同济大学混凝土实验-适筋梁设计方案

同济大学混凝土实验——适筋梁设计方案一、实验目的1.通过适筋梁的实验，了解适筋梁从加载到破坏的全过程，包括各个阶段的特点和受力性能。2.测定适筋梁正截面的开裂弯矩、极限弯矩、屈服弯矩等力学参数，验证适筋梁正截面承载力计算公式的正确性。3.观察适筋梁在破坏过程中的裂缝开展、延伸和宽度变化规律，以及钢筋的应力应变关系，加深对混凝土结构基本理论的理解。二、实验原理适筋梁是指配置的受拉钢筋数量适中的梁。在加载初期，梁处于弹性阶段，混凝土和钢筋共同承受拉力，应力与应变呈线性关系。随着荷载的增加，当拉区混凝土的拉应力达到其抗拉强度标准值时，梁的受拉区混凝土首先出现裂缝，此时梁进入带裂缝工作阶段。随着荷载继续增大，受拉钢筋的应力逐渐达到屈服强度，钢筋开始塑性变形，梁的变形迅速增大，裂缝不断开展和延伸。当受压区混凝土的压应变达到其极限压应变时，受压区混凝土被压碎，梁发生破坏，此时梁达到其极限承载能力。根据平截面假定和截面受力平衡条件，可以推导出适筋梁正截面承载力的计算公式。通过实验测定梁的开裂弯矩、极限弯矩等参数，并与理论计算值进行比较，验证公式的准确性。三、实验材料1.混凝土采用强度等级为C30的商品混凝土，其配合比由实验室提供。混凝土的各项性能指标应满足相关规范要求，如立方体抗压强度标准值$f_{cu,k}=30MPa$，轴心抗压强度设计值$f_c=14.3MPa$，轴心抗拉强度设计值$f_t=1.43MPa$。2.钢筋纵向受力钢筋采用HRB400级钢筋，直径为16mm，其屈服强度标准值$f_{yk}=400MPa$，抗拉强度标准值$f_{tk}=540MPa$。箍筋采用HPB300级钢筋，直径为8mm，其屈服强度标准值$f_{y1k}=300MPa$。3.其他材料实验所需的水泥、砂、石、外加剂等材料应符合相应的质量标准。同时，准备好实验所需的模板、垫块、绑扎丝等辅助材料。四、实验设备1.压力试验机用于对梁试件施加竖向荷载，其量程应满足实验要求，精度不应低于±1%。2.应变片及应变仪用于测量梁截面不同位置混凝土和钢筋的应变。应变片采用电阻应变片，其标距根据测量部位的不同选取合适的规格，如混凝土表面应变片标距可选用100mm，钢筋应变片标距可选用50mm。应变仪的精度不应低于±1με。3.位移传感器用于测量梁跨中及支座处的竖向位移，位移传感器的量程和精度应满足实验要求，一般量程为50mm，精度为±0.01mm。4.裂缝观测仪用于观测梁在加载过程中裂缝的出现、开展和宽度变化情况，其精度不应低于0.05mm。5.数据采集系统用于采集压力试验机、应变仪、位移传感器等设备的数据，实现数据的实时记录和处理。五、试件设计1.试件尺寸设计适筋梁试件的截面尺寸为$b×h=150mm×300mm$，梁的计算跨度$L=2400mm$。试件尺寸应满足实验加载和测量的要求，同时应考虑到混凝土浇筑和养护的便利性。2.配筋设计根据适筋梁的设计原理，纵向受拉钢筋采用3根直径为16mm的HRB400级钢筋，其配筋率为：\[\rho=\frac{A_s}{bh}=\frac{3\times\pi\times(\frac{16}{2})^2}{150\times300}\approx0.84\%\]该配筋率在适筋梁的合理配筋率范围内（一般为$0.2\%2\%$）。箍筋采用直径为8mm的HPB300级钢筋，间距为150mm，箍筋的配置满足梁斜截面受剪承载力的要求。3.钢筋布置纵向受拉钢筋布置在梁的受拉区底部，采用绑扎方式固定在箍筋上。箍筋沿梁的长度方向均匀布置，在梁的两端及支座处适当加密，以提高梁的抗剪能力。4.试件制作按照设计要求制作模板，在模板内绑扎钢筋，然后浇筑混凝土。混凝土浇筑时应采用分层振捣的方法，确保混凝土的密实性。浇筑完成后，对试件进行养护，养护时间不少于28天，以保证混凝土达到设计强度。六、实验步骤1.试件安装将养护好的梁试件安装在压力试验机的试验台上，在梁的跨中及支座处安装位移传感器，在梁的受拉区和受压区表面粘贴应变片。安装过程中应确保试件安装牢固，传感器和应变片安装位置准确。2.初始数据采集在加载前，记录试件的初始状态，包括试件的尺寸、钢筋布置、应变片和位移传感器的初始读数等。同时，对压力试验机、应变仪、位移传感器等设备进行调试，确保其正常工作。3.分级加载采用分级加载的方式对梁试件施加竖向荷载，每级荷载增量为$10kN$。在每级荷载作用下，持续加载一段时间，待试件变形稳定后，记录压力试验机的荷载读数、位移传感器的位移读数以及应变片的应变读数。4.裂缝观测在加载过程中，密切观察梁试件的裂缝出现和开展情况。当裂缝首次出现时，记录此时的荷载值和裂缝位置。随着荷载的增加，每隔一定荷载增量（如$20kN$）观测一次裂缝的开展情况，包括裂缝的延伸方向、宽度变化等，并做好记录。5.破坏试验继续加载，直至梁试件破坏。在破坏过程中，密切关注试件的破坏形态、裂缝分布和宽度变化情况，以及钢筋的屈服和拉断现象。记录梁破坏时的极限荷载、跨中位移、钢筋应变等数据。6.实验结束实验结束后，拆除试件和实验设备，清理实验场地。对实验数据进行整理和分析，撰写实验报告。七、数据记录与处理1.数据记录表格设计详细的数据记录表格，包括荷载等级、荷载值、跨中位移、支座位移、受拉区混凝土应变、受压区混凝土应变、受拉钢筋应变、裂缝位置、裂缝宽度等内容。|荷载等级|荷载值(kN)|跨中位移(mm)|支座位移(mm)|受拉区混凝土应变(με)|受压区混凝土应变(με)|受拉钢筋应变(με)|裂缝位置(mm)|裂缝宽度(mm)||||||||||||1|10|||||||||2|20|||||||||...|...|...|...|...|...|...|...|...|2.数据处理根据记录的数据，绘制梁的荷载跨中位移曲线、荷载钢筋应变曲线、荷载混凝土应变曲线以及裂缝宽度荷载曲线等。通过这些曲线分析梁在加载过程中的力学性能变化规律，如梁的刚度变化、钢筋和混凝土的应力发展情况以及裂缝的开展特性等。同时，根据实验数据计算梁的开裂弯矩$M_{cr}$、屈服弯矩$M_y$、极限弯矩$M_u$等力学参数，并与理论计算值进行比较。理论计算值可根据相关规范公式计算得出，如开裂弯矩计算公式为$M_{cr}=f_tW_0$，其中$f_t$为混凝土轴心抗拉强度设计值，$W_0$为梁换算截面的抵抗矩。\[W_0=\frac{bh^2}{6}=\frac{150\times300^2}{6}=2.25\times10^6mm^3\]\[M_{cr}=f_tW_0=1.43\times2.25\times10^6=3.2175\times10^6N\cdotmm=3.2175kN\cdotm\]屈服弯矩计算公式为$M_y=f_yA_s(h_0\frac{a_s}{2})$，其中$f_y$为钢筋屈服强度设计值，$A_s$为受拉钢筋截面面积，$h_0$为梁截面有效高度，$a_s$为受拉钢筋合力点到截面受拉边缘的距离。\[A_s=3\times\pi\times(\frac{16}{2})^2=603.19mm^2\]\[h_0=ha_s=30035=265mm\]\[M_y=f_yA_s(h_0\frac{a_s}{2})=360\times603.19\times(265\frac{35}{2})=56.55kN\cdotm\]极限弯矩计算公式为$M_u=\alpha_1f_cbx(h_0\frac{x}{2})+f_yA_s(h_0a_s)$，其中$\alpha_1$为混凝土受压区等效矩形应力图系数，对于C30混凝土，$\alpha_1=1.0$；$b$为梁截面宽度；$x$为混凝土受压区高度，可根据平截面假定和力的平衡条件计算得出。通过实验数据计算得到的$M_{cr}$、$M_y$、$M_u$与理论计算值进行比较，计算相对误差，分析实验结果与理论计算的符合程度。八、实验结果分析1.梁的破坏形态观察梁的破坏形态，分析适筋梁破坏的特点。适筋梁破坏时，受拉钢筋首先达到屈服强度，然后受压区混凝土被压碎，梁发生延性破坏。这种破坏形态具有明显的预兆，破坏过程较为缓慢，能够给结构使用者提供足够的警示，具有较好的安全性。2.力学性能分析根据绘制的荷载跨中位移曲线、荷载钢筋应变曲线、荷载混凝土应变曲线等，分析梁在各个阶段的力学性能变化规律。在弹性阶段，梁的变形与荷载呈线性关系，混凝土和钢筋共同承担荷载，应力与应变符合胡克定律。随着荷载的增加，梁进入带裂缝工作阶段，裂缝逐渐出现和开展，梁的刚度逐渐降低。当受拉钢筋达到屈服强度后，梁的变形迅速增大，进入塑性阶段，此时受压区混凝土的压应力也不断增大，直至混凝土被压碎，梁达到极限承载能力。3.实验数据与理论计算比较将实验测得的开裂弯矩、屈服弯矩、极限弯矩等力学参数与理论计算值进行比较，分析实验结果与理论计算的差异。如果实验值与理论计算值的相对误差在合理范围内（一般认为相对误差不超过±15%为正常），则说明实验结果验证了适筋梁正截面承载力计算公式的正确性；如果误差较大，则需要分析原因，可能是实验操作过程中的误差、材料性能的离散性、计算模型的简化等因素导致的。4.裂缝开展规律分析梁在加载过程中裂缝的出现、开展和宽度变化规律。裂缝首先在梁的受拉区底部出现，随着荷载的增加，裂缝逐渐向上延伸和加宽。在钢筋屈服前，裂缝发展较为缓慢；钢筋屈服后，裂缝迅速开展，宽度明显增大。通过观察裂缝的开展情况，可以直观地了解梁的受力性能变化，同时也可以验证裂缝宽度计算公式的准确性。九、注意事项1.实验过程中，操作人员应严格遵守操作规程，确保实验安全。在对压力试验机加载时，要缓慢均匀加载，避免突然加载导致试件破坏或设备损坏。2.应变片和位移传感器的安装应牢固、准确，避免在加载过程中发生松动或移位，影响测量数据的准确性。3.实验过程中要密切观察试件的变形和裂缝情况，如发现异常现象应立即停止加载，并进行检查和处理。4.实验结束后，要对实验设备进行妥善保管和维护，清理实验场地，保持实验室整洁。十、实验报告要求1.实验目的简述本次实验的目的和意义。2.实验原理阐述适筋梁的受力性能和正截面承载力计算原理。3.实验材料与设备介绍实验所采用的混凝土、钢筋等材料的性能指标，以及压力试验机、应变仪、位移传感器等实验设备的型号和规格。4.试件设计说明适筋梁试件的尺寸、配筋设计及钢筋布置情况。5.实验步骤详细描述实验的加载过程、数据采集方法以及裂缝观测步骤。6.实验数据记录与处理列出实验数据记录表格，绘制相关曲线，并计算实验得到的力学参数与理论计算值进行比较。7.实验结果分析分析梁的破坏形态、力学性能变化规