简支梁斜截面破坏实验解析13140.pdf

兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 钢筋混凝土简支梁静力加载试验报告 破坏类型：斜截面剪压破坏 组 数：第五组 试验人员：指导教师：时 间：2013 年 3 月 学 号：兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 1 试验目的和任务 通过学生自己设计受弯构件正截面中少筋梁，适筋梁和超筋梁构件，斜截面中斜拉破坏，剪压破坏和斜压破坏构件，并在试验中能够验证这几种破坏形态；通过构件设计使学生能够掌握钢筋混凝土基本构件的设计计算方法；通过构件设计，让学生能够练习绘制钢筋混凝土构件的施工图；让学生了解钢筋混凝土简支梁的安装就位技术；掌握钢筋混凝土简支梁正截面（斜截面）承载能力的评价技术；掌握受弯构件正截面和斜截面的破坏形态和工作性能；掌握结构试验报告编写方法。2 试验设计 参照钢筋混凝土简支梁静力加载试验大纲（第五组 斜截面剪压梁破坏）。2.1 实验设计要求 确定实验方案，写出实验大纲。计划内容要求详尽、科学、合理，能够在所提供的实验仪器及场地下完成实验。试验项目的内容和目的；试件方案设计（形状、尺寸以及局部处理）；荷载方案的设计（加载图示和程序，加载装置以及边界条件的处理方法，标准荷载计算，加载分级）；观测方案设计（测试项目为最大弯矩截面挠度和应变，钢筋应变，以及裂缝，绘制测点布置图以及测点编号，仪器选择及标定，设计原始记录表）。2.2 构件设计 梁长1.5 米，横截面100mm 200mm，混凝土等级C20，梁纵筋为二级Q335 钢筋，直径16mm 两根，架立筋直径8mm 两根，箍筋6150mm。2.3 荷载装置与加载程序 构件配筋图：见图1；加载图式：见图2；加载装置：见图3；兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 试件千斤顶荷载架分配梁 两点对称加载试验装置加载程序（荷载谱）：见图4；15030060030015015001211212 82 82 162 16 6200 61501-12-2图 1 构件配筋图 PP150300600300150 图 2 加载图示 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 图 3 加载装置 荷载值时间至破坏荷载图 4 加载程序（荷载谱）2.4 观测点布置与编号 钢筋应变片粘贴布置图及编号：见图5；混凝土应变片粘贴布置图及编号：见图6；位移传感器布置图及编号：见图7 123456789101112 图 5 钢筋应变片布置及编号图 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 ABCDEF 图 6 混凝土应变片布置及编号 15015037537575075015432图 7 位移计布置图 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 3 试验准备 3.1 构件制作与养护 于 2012 年 12 月在学院 实 验 车 间 浇 筑 养 护 成型。按照钢筋混凝土简支 梁 静 力 加 载 试 验 大 纲（少筋破坏）进行钢筋绑扎、钢筋应变片布置及粘贴，以及混凝土浇筑和养护。并预留混凝土强度及材性常数的测定的标准试件。兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 3.2 辅助试验 混凝土强度取C20 计算。实验使用组件表 表 1 组件名称 质量 数量 编号 支座 圆棒滚轴 2.5Kg 2 a 滚轴槽 9.0Kg 2 b 千斤顶 11.5Kg 2 c 传感器 1.5Kg 1 d 分配梁 20Kg 1 e 本组试验设计到的加载组件有：a 圆棒滚轴、b 滚轴槽、c 千斤顶、d 传感器、e 分配梁，总质量为67.5Kg，总重量为0.662kN。混凝土梁尺寸1500 100 200mm，自重取25kN/m3，计算得梁自重为0.75kN，折算为线荷载则q 0.5kN/m，在荷载计算时第一级荷载应取自重与加载组件的总和。3.3 仪器准备与标定 （荷载传感器标定 位移传感器标定）本组选用荷载（或力）传感器量程为20t，该传感器为应变电测式传感器，即将力通过弹性元件转化为应变电阻输出，结合静态应变议进行测试，输出量为应变，使用时应标定力与应变对应曲线，以便准确测试。荷载传感器标定表 表 2 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 力值 应变值 力值 应变值 力值 应变值 0 0 60 1162 120 2328 10 196 70 1356 130 2530 20 391 80 1545 140 2728 30 592 90 1739 150 2933 40 772 100 1942 160 3120 50 965 110 2145 位移传感器标定：其中3 号和5 号的灵敏度系数为400，即400 微应变对应1 个毫米；1 号、2 号和4 号的灵敏度系数为200，即200 微应变对应1 个毫米。3.4 构件就位 画线、支座定位、千斤顶定位（实际尺寸）3.5 混凝土应变片粘贴 应变片粘贴位置、编号、与静态应变仪器通道对应情况 绘制测点布置图并编号、绘制与静态应变仪器通道对应表 表 3 通道号 测点号 通道号 测点号 通道号 测点号 通道号 测点号 通道号 测点号 1 13 25 37 G08 49 2 14 26 38 G09 50 3 15 27 39 G11 51 V 4 16 28 40 G12 52 V 5 17 29 41 HA 53 V 6 18 30 42 HB 54 V 7 19 31 G01 43 HC 55 V 8 20 32 G02 44 HD 56 9 21 33 G03 45 HE 57 10 22 34 G04 46 HF 58 11 23 35 G05 47 59 12 24 36 GO6 48 60 注：H 指混凝土，G 指钢筋，V 指位移计，指未布置测点。3.6 挠度测点布置 挠度测点布置图：见图7，位移计的布置。4 试验实施 4.1 原始记录及异常情况处理 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 测点编号变更:实验中无测点变更情况；测点损坏情况：钢筋上的测点7 号和11 号损坏；断电情况：整个实验过程中无断电情况；位移计晃动:5 号位移计在加载过程中出现了轻微的晃动；意外情况发生：由于实验加载装置在加载前准备不够全面，所以在正式加载到达第三级时出现了无法继续加载的情况，之后在实验老师的指导及处理下解决了问题。4.2 裂缝描绘 确定第一批裂缝所对应的位置、荷载、时间，绘制裂缝展开图 裂缝发展图：见图8 裂缝展开图：见图9 PPPP图 8 裂缝发展图 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 图 9 裂缝展开图 5 试验分析与结果 5.1 开裂荷载、承载能力确定 开裂弯矩crM 极限弯矩为uM 自重作用下的弯矩计算：混凝土梁尺寸1500 100 200mm，自重取25kN/m3，计算得梁自重为0.75kN，折算为线荷载则q 0.5kN/m，在荷载计算时第一级荷载应取自重与加载组件的总和。计算q、P1 和 P2 作用下各个观测截面在各级荷载作用下的弯矩值。兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 q=0.5kN/m32001501200200图 10 自重作用梁计算简图 1500150300P1=0.331kN150300600P1=0.331kN 图 11 附加荷载计算简图 开裂荷载的确定=0.76 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 开裂弯矩:极限荷载的确定 取 b=100mm，h0=175mm 由斜截面抗剪计算公式：其中：=梁自重与组件自重引起的弯矩作为第一级荷载，所产生的响应（内力、应力应变、挠度）线性反算给结构上。预加载阶段钢筋应变与荷载关系表 表 4 应变值 G02 G05 G05 G11 G12 3.59KN 23-17 0-3-1 7.18KN 61-25-1 0-1 预加载阶段混凝土应变与荷载关系表 表 5 应变值 HA HB HC HD HE HF 3.59KN 26 7-265 10 10-11 7.18KN 38 16-1499 23 18-12 预加载阶段混凝土梁截面挠度与荷载关系表 表 6 挠度值（mm）V1 V2 V3 V4 V5 3.59KN-31-6 48-166 87 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 7.18KN-41-7 61 1567 127 5.2 各截面应力应变分析 正式加载阶段钢筋应力应变与荷载关系表 表 7 应力应变值 G02 G05 G06 G11 G12 应变 应力(Mpa)应变 应力(Mpa)应变 应力(Mpa)应变 应力(Mpa)应变 应力(Mpa)13.49KN 441 90.846 12 2.472 296 60.976 159 32.754 581 119.686 26.98KN 452 93.112-5-1.03 324 66.95 142 29.252 673 138.638 40.47KN 522 107.532 18 3.708 402 82.812 178 36.668 990 203.94 53.96KN 631 129.986 66 13.596 525 108.15 393 80.958 1314 270.684 67.45KN 745 153.470 161 33.166 645 132.87 185 141.11 1635 336.81 正式加载阶段混凝土应变与荷载关系表 表 8 应变值 HA HB HC HD HE HF 13.49KN 319 1507/-97 391-32 26.98KN 325 1784-12867-116 448-43 40.47KN 239 3172-11678-176 589-17 53.96KN 778/-7348-380 1091-52 67.45KN/-617 2451-109 注:表中“/”表示数据溢出。正式加载阶段混凝土梁截面挠度与荷载关系表 表 9 挠度值（mm）位移计1 位移计2 位移计3 位移计4 位移计5 13.49KN-0.435-0.21 0.595 4.555 0.245 26.98KN-0.225-0.255 0.63 7.655 0.66 40.47KN-2.8-0.28 0.668 6.425-0.838 53.96KN-2.785-0.375 1.185 2.275 0.365 67.45KN-1.84-0.47 1.893 2.95 1.818 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 分析：随着荷载的增加混凝土的应变逐渐增大，测点E处的应变值也增大，但当荷载达到13.49KN时，混凝土应变随荷载的变化较为显著。可以得出当荷载达到开裂荷载以后混凝土形变十分迅速，这也是混凝土退出工作，全部应力由钢筋承担的主要体现。分析：随荷载的逐渐增大，混凝土的应变也增大，当荷载值达到53.96KN 时，混凝土应变变化迅速。由此可见，该测点处混凝土较测点E 处的混凝土裂缝出现的晚，这也可以说明主裂缝一般是最先出现并且迅速发展的。兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 绘制钢筋应变（应力）变化曲线 分析：由图可以明显看出，当荷载加到13.49KN时，钢筋应力明显增加，由此可以说明开裂荷载为Pcr=13.49KN。当荷载达到开裂荷载后，混凝土全部退出工作，全部荷载由钢筋承担，所以钢筋的应变会迅速增加，出现了图中钢筋应变急剧增长的现象。5.3 挠度曲线及发展过程 最大挠度随各级荷载增长的关系曲线 各级荷载下挠曲线回归方程（自重及组件自重下的挠度按测试结果线性反算累加在测试值上）兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 上图所示为跨中挠度随荷载变化的曲线。兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 分析：由可明显看出1#和 2#位移计所在梁的两端有下沉，其中1#位移计所在的这端下沉比较明显，跨中的挠度最大，并且挠度最大时达到了12mm。5.4 裂缝描绘与发展过程 裂缝发展图与展开图绘制 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 PPPP 图 12 图 13 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 实验裂缝发展照片 总结各类破坏形态梁的裂缝特点 我组做的是斜截面剪压的实验，其裂缝发展的主要特征是：在荷载作用下，首先在剪跨区出现数条短的晚剪斜裂缝，但是两端剪跨区裂缝出现的时间及裂缝的宽度是有很大区别的。主要表现在梁南端剪跨区裂缝出现较早，并且裂缝宽度较另一侧宽。究其原因主要有以下两点：原因一，由于混凝土在浇筑过程中两端的密实度有所差异；原因二，由于加载装置安装不够精确，两点加载的装置使得分配在梁两加载点的荷载大小不同。随着荷载的增加，出现了一条延伸最长，开展最宽的裂缝，称其为主裂缝。逐渐的主裂缝开始贯通，随着其它裂缝也逐渐开展。梁的下边缘也出现许多短而细的裂缝，这些裂缝的长度和宽度大致基本相同，且裂缝分布很规律，裂缝间的宽度基本接近。5.5 钢筋混凝土简支梁破坏类型判别 钢筋屈服，剪压区混凝土被压碎，为钢筋混凝土梁斜截面的剪压破坏。6 理论与实测分析比较 6.1 开裂荷载比较 通过计算得开裂荷载：实测的开裂荷载：3.49KN 通过比较可得：通过理论计算得到的开裂荷载与实验实际测得的开裂荷载较为相近，并且理论计算值略小于实测值，这也符合结构设计的准则，对结构来说具有一定的安全储备，从而保证了结构的安全性。6.2 极限荷载比较 通过计算得到极限荷载：实测的极限荷载：通过比较可得：理论值与实测值较为相近，并且实测值略小于理论值，通过计算可得其相对误差值为7.19%。但实测值小于理论值得原因可能是：钢筋骨架的绑扎和混凝土的浇筑过程中出现了误差，影响了梁的整体的承载能力。由于此次试验的加载装置中的分配梁是临时找的槽钢，以及加载装置安装时出现的误差，影响了梁的整体承载能力。以至于出现了试验过程中梁的一端破坏比较严重，而另一侧却无明显的破坏迹象，只有很细的并且很疏散的几条裂缝。这也可能是造成此次试 兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏 验中实测的极限荷载小于理论极限荷载最主要的原因。6.4 挠度比较 试验中标准荷载26.98kN 作用下跨中的实测挠度值为：7.655mm。而通过理论计算可得在标准荷载26.98KN 作用下跨中的挠度理论值为：梁的抗弯刚度EI=1.33 于是跨中挠度值 7 结论 给出主要结论：通过试验测得的数据，不管是开裂荷载还是极限荷载，其理论值与实测值得差距并不是喝的，并且相对误差都控制在了10%以内。但是出现了实测的极限值小于理论计算实测值得现象，出现这种现象的原因已在上面作了简要的分析，此处不再叙述。这次的实验，经历了实验方案的确定，实验方案的设计，实验的前期准备工作（实验用品的购买），钢筋应变片的粘贴，试件的浇筑，试件的养护，混凝土应变片的粘贴，实验加载记录装置的准备，正式实验过程，数据处理阶段以及撰写实验报告的过程。这一系列的过程我们都有参与，并付出了很多的努力，也学到了许多知识，这些知识不仅包括理论知识，还有实验的方法与经验，并增强了自己的合作意识和责任意识。8 附件 8.1 参考资料 材料力学，高等教育出版社，孙训芳；新编混凝土结构设计原理，科学出版社，张季超编著；结构力学，武汉理工大学出版社，包世华主编；土木工程结构试验，中国建筑工业出版社，宋彧主编；混凝土结构设计规范GB 50010 2010；混凝土结构试验方法标准GB 50152 2010。兰州理工大学土木学院创新课程 第五组 斜截面剪压破坏