1、 混凝土结构设计原理实验报告实验一 钢筋混凝土受弯构件正截面试验二零一零年十二月 第 1 页共 19 页仲恺农业工程学院城市建设学院目 录1.实验目的：.2实验室实验目的: 2模拟实验目的: 22.实验设备：.2试件特征2实验室仪器设备：3模拟实验仪器设备：33、实验简图3少筋破坏-配筋截面： 4适筋破坏-配筋截面 4超筋破坏-配筋截面 44.1 少筋破坏：.5（1）计算的极限弯矩、破坏弯矩与模拟实验的数值对比，分析原因。5（2）绘出试验梁 p-f 变形曲线。 （计算挠度） .5（3）绘制裂缝分布形态图。 （计算裂缝）6（4）简述裂缝的出现、分布和展开的过程与机理。74.2 适筋破坏：.8（1
2、）计算的开裂弯矩、极限弯矩与模拟实验的数值对比，分析原因。8（2）绘出试验梁 p-f 变形曲线。 （计算挠度） .9（3）绘制裂缝分布形态图。 （计算裂缝）11（4）简述裂缝的出现、分布和展开的过程与机理。12（5）简述配筋率对受弯构件正截面承载力、挠度和裂缝宽度的影响。134.3 超筋破坏：.14（1）计算的开裂弯矩、极 限弯矩与模拟实验的数值对比，分析原因。14（2）绘出试验梁 p-f 变形曲线。 （计算挠度） .14（3）绘制裂缝分布形态图。 （计算裂缝）16（4）简述裂缝的出现、分布和展开的过程与机理。17（5）简述配筋率对受弯构件正截面承载力、挠度和裂缝宽度的影响。185、实验结果讨
3、论与实验小结。18第 2 页共 19 页仲恺农业工程学院实验报告纸实验一 钢筋混凝土受弯构件正截面试验1.实验目的：A、实验室实验目的:1、了解受弯构建正截面的承载力大小，挠度变化及裂纹出现和发展的过程。2、观察了解受弯构件受力和变形的过程的三个工作阶段及适筋梁的破坏特征3、测定或计算受弯构件正截面的开裂荷载和极限承载力，验证正截面承载计算方法B、模拟实验目的:1、通过用动画演示钢筋 混凝土简支梁两点对称加载实验的全过程，形象生动地向学生展示了钢筋 混凝土简支受弯构件在荷载作用下的工作性能。同时，软件实时地绘制挠度-荷载曲线、受压区高度-荷载曲线及最大裂缝宽度-荷载曲线以放映简支梁工作性能的变
4、化规律，力图让学生清楚受弯构件的变形，受压区高度等在荷载作用下不同阶段的发展情况。2、分别进行少钢筋、适筋梁、超筋梁的实验，实验录像与模拟实验（实用SSBCAI钢筋 混凝土简支梁加载试验模拟辅助教学软件 ）相结合，观察相同截面、相同实验条件，不同配筋的梁构件在荷载作用下的工作性能、变化规律、破坏形态等。3、学生还可以实用软件对即将进行的实验进行预测，认识试件在荷载作用下不同阶段的反应，从而设计出良好的实验观测方案。4、实验结果有学生计算与模拟实验结合进行，实现参与式实验教学的效果。2.实验设备：A、试件特征（1）根据实验要求，试验梁的混凝土等级为 C25，截面尺寸为 150mm*400mm，（
5、Fc=16.7N/mm ， , ，ft=1.27 N/mm ）221.78/tkfNm216.7/ckfNm2纵向向受力钢筋等级为 HRB400 级 ） 5(40,540/,.01ystkcfE箍筋与架立钢筋强度等级为 HPB300 级 253/.1)kcf （2）试件尺寸及配筋图如图所示，纵向受力钢筋的混凝土净保护层厚度为20mm(计算按规定取 20+5=25mm)。（3）梁的中间配置直径为 6mm，间距为 80 的箍筋，保证不发生斜截面破坏。（4）梁的受压区配有两根架立钢筋，直径为 10mm，通过箍筋和受力钢筋绑扎在一起，形成骨架，保证受力钢筋处在正确的位置。第 3 页共 19 页B、真实
6、实验仪器设备：1、静力试验台座，反力架，支座及支墩2、20T 手动式液压千斤顶3、20T 荷重传感器4、YD-21 型动态电阻应变仪5、X-Y 函数记录仪器6、YJ-26 型静态电阻应变仪及平衡箱7、读书显微镜及放大镜8、位移计（百分表）及磁性表座9、电阻应变片，导线等C、模拟实验仪器设备：1、笔、计算纸2、电脑3、SSBCAI 软件3、实验简图本次试验我分配的梁的跨度 l 为 3300mm，构造要求的截面尺寸为 220*110 但是为了计算需要该梁的截面高度 h 为取 400mm，截面宽度 b 取 150mm。外力加载处位于总长的 1/3 即 1100 处。（受力简图） （设计截面图）经计算
7、该梁的最小配筋面积为 0.178%A，最大配筋面积为 1.7%A。1、在进行少筋破坏计算时配筋面积采用 0.125% A、计算 As 为 75 平方毫米，采用一根直径为 10 的三级钢筋，实际 As 为 78.5 平方毫米，经检验满足构造要求。2、在进行适筋破坏计算时配筋面积采用 0.85% A、计算 As 为 510 平方毫米，采用两根直径为 18 的三级钢筋，实际 As 为 509 平方毫米，经检验满足构造要求。3、在进行超筋破坏计算时配筋面积采用 2.00% A、计算 As 为 1200 平方毫米，采用两根直径为 28 的三级钢筋，实际 As 为 1232 平方毫米，经检验满足构造要求。
8、少筋破坏-配筋截面：第 4 页共 19 页模拟实验加载数据:1、荷载 0 kg0.3kn 属于弹性阶段，当荷载达到 0.3kn 后进入塑形阶段。2、荷载 0.3kg6.0kn 属于塑形阶段，当荷载达到 6.0kn 后 混凝土开始开裂。3、荷载达到 9.7kn 时钢筋达到屈服强度，该梁破坏。适筋破坏-配筋截面模拟实验加载数据: 1、荷载 0 kg0.4kn 属于弹性阶段，当荷载达到 0.4kn 后进入塑形阶段。2、荷载 0.4kg6.9kn 属于塑性阶段，当荷载达到 6.9kn 后 混凝土开始开裂。3、荷载达到 52.9kn 时钢筋达到受拉屈服强度但 混凝土还未定达到抗压峰值。4、荷载达到 55
9、.2kn 时 混凝土达到抗压峰值该梁破坏。超筋破坏-配筋截面模拟实验加载数据:1、荷载 0 kg4.2kn 属于弹性阶段，当荷载达到 4.2kn 后进入塑形阶段。2、荷载 4.2kg11.4kn 属于塑形阶段，当荷载达到 11.4kn 后 混凝土开始开裂。3、荷载达到 80.2kn 时 混凝土达到受压屈服强度但钢筋未达到抗拉屈服强度。4、荷载达到 94.6kn 时钢筋达到抗拉屈服强度该梁破坏。4.1 少筋破坏：（1）计算的极限弯矩、破坏弯矩与模拟实验的数值对比，分析原因。极限弯矩： 0436hm1578.1.24.0ykscfAxb0().67501.24(361.24/)0.kMuafXh
10、knm极限荷载: 1.49.31Fkn模拟实验破坏荷载与计算破坏荷载比较：（9.7-9.131）/ 9.7=5.86%1 .4.2取E427.2.8SCff 0-=0bhf、 、（ ）、 078.5.14136As第 6 页共 19 页52120 122e221078.36.03.5064.141.5+3. 0fssEAhB Nm22234.4.1065laS2 6220 129.3(34)(3410)7.54/20=16.5m50FfLa LB 满 足 要 求与实验结果 7.37 相差 50%以内计算结果符合误差要求，但不符合安全构造要求。同上方法可以计算出不同荷载作用下的挠度p-f 变形曲
11、线（3）绘制裂缝分布形态图。 （计算裂缝）裂缝分布形态编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10荷载 0.32 4.24 8.18 9.4 9.51 9.57 9.62 9.64 9.65 9.66挠度 0.03 3.21 6.23 11.83 20.19 30.32 41.96 54.82 59.34 66.29挠 度 -荷 载 曲 线 图0246810120 10 20 30 40 50 60 70挠 度荷载（4）简述裂缝的出现、分布和展开的过程与机理。在荷载为 0.3kn 前，梁处于弹性阶段；在荷载增加到大约 6.0kn，梁由弹性到开裂；在荷载增加到大约 9.7kn 钢筋达到屈服强度
12、，梁破坏。 在开裂截面，内力重新分布，开裂的混凝土一下子把原来承担的绝大部分拉力交给受拉钢筋，是钢筋应力突然增加很多，故裂缝一出现就有一定的宽度。此时受压混凝土也开始表现出一定的塑性，应力图形开始呈现平缓的曲线。实验荷载-挠度曲线图如下、实验荷载最大裂缝宽度曲线如下：又因为配筋率少于最小配筋率，故一旦原来由混凝土承担的拉力有钢筋承担后，钢筋迅速达到的屈服。受压区高度会迅速降低，以增大内力臂来提高抗弯能力。同时，所提高的抗弯能力等于降低后的荷载引起的弯矩，受压区高度才能稳定下来。在挠度-荷载曲线上就表现为荷载有一个突然地下降。然后受压区高度进一步下降，钢筋历尽屈服台阶达到硬化阶段，荷载又有一定上
13、升。此时受压区混凝土仍未被压碎，即梁尚未丧失承载能力，但这是裂缝开展很大，梁已经严重下垂，也被视为以破坏。实验荷载相对受压区高度曲线如右图：4.2 适筋破坏：（1）计算的开裂弯矩、极限弯矩与模拟实验的数值对比，分析原因。开裂弯矩： 04360hm1.7859.3621tkscfAxb0(.).7150.362(0./2).369kMrafXh knm开裂荷载: .3269.1cFukn屈服弯矩： 040hm15981.27.67ykscfAx mb0(.).65081.27(3681.27/)65.02kMafXh knm屈服荷载: 65.29.1yFkn极限弯矩： 0430hm1591.72
14、5.67stkcfAx mb0().6019.725(36019.725/)83.70kMuafXh knm极限荷载: 83.7.241Fkn模拟实验破坏荷载与计算破坏荷载比较：两个开裂弯矩对比：（6.9-0.297）/6.9=95.6%50% 两个屈服弯矩对比：（59.11-52.9）/ 59.11=10.5%0. .17.14A 取6u 2sq0s8.5.9N/m.7h3Mtkesqf1.78=1.-65=1.-0=0.6E427.2.8SCff 0-=0bhf、 、（ ）、 059.14136As5213132e220936.90.407.140.26.51.8.+.fssEhB Nm2
15、 6220 13.7(34)()8.90/=1.5094FafL L 满 足 要 求屈服状态下的挠度 06hmstet59=.17. .17.104A 取6yk 2sq0s.240.8N/m.87h3Mtkesqf1.7=1.-65=1.-5=.93E4207.2.8SCff 0-=0bhf、 、（ ）、第 10 页共 19 页0590.14136Asbh5213132e220936.90.4507.140.2.51.3.+.fssEB Nm 2 62201350(34)().58/=16FafL L 满 足 要 求开裂状态下的挠度 04360hmstet59=.170. .17.14A 取6
16、cr 2sq0s.2.5N/m.87h3Mtkesqf1.78=1.-65=1.-0=302 取E427.2.8SCff 0-=0bhf、 、（ ）、 059.14136As5213132e220936.90.507.140.827.51+.fssEhB Nm2 6220139(34)()./=1650FafL L 满 足 要 求与实验结果 0.03 相差 50%以内计算结果符合误差要求，但不符合安全构造要求。同上方法可以计算出不同荷载作用下的挠度编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14荷载0.35 11.16 21.34 30.8 39.51 47.45 54 5
17、4.77 55.26 55.49 55.55 55.52 55.43 55.27挠度0.03 1.95 3.78 5.55 7.25 8.89 10.59 13.6 16.71 19.77 22.71 25.53 28.24 31.2第 11 页共 19 页荷 载 -挠 度 曲 线01020304050600 5 10 15 20 25 30 35挠 度 （ mm）荷载（kn）p-f 变形曲线（3）绘制裂缝分布形态图。 （计算裂缝）极限状态裂缝宽度 eqmaxcr 5tdsq26.0910=1.9Cs+0.8=1.9813+.8=.751mP59/4E（ ） （ ） （ ）屈服状态裂缝宽度 e
18、qmaxcr 5ts 47s0390. 0.21/1 （ ） （ ） （ ）开裂状态裂缝宽度 eqmaxcr 5tdsq.=1.9Cs+0.8=1.9.+.8=.59mP0509/4E （ ） （ ） （ ）用同样的方法可计算出如下表：编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14荷载 0.35 11.16 21.34 30.8 39.51 47.45 54 54.77 55.26 55.49 55.55 55.52 55.43 55.27裂缝宽度 0.03 1.95 3.78 5.55 7.25 8.89 10.59 13.6 16.71 19.77 22.71 25
19、.53 30.19 31.2第 12 页共 19 页理论荷载-最大裂缝曲线 模拟实验荷载-最大裂缝曲线（4）简述裂缝的出现、分布和展开的过程与机理。当荷载在0.4KN内，梁属于弹性阶段，受拉应力应变和受压应力应变曲线呈直线。当荷载在6.9KN的基础上分级加载，受拉区混凝土进入塑性阶段，受拉应变曲线开始呈现较明显的曲线性，并且曲线的切线斜率不断减小，表现为在受压区压应变增大的过程中，合拉力的增长不断减小，而此时受压区混凝土和受拉钢筋仍工作在弹性范围，呈直线增长，于是受压区高度降低，以保证斜截面内力平衡。当内力增大到某一数值时，受拉区边缘的混凝土达到其实际的抗拉强度和极限拉应变，截面处于开裂前的临
20、界状态。接着荷载只要增加少许，受拉区混凝土拉应变超过极限抗拉应变，部分薄弱地方的混凝土开始出现裂缝。在开裂截面，内力重新分布，开裂的混凝土一下子把原来承担的绝大部分拉力交给受拉钢筋，是钢筋应力突然增加很多，故裂缝一出现就有一定的宽度。此时受压混凝土也开始表现出一定的塑性，应力图形开始呈现平缓的曲线。此时钢筋的应力应变突然增加很多，曲率急剧增大，受压区高度急剧下降，在挠度- 荷载曲线上表现为有一个表示挠度突然增大的转折。内力重新分布完成后，荷载继续增加时，钢筋承担了绝大部分拉应力，应变增量与荷载增量成一定的线性关系，表现为梁的抗弯刚度与开裂一瞬间相比又有所上升，挠度与荷载曲线成一定的线性关系。随
21、着荷载的增加，刚进的应力应变不断增大，直至最后达到屈服前的临界状态。当荷载达到 52.9KN 时，钢筋屈服至受压区混凝土达到峰值应力阶段。此阶段初内力只要增加一点儿，钢筋便即屈服。一旦屈服，理论上可看作钢筋应力不再增大（钢筋的应力增量急剧衰减），截面承载力已接近破坏荷载，在梁内钢筋屈服的部位开始形成塑性铰，但混凝土受压区边缘应力还未达到峰值应力。随着荷载的少许增加，裂缝继续向上开展，混凝土受压区高度降低（事实上由于钢筋应力已不再增加而混凝土边缘压应力仍持续增大的缘故，受压区必须随混凝土受压区边缘应变增加而降低，否则截面内力将不平衡），中和轴上移，内力臂增大，使得承载力会有所增大，但增大非常有限
22、，而由于裂缝的急剧荷 载 -最 大 裂 缝 宽 度0102030405060-0.5 0 0.5 1 1.5 2最 大 裂 缝 宽 度 （ mm）荷载（kn）第 13 页共 19 页开展和混凝土压应变的迅速增加，梁的抗弯刚度急剧降低，裂缝截面的曲率和梁的挠度迅速增大，所以我们可以看到在受拉钢筋屈服后荷载挠度曲线有一个明显的转折，此后曲线就趋于平缓，像是步上了一个台阶一样。（5）简述配筋率对受弯构件正截面承载力、挠度和裂缝宽度的影响。a 三种破坏形态均采用相同的梁截面及梁长及混凝土等级；b 我们把三种破坏形态的配筋率对计算正截面承载力、挠度和裂缝的影响进行分析与模拟试验的有一定的差别，但这并不影
23、响分析结果。c 从以上数据分析可得随着配筋率的改变，构件的破坏特征将发生本质的变化，随着配筋率的增大构件正截面承载力随着增大、挠度也随着增大，但是裂缝宽度却随着减少，因为所选取钢筋级数的影响所以我们组所得数据中的配筋率对裂缝宽度的影响没有与分析结果一致。4.3 超筋破坏：（1）计算的开裂弯矩、极限弯矩与模拟实验的数值对比，分析原因。开裂弯矩： 2042568/35 s=13mhA1.7120.7tkscfAxb0(.5).6150.87(3.5/2)0.7kMrafXh knm开裂荷载: .7.1cFukn极限荷载： 04360hm159265.80.71stkcfAx mb0().71265
24、.80(3265.8/)147.3kMuafXh knm极限荷载: 147.83.9Fkn两个极限荷载对比：（134.39-94.6 ）/ 94.6=40.26%.0.4.A 取6u 2sq0s.931.7N/.87h2Mtkesqf.8=1.-65=1.-05=0.9E427.2.8SCff 0-=0bhf、 、（ ）、 0123.5As5213132e2103.05.408667.14.3261. .8.+3. 0fssEhB Nm2 6220 13.9(4)()1./=1.50FafL L 满 足 要 求开裂状态下的挠度 2042568/35 s=13mhAstet1=0.4.0.4.A
25、 取6u 2sq0s.71.83N/.8h32Mtkesqf.7=1.-65=1.-05=102 取E427.2.8SC第 16 页共 19 页ff 0-=0bhf、 、（ ）、 0123.5As5213132e2103.05.20667.4.361. +3. 0fssEhB Nm2 6220 13.9(4)(1).85/=16.520FafL L 满 足 要 求与实验结果相差 50%以内计算结果符合误差要求，但不符合安全构造要求。同上方法可以计算出不同荷载作用下的挠度，并制作表格：理论荷载-挠度曲线 模拟实验荷载-挠度曲线p-f 变形曲线（3）绘制裂缝分布形态图。 （计算裂缝）极限状态裂缝宽
26、度 eqmaxcr 5tdsq319.7281.9C+0.8=.08.4+0. =0.524mP213/41E（ ） （ ） （ ）编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14荷载0.39 14.25 27.15 39.01 49.8 59.51 68.08 75.47 81.69 86.38 89.73 92.06 93.62 94.65挠度0.03 1.44 2.8 4.12 5.41 6.65 7.85 9 10.11 11.16 12.16 13.12 14.05 15.08荷 载 -挠 度 曲 线0204060801000 2 4 6 8 10 12 14 1
27、6挠 度 （ mm）荷载（kn）第 17 页共 19 页用同样的方法可计算出如下表理论荷载-最大裂缝宽度曲线 模拟实验荷载-最大裂缝宽度曲线（4）简述裂缝的出现、分布和展开的过程与机理。A、在荷载4.2KN以内，此阶段受拉和受压区箍筋以及混凝土都处于弹性阶段，应力应变曲线呈现为直线。B、荷载继续增加，受拉区混凝土进入塑性阶段，混凝土的受拉应力应变曲线开始呈现明显的曲线性，并且曲线的切线斜率不断减少，表现为在受拉区压应变增大过程中，受拉区混凝土合拉力的增长不断减少，而此时受压区混凝土和受拉钢筋仍工作在弹性范围内，呈直线增长，于是受压区高度降低，以保证截面内力平衡（若受压区高度不变或增大，则截面合
28、压力增长大于合拉力增长，内力将会不平衡）。当内力增大到某一数值时，受拉区边缘的混凝土达到其实际的抗拉强度和极限拉应变，截面处于开裂前的临界状态。C、当荷载达到11.4KN之后，混凝土开裂，并且开裂后钢筋的应力应变突然增加很多，曲率急剧增大，受压区高度也急剧下降，在挠度荷载曲线上表现为有一个表示挠度突然增大的转折。内力重分布完成后，荷载继续增加时，钢筋承担了绝大部分拉应力，应变增量与荷载增量成一定的线性关系，表现为梁的抗弯刚度与开裂一瞬间相比又有所上升，挠度与荷载曲线成一定的线性关系。随着荷载的增加，混凝土的应力应变不断增大，直至受压区边缘应变接近0.0022，而钢筋由于配筋率相对较大，此时并未
29、屈服。D、当荷载达到94.6KN时，随着荷载的增加，混凝土的受压区边缘应变达到 0.0022，边缘压应力达到峰值应力。因为混凝土受压应力应变曲线已表现出明显的塑性，而受拉钢筋并未达到屈服强度，拉应力仍随编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14荷载 0.39 14.25 27.15 39.01 49.8 59.51 68.08 75.47 81.69 86.38 89.73 92.06 93.62 94.65最大宽度裂缝 0 0.02 0.06 0.1 0.14 0.17 0.2 0.23 0.25 0.27 0.28 0.3 0.31 0.32荷 载 -最 大 裂
30、 缝 宽 度020406080100-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35最 大 裂 缝 宽 度 （ mm）荷载（kn）第 18 页共 19 页着应变呈线性增长。为了保持截面内力平衡必须增大受压区面积，所以截面中和轴下降，受压区高度增加。因为一直到破坏时钢筋也未屈服，我们可以看到，在超筋梁中，自开裂后截面中和轴位置一直是下降的。最后受压区混凝土达到极限压应变而破坏。（5）简述配筋率对受弯构件正截面承载力、挠度和裂缝宽度的影响。a 三种破坏形态均采用相同的梁截面及梁长及混凝土等级；b 我们把三种破坏形态的配筋率对计算正截面承载力、挠度和裂缝的影响进行分析与
31、模拟试验的有一定的差别，但这并不影响分析结果。c 从以上数据分析可得随着配筋率的改变，构件的破坏特征将发生本质的变化，随着配筋率的增大构件正截面承载力随着增大、挠度也随着增大，但是裂缝宽度却随着减少，因为所选取钢筋级数的影响所以我们组所得数据中的配筋率对裂缝宽度的影响没有与分析结果一致。5、实验结果讨论与实验小结。本次模拟试验所做的三种破坏形态：少筋破坏、适筋破坏及超筋破坏。试验表明适筋破坏属于延性破坏：从钢筋屈服到受压区混凝土压碎的过程中，钢筋要历经较大的塑性变形，随之引起裂缝急剧开展和挠度剧增。而少筋破坏及超筋破坏则属于脆性破坏：在没有明显预兆的情况下由于受压区混凝土被压碎而突然破坏。因此，在工程应用中绝不能出现少筋、超筋的配筋情况。通过本次模拟试验掌握了正截面受弯的三个受力阶段，充分体验了钢筋混凝土受弯的整个过程；同时还掌握了扰度和裂缝的计算。通过这次试验，我熟悉掌握其构件受力和变形的三个阶段以及破坏特征、掌握了不同荷载强度下挠度和裂缝宽度的计算并且通过计算三种情况下梁的屈服荷载和破坏荷载跟实验所得到的数值进行计较，让我进一步明白，在实际施工时与应该注意：一定要根据构件的安全等级计算好承载力和强度，以保证施工安全和周边环境、构造物和人民财产的安全！
