1、 装 订 线 混凝土结构基本原理试验课程作业 混凝土受弯构件少筋梁破坏试验报告 试 验 名 称 混凝土少筋受弯梁破坏试验 试验课教师 黄庆华 姓 名 张杨宾 学 号 1251083 手 机 号 18817870169 任 课 教 师 肖建庄 日 期 2014年10月31日 2 1. 试验目的 通过试验研究认识少筋梁受弯破坏的全过程，理掌握测试钢筋混凝土受弯构件基本性能的试验方法。 参加并完成规定的少筋梁试验内容，掌握和理解钢筋混凝土受弯构件的试验方法和试验结果，通过实践掌握试件的设计，对试验结果进行整理并写出试验报告。 通过试验加深对混凝土机构基本构件的受力性能的理解。 2. 试件设计 2.1
2、 材料和试件尺寸 根据试验目的合理地制定试验计划，按照试验目的和试验计划的要求对钢筋和混凝土等试验材料进行选取。本次少筋梁受弯破坏试验选取的纵向受拉钢筋及箍筋均为HPB235，且采用不经切削加工原截面钢筋，选取的混凝土强度等级为C20。 试件尺寸（矩形截面）： 120 205 1500b h l m m m m m m 2.2 试件设计 2.2.1试件设计的基本原理及依据 钢筋混凝土受弯构件发生少筋破坏时，构件抗弯承载力等于开裂弯矩。实际工程中通常为避免少筋破坏，有最小配筋率的要求。本试验中，为保证发生少筋破坏，有配筋率要求： min0.45tyff 同时，抗弯承载力设计公式为： sEcEE
3、，E2sAAbh 20.292(1 2.5 )u cr A tM M f bh 另外，基于构件设计中出现的抗剪箍筋需要满足抗剪要求，抗剪承载力公式为： 0 01.751svu cs t yvAV V f bh f hs 2.2.2 试件的主要参数 试件尺寸（矩形截面）： 120 205 1500b h l mm mm mm 混凝土强度等级：C20； 纵向受拉钢筋的种类：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； 3 试件的配筋情况见图1和表1。 图1 少筋梁受弯试验试件配筋 表1 少筋梁受弯试件的配筋 试件编号 配筋情况 预估荷载
4、 MLC2 crP yP uP 7.52 4 2 10 6100(2) 9.500 9.500 2.3 试件的制作 将试件按照设计方案及标准方法制作好，并按照规定的养护情况养护至规定龄期。试件制成后，在试验前应将试件表面刷白，并分格画线，分格大小可按构件尺寸确定。在刷白前应对试件进行检查，包括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；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度、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实验结束后进行量测。 3. 材性试验 略 4. 试验过程
5、 4.1 加载装置 图2为进行少筋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。少筋梁受弯性能试验，取 L=1800mm，a=150mm，b=497.5mm，c=505 mm。4 图2 少筋梁受弯试验装置图 （a）加载简图（kN，mm） （b）弯矩图（kN m ） （c）剪力图（kN） 图3 少筋梁受弯试验加载和内力简图 4.2 加载制度 试件的加载简图和相应的弯矩、剪力图见图2 和3 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
6、，需要预加载， 预加载所用的荷载是分级荷载的前2 级。 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5 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，而且表现为脆性破坏，注意加载过程的安全防护。 4.3量测与观测内容 4.3.1 荷载 测点2_1显示实测荷载值，单位kN 4.3.2 纵向钢筋应变 在试件纵向受拉钢筋中部粘贴电阻应变片，以量测加载过程中钢筋的应力变化，测点布置见图4图图4。 图4 纵筋应变片布置 4.3.3 混凝土平均应变 在梁跨中一侧面布置4个位移计，位移计间距40mm，标距
7、为150mm，以量测梁侧表面混凝土沿截面高度的平均应变分布规律，测点布置见图5。 图5 少筋梁受弯试验混凝土平均应变测点布置 4.3.4 挠度 对受弯构件的挠度测点应布置在构件跨中或挠度最大的部位截面的中轴线上，如图6所示。在试验加载前，应在没有外荷载的条件下测读仪表的初始读数。试验时在每级荷载下，应在规定的荷载持续试件结束时量测构件的变形。结构构件各部位测点的测度程序在整个试验过程中宜保持一致，各测点间读数时间间隔不宜过长。6 图6 少筋梁受弯试验挠度测点布置 4.3.5 裂缝 试验前将梁两侧面用石灰浆刷白，并绘制50mm50mm的网格。试验时借助放大镜用肉眼查找裂缝。构件开裂后立即对裂缝的
8、发生发展情况进行详细观测，用读数放大镜及钢直尺等工具量测各级荷载(0.4Pu0.7Pu)作用下的裂缝宽度、长度及裂缝间距，并采用数码相机拍摄后手工绘制裂缝展开图，裂缝宽度的测量位置为构件的侧面相应于受拉主筋高度处。最大裂缝宽度应在使用状态短期试验荷载值持续15min结束时进行量测。 4.4 裂缝发展及破坏形态 荷载较小时，无明显裂缝发展。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，钢筋无法承受混凝土转嫁过来的拉力，应力激增，迅速越过屈服平台和强化阶段达到极限强度而拉断，受拉裂缝发展至梁顶。梁断为两截，破坏前梁上无裂缝，是突发性的脆性破坏。破坏形态如图7。 5. 试验数据处理与分析 5
9、.1荷载挠度关系曲线 荷载挠度关系曲线与试验结果开裂前基本相符，钢筋屈服前挠度呈线性变化，屈服后图7 少筋梁破坏裂缝 7 挠度激增，荷载大小上下震荡。由于配筋率较小，钢筋迅速断裂，梁破坏。 图8 荷载挠度关系曲线图 5.2弯矩曲率关系曲线 弯矩和曲率由以下公式计算： 0.24875 , kNmM P 单位: 0.24875M P 2 5 2 8, 170h mmh 取 图9 实际弯矩曲率关系曲线图 0246810120 10 20 30 40 50 60 70 80 90荷载P/kN挠度/mm-0.050.450.951.451.952.45-0.000005 0.000045 0.00009
10、5 0.000145 0.000195 0.000245 0.000295 0.000345截面弯矩kNm截面曲率 1/mm8 采用混凝土结构基本原理（第二版）（顾祥林主编）第五章第五节中的方法计算，不同配筋率的梁的弯矩曲率（ -M ）关系应如图10。 图10 理论弯矩曲率曲线图 通过图10与图9对比，可以看出，实际弯矩曲率曲线与理论弯矩曲率曲线大致相 符。开始时，实际与理论上M 曲率曲线斜率较大，且保持为直线，此后理论上M 关系曲线斜率渐趋与零，变化较为平缓。而本次试验中实际M 关系曲线斜率开裂后缓慢上升，显然与理论M 关系曲线不符。可能原因：（1）开裂后，虽然裂缝处混凝土退出工作，但是裂缝
11、上方未开裂的少部分混凝土仍有少量的承载力，因而实际M 关系曲线出现开裂后曲线缓慢上升的情况，直至裂缝贯通整个构件上下表面。（2）开裂后平截面假定与实际实 验开裂后截面不再保持为平面的情况不相符。 5.3荷载纵筋应变关系曲线 9 图11 荷载纵筋应变关系曲线 5.4构件承载力分析 采用混凝土结构基本原理（第二版）（顾祥林主编）第五章第六节中的简化方法计算少筋梁试件正截面的承载力，得 9.500cr uP P kN 计算过程： 542.1 108.23532.55 10sEcEE 22 8.2353 (2 4 )240.01683120 205E sAAbh 20.292(1 2.5 )u cr
12、A tM M f bh 20.292(1 2.5 0.01683) 1.54 120 205 2.363kN m 2.3639.5000.24875cr uP P kN 采用混凝土结构基本原理（第二版）（顾祥林主编）第七章第七节中的简化方法计算少筋梁试件斜截面的承载力，得 2 2 128.47cr u u csP P V V kN 满足先发生正截面破坏的要求。 实测截面承载力为 -2024681012-20000 0 20000 40000 60000 80000 100000 1200001/2/3/4/5/6/荷载- kN钢筋应变10 6.194cr uP P kN 误差：| - |100
13、%=34.8%cr crcrP PP理实理梁的实际抗弯承载力比理论预估值偏小，主要可能有以下原因：实际纵筋的屈服强度和破坏强度比理论值小得多，导致理论上得预估荷载计算值偏大；可能是由于计算模式上做了较多偏安全的假定；混凝土本身性质的离散性导致某一特定构件的实际抗压强度比其强度等级小。 5.5最大裂缝宽度计算 构件的平均裂缝宽度可按下式计算： 1 2( )sm ws tedw k kc kE 最大裂缝宽度可按下式计算： max(1 1.645 )mw w 对于受弯构件， 可取平均值0.4，因而有： max 1 21.66 ( )sws tedw k kc kE 根据上述公式即可计算出开裂时构件的
14、最大裂缝： max0.2418w mm本次少筋梁受弯实验中，经过观察量测发现开裂时最大裂缝大约为0.30mm，明显高于理论上的计算值。经过分析，可能的原因为： （1）梁中的纵筋配筋率较小，混凝土回缩受到钢筋的约束作用不大，因而混凝土开裂时回缩较大，导致裂缝宽度大于理论计算值； （2）本次试验中的混凝土保护层厚度为 15mm，因而钢筋与混凝土的粘结性能较差，导致裂缝宽度大于理论计算值。 （3）：钢筋应力不均匀系数，反映裂缝间混凝土参加受拉工作程度的影响系数。的计算公式： 1s s ss s 从图12中也可以看出，少筋梁开裂后平均应变s 大于裂缝截面处钢筋应变s 导致计算结果偏大。 （4）梁开裂时
15、荷载的变动，使得钢筋与混凝土的粘结受到削弱，也会导致实测裂缝宽度大于理论计算值。 11 图12 sM 关系曲线 5.6少筋梁的挠度计算与分析 图13 受弯构件的M f 关系曲线 12 梁的最大挠度计算公式：20maxM lf SE I 采用上述公式近似计算，可得到开裂时少筋梁受弯的最大挠度理论计算值约为0.45mm,而本实验中开裂时少筋梁受弯的最大挠度值实测值（图8荷载挠度关系曲线图）约为 0.52mm。实测值大于理论计算值。可能原因分析： （1）从图13受弯构件的M f 关系曲线可以看出，截面抗弯刚度随荷载的增大而减小，而理论计算时假设抗弯刚度不发生变化，与实验不大相符； （2）截面抗弯刚度沿构件跨度是不断变化的，构件中间段抗弯刚度大，两端较小。 6. 结论 当梁中纵向受力钢筋配筋率很小时，称为少筋梁，梁正截面的受弯破坏仅经历弹性阶段。当荷载较小时，梁处于线弹性状态，梁开裂后裂缝截面受拉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而来的拉力，应力激增，并迅速越过屈服平台和强化阶段到达极限强度而拉断，受拉裂缝只有一条且发展至梁顶，梁由于脆性断裂而破坏，混凝土的抗压强度尚未得到充分发挥。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。少筋破坏属于突发性的脆性破坏，具有很大的危险性。 13
