工程结构实验课件

1、LOGO高强钢筋混凝土柱低周反复实验高强钢筋混凝土柱低周反复实验第四组组员：第四组组员：江瑶（组长）、贾单峰、何登伟（负责试件尺寸及制作）江瑶（组长）、贾单峰、何登伟（负责试件尺寸及制作） 蒋强福、李强、兰天晴（负责确定加载制度）蒋强福、李强、兰天晴（负责确定加载制度） 简骁、姜颖颖、李辛宇（负责确定试验装置）简骁、姜颖颖、李辛宇（负责确定试验装置） 张彧博、张萍、刘瑞欣（负责确定测量装置）张彧博、张萍、刘瑞欣（负责确定测量装置）高强钢筋混凝土柱低周反复实验高强钢筋混凝土柱低周反复实验1.试验研究背景及目的概述2.试件尺寸确定及材料选用3.加载装置的确定4.加载制度的确定5.测量装置及测点布置

2、的确定1.试验研究背景及目的概述试验研究背景及目的概述v低周反复荷载试验低周反复荷载试验 特点特点 1).能很好模拟地震作用能很好模拟地震作用多次反复多次反复的特点的特点; 2).试验荷载施加速度与结构静载试验试验荷载施加速度与结构静载试验加载速度加载速度基本相当，易操作基本相当，易操作; 3).常用于一般常用于一般构件构件或或子结构子结构的试验研究，比较经济。的试验研究，比较经济。v框架柱重要性框架柱重要性 柱作为结构柱作为结构竖向构件竖向构件，承受竖向荷载和水平荷载，研究其地震作，承受竖向荷载和水平荷载，研究其地震作用下的性能对用下的性能对结构抗震设计结构抗震设计具有重要指导意义。具有重要

3、指导意义。 一般混凝土柱的低周反复荷载试验一般混凝土柱的低周反复荷载试验 成果已较多，但还不完善。成果已较多，但还不完善。 1.1柱低周反复荷载试验1.2钢筋混凝土柱抗震性能的研究的不足钢筋混凝土柱抗震性能的研究的不足高轴压高轴压下下构造配筋构造配筋的的短柱短柱抗震性能的研究抗震性能的研究极少，因而对其极少，因而对其破坏模式破坏模式、极限承载能力极限承载能力、以及、以及塑性变形能力塑性变形能力等了解很少等了解很少高强度箍筋的锚固问题：高强度箍筋的锚固问题：锚固锚固不足不足无法无法发挥发挥箍筋箍筋强度强度，无法，无法约束核约束核心混凝土心混凝土，柱子失去承载力而破坏，柱子失去承载力而破坏规范规定

4、的规范规定的配箍特征值配箍特征值v适用于适用于2的柱的柱子，对子，对2的短柱，规定仅规定了的短柱，规定仅规定了最小体最小体积配箍率积配箍率为为1.2%研究不完善研究不完善方面方面高轴压比高轴压比短柱短柱高强度箍筋柱 规范规定规范规定范围不足范围不足1.3本实验研究内容与目的本实验研究内容与目的第一组试件，通过第一组试件，通过2根剪跨比为根剪跨比为1.5、设计轴压比、设计轴压比0.8、体积配箍率、体积配箍率1.2（HRB400级钢筋）及纵筋率（级钢筋）及纵筋率（HRB400级钢筋）分别为级钢筋）分别为0.72%、1.29%的混凝土短柱，研究在规范要求短柱最低体积配箍的混凝土短柱，研究在规范要求短

5、柱最低体积配箍率率1.2%下，钢筋混凝土短柱的抗震性能和抗倒塌性能下，钢筋混凝土短柱的抗震性能和抗倒塌性能第二组试件，在第一组试件设计思路的基础上，保持第二组试件，在第一组试件设计思路的基础上，保持1.2%的纵筋率的纵筋率，提高箍筋屈服强度至，提高箍筋屈服强度至460MPa并相应提高混凝土强度至并相应提高混凝土强度至C50以上、以上、分别增大配箍率至分别增大配箍率至1.20%及及1.91%，研究在此条件下钢筋混凝土短柱，研究在此条件下钢筋混凝土短柱的抗震性能。的抗震性能。结合以有研究数据进行结合以有研究数据进行破坏模式破坏模式、极限承载力极限承载力以及以及塑性变形能力塑性变形能力的的对比分析研

6、究，为建立更为合理的构造配筋短柱的抗震设计方法提对比分析研究，为建立更为合理的构造配筋短柱的抗震设计方法提供支撑。供支撑。1.3.2研究内容研究内容1.3.1 本实验目的本实验目的： 本实验拟通过本实验拟通过4根钢筋混凝土根钢筋混凝土短柱短柱的低周反复加载试验的低周反复加载试验，研究研究轴压比轴压比、体体积积 配箍率配箍率和和纵筋率纵筋率对构件对构件破坏模式破坏模式、滞回曲线滞回曲线、承载力承载力和和变形能力变形能力的影响。的影响。2.试件尺寸确定及材料选用试件尺寸确定及材料选用2.1 影响试件尺寸因素 根据研究目的，综合考虑尺寸效应、构造要求和设备条件和实验经费等，具体如下：1）研究目的要做

7、成短柱；2）尺寸效应实际工程中柱子尺寸配筋变化多，难以以某一柱子来缩尺，而且有尺寸效应，直接以小试件来研究；(低周反复荷载作用下钢筋混凝土柱抗震性能尺寸效应试验研究解咏平)3）构造要求采用的模型，柱的端部约束要求；4）设备条件试件实际承载力不能大于设备提供的力；5）试验经费试件模型：全柱还是半柱模型，试件数量2.试件尺寸确定及材料选用试件尺寸确定及材料选用2.2 试件的最终尺寸：2.试件尺寸确定及材料选用试件尺寸确定及材料选用2.3材料的选用2.3.1混凝土 根据本课程实验要求选用高强混凝土，强度等级C602.3.2钢筋v 箍筋：根据研究目的，选用HRB400级钢筋；v 纵筋：小构件，截面小，

8、为保证纵筋屈服，应该选用强度 不过高的钢筋，否则无法屈服。经过初步计算分析，选为HRB400级钢筋。 2.试件尺寸确定及材料选用试件尺寸确定及材料选用2.3.3 纵筋强度等级选用依据1)换算轴压比： 试件中最大的 所以2)对称配筋下： （假定钢筋均屈服） 可得 ： C60混凝土：1.21.41/ 1.71.21.4KkckCcCcNNnf Af ANnf Ahh=250mmcusxcasas=35mm0.8n0.8 / 1.70.47kn1ckckNa f bxn f bh1/()0.47 * 250 * 60 /(0.9855.67)129kckcxn hfa fmm5,0.0033(50)

9、100.0032cucu kf2.试件尺寸确定及材料选用试件尺寸确定及材料选用 据统计，HRB400级钢筋的实测屈服强度在460470MPa，取460Mpa。 由 和 可求 界限受压区高度： 为小偏压情况。用本科教材公式5-20、5-23求解。 求解得 ：3)实际受压区高度： 有三角形相似原理：4)钢筋应力：5)结论：经过初步估计HRB400的钢筋在本试验中能屈服。1/133.73 / 0.78174cxxmmhh=250mmcusxcasas=35mm17435* 0.00290.00232174csscucxax0101bbxhmmx0.0032cu0.0023y0.471b133.73x

10、mm2000000.00232464sSSEMPa2.试件尺寸确定及材料选用试件尺寸确定及材料选用 全柱模型：全柱模型：柱高850mm 截面尺寸截面尺寸：250mm*250mm.轴压比配箍率纵筋率 混规混规（GB50010-2010）11. 416 ： 三级抗震 框架结构 短柱 0.8； nk=n/1.7 n、nk设计轴压比、试验轴压比； 试验取n=0.8、0.4；对应nk=0.47、0.24 混规混规（GB50010-2010）11. 4 ： 11.4.12：短柱全高加密箍筋 11.4.17：体积配筋率 分别为1.20%、1.91% 混规混规（GB50010-2010）11. 412 ： 接

11、近构造配筋值：0.72% 较高构造配筋值：1.29%2.4 试验变量选取2.试件尺寸确定及材料选用试件尺寸确定及材料选用2.5 试件编号及配筋2.试件尺寸确定及材料选用试件尺寸确定及材料选用构件配筋示意图：2.试件尺寸确定及材料选用试件尺寸确定及材料选用2.6 构件制作过程中要注意问题：1）钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；2）钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.30；3）钢筋最大拉力下的总伸长率实测值不应小于9；4）混凝土立方体试块的数量，应该每个试件一组，每组3个；5）卧式浇筑混凝土，要保证下部钢筋的保护层厚度，以减少几何中心与力学中心的偏差。3

12、.加载装置的确定加载装置的确定1.液压加载器 2.压力传感器 3.滑动支座 4.水平连接固定器5.水平制动器 6.试件 7.扁担梁 8.反力墙9.反力梁 10.加载分配梁 11.支承体 12.支承千斤顶3.1 试验加载方案一3.加载装置的确定加载装置的确定1竖向油压千斤顶 2.压力传感器 3.滑动支座 4.水平连接固定器5.水平制动器 6.试件 7.扁担梁 8.反力墙9.反力梁 10.L型加载梁 11.支承体 12.支承千斤顶13.竖向加载点3.2 试验加载方案二4.加载制度的确定加载制度的确定加载方案明确加载方案明确，实验过程可以完实验过程可以完全按照预想的位全按照预想的位移加载移加载荷载荷

13、载位移控位移控制加载制加载 变形控制加载变形控制加载实验过程中开裂和屈实验过程中开裂和屈服时荷载把握不准，服时荷载把握不准，优点优点不足不足4.1 加载制度种类加载制度种类1）低周反复试验加载制度包括：变形控制加载 荷载控制加载 荷载变形控制加载 2）建筑抗震试验方法规程(JGJ101-96)：5.4.5 试体拟静力试验的加载程序应采用荷载变形双控制的方法。可以初步预测：可以初步预测：开开裂荷载裂荷载和和屈服荷载屈服荷载范围范围实验步骤太多，效率不高实验步骤太多，效率不高试件试件屈服时的位移屈服时的位移事先无事先无法确定，要试验时确定法确定，要试验时确定最终加到多少倍最终加到多少倍4.加载制度

14、的确定加载制度的确定加载程序加载程序采用采用荷载荷载变形双控制变形双控制的方法的方法：1试验开始时，先预加载轴压比算得的轴力，卸载。一次性加轴压比算得的轴力，并在试验过程中保持不变。2预加载二次，数值：开荷载计算值的10%和20%。以检查试件安装对中情况（包括几何对中和物理对中）推拉时位移是否对称。3正式开始水平力加载，先采用荷载控制，先施加试体预计开裂荷载50%，并重复2次； 再以开裂荷载的10%加载，并重复2次； 当加到开裂荷载的85%时，改为用开裂荷载的5%加载，并重复2次； 再逐步加至100%，并画出第一根裂缝。建筑抗震试验方法规程建筑抗震试验方法规程(JGJ101-96)中第中第5章

15、中相关规定：章中相关规定：实验性质决定5.4.1 正式试验前应先进行预加反复荷载试验二次；混凝土结构试体预加载值不宜超过开裂荷载计算值的30%；5.4.2正式试验时的加载方法应根据试体的特点和试验目的确定。宜先施加试体预计开裂荷载的40-60%；并重复2-3次，再逐步加至100%。4.2 加载步骤4.加载制度的确定加载制度的确定加载程序加载程序采用采用荷载荷载变形双控制变形双控制的方法的方法：4开裂后仍采用荷载控制方法，每次施加屈服荷载的10%，并重复2次； 当加到屈服荷载的85%时，改为用开裂荷载的5%加载，并重复2次； 再逐步加至直到试件的屈服值。5试件屈服后采用变形控制方法，变形值取试件

16、屈服时的最大位移值（为加载电脑上所加屈服荷载读出的位移值），并以该位移值的级差2、3、4进行控制加载，每次反复3次。6试件达到极限承载力85%时，卸载。建筑抗震试验方法规程建筑抗震试验方法规程(JGJ101-96)中第中第5章中相关规定：章中相关规定：5.4.5.1 试件屈服前，应采用荷载控制并分级加载；接近开裂和屈服荷载前宜减小级差进行加载。5.4.5.2 试件屈服后应采用变形控制。变形值应取屈服时试件的最大位移值，并以该位移值的倍数为极差进行控制加载。5.4.5.3 施加反复荷载的次数应该根据实验目的确定。屈服前每级荷载可反复一次，屈服后宜反复三次。4.3开裂荷载和屈服荷载计算思路开裂荷载

17、和屈服荷载计算思路混凝土强度混凝土强度开裂荷载开裂荷载钢筋钢筋屈服荷载屈服荷载钢筋拉伸试验：实测屈服强度fy数量大约6根-同条件养护的三个试件 1）混凝土规范7.2.3条2）过镇海，时旭东 钢筋混凝土原理和分析1）混凝土规范6.2.17条 偏压构件2）结构力学知识： 弯矩 水平力注： 1.fc、ft是由统计规律公式计算的，可能与实测棱柱体抗压强度和抗拉强度有差别； 2.规范推荐公式有半理论半经验成分，计算出的结果作为一定的参考。 3.进行抗剪承载力验算，保证柱的抗剪承载力大于抗弯承载力，且保证一定富余量。规范推荐规范推荐公式公式1500.551500.760.395()ccucutffff4.

18、3.1开裂荷载的计算依据开裂荷载的计算依据过镇海，时旭东过镇海，时旭东 钢筋混凝土原理和分析钢筋混凝土原理和分析 北京北京: 清华大学出版社清华大学出版社1）受拉区边缘混凝土应变达到 ，开裂；2）受压区为弹性，受拉区考虑弹塑性。maxt4.4具体加载方案具体加载方案1.预加载与加载到开裂荷载：2.开裂到屈服过程的荷载加载控制：3.试件屈服后，位移控制：、 2、3、4（到极限承载力85%对应的位移）5.测量装置及测点布置的确定测量装置及测点布置的确定变形成分变形成分分析分析箍筋变形箍筋变形纵筋变形纵筋变形裂缝裂缝P- 滞回滞回曲线绘制曲线绘制5.2节 P-荷载 -位移5.3 裂缝绘制及宽度测量5

19、.1节 变形理论分析 5.5柱身内箍筋应变5.4. 柱身内纵筋应变测量本章本章5.1试件变形成分理论分析试件变形成分理论分析5.1.1假定： 1）弯曲变形的中性轴是截面的中心线，且既不受拉也不受压； 2）弯曲变形由压区纤维的压缩和拉区纤维的拉伸形成； 3）试件的弯曲变形、剪切变形与总变形的关系如下：注：为表达更清楚，柱头进行了缩放。5.1试件变形成分理论分析试件变形成分理论分析5.1.2位移的测量1）试件中位移成分分析所需的原始数据都是通过试件上的四个百分表测得的；2）柱头的水平位移由位移计测得。表1和表2可以测量受压区边缘纤维的压缩量和受拉区边缘纤维的伸长量；表3和表4可以测量墙体对角线的压

20、缩量和拉伸量。5.1试件变形成分理论分析试件变形成分理论分析5.1.3位移成分的分析 1.假定：1)不考虑轴力引起的墙体压缩； 2)采用平截面假定。2.墙体平均曲率： 式中： 表示表1测得的纤维伸长量， 表示表2测得的纤维压缩量(mm) 表示所测量的纤维原始长度 表示所测量纤维之间的水平距离3.弯曲转角：4.剪切变形转角： 、 表示表3和表4所测得的纤维的伸长量和压缩量的绝对值1212bhb12hb345.2 P滞回曲线的绘制滞回曲线的绘制荷载-位移滞回曲线测得上、下柱头的层间相对位移 1.MTS电液伺服 试验系统2.水平位移计 3.X-Y函数记录仪 4.试验用计算机1.MTS系统按照一定（较

21、小）位移间隔自动记录数据.2.导入Excel程序实验设备实验设备测量层间变形测量层间变形荷载、位移荷载、位移 一一 一对应一对应曲线绘制方法和步骤：1）使用X-Y函数记录仪在坐标纸上直接绘制出滞回曲线；2）由计算采集数据绘制成曲线。1.水平作动器内置传感器采集到的荷载值;2.水平位移计采集的位移值荷载-位移滞回曲线滞回滞回曲线曲线能量耗散系数荷载降低系数位移延性系数试件刚度5.3 裂缝绘制及宽度测量裂缝绘制及宽度测量步骤1步骤2步骤3步骤4步骤5在试验前需对构件试验部分刷上内墙漆；每个面标示出构件编号，且分别以不同方位标志N、W、S、E；裂缝时用油性笔沿裂缝方向画上裂缝线，首尾标上起止符，标出

22、荷载；使用智能裂缝宽度观测仪进行读取裂缝宽度，拍照记录。5.3.1 实验设备： 内墙漆、油性笔、智能裂缝宽度观测仪5.3.2 实验步骤在刷完内墙漆后需对柱身进行绘制刻度，柱中垂线，便于对中；注：本试验在每类加载循环的第一循环达峰值位移时N、S面各读取一次裂缝宽度，且裂缝突然扩大时也要读取。5.3 裂缝绘制及宽度测量裂缝绘制及宽度测量5.3.3 柱身刻度示意图：5.4 柱身内纵筋应变测量柱身内纵筋应变测量步骤1步骤2步骤3步骤4用“502”胶水粘贴应变片；用电线与电阻应变片焊接并引出一段足够长度，再用“703”胶进行防护；试验前通过导线把应变片的引出线接到应变箱。5.4.1 实验设备： 1) 应变片(江黄岩测试仪器厂生产的型号BX120-3AA，敏感栅尺寸为23mm）； 2) 日本共和UCAM-60A通用数据采集系统5.4.2 具体操作纵向钢筋沿纵肋磨光一小块后