读数读数差累计读数读数差累计10011.9723.9535.9247.8959.8665.8571.8374.8277.8180.8277.8174.8271.8365.8559.8647.8935.9223.9511.9705.试验结果分析（推测性结果分析）5.1 平界面假定适用性分析 根据试验梁的跨中截面在不同等级荷载下钢筋和混凝土应边沿截面高度分布情况，可以得出从开始加载到纵向钢筋屈服，在某一特定荷载作用下，截面上各点的混凝土的应变与该点到中性轴的距离成正比。由此可以得知，钢筋混凝土简支梁在受弯过程中遵循平截面假定。5.2 跨中挠度分析 通过支座处位移的修正，可得到试验梁跨中挠度随荷载的变化规律。试验钢筋混凝土简支梁在受力