结构设计原理实验指导书

结构设计原理实验指导书长 安 大 学二00六实验一：钢筋混凝土矩形梁正截面破坏试验一、实验目的及要求钢筋混凝土受弯构件计算包括三个方面的内容，即强度计算、抗裂性计算（裂缝开展宽度计算）及刚度计算(挠度计算)。计算理论来源于实践,针对某种具体结构或构件的试验分析,即是对计算理论的校核,也可推断某种假设,从而进一步完善理论。通过对钢筋混凝土矩形梁正截面的破坏试验，进一步巩固本专业基础课程的知识,结合本课程的专业内容,使学生能够系统性的掌握从钢筋、混凝土材料性能,设计和计算分析方法,提高学生综合知识的水平,了解在纯弯曲段内正截面的受力状态和变形规律，从而加深对所学理论知识的理解，培养学生试验研究的能力。二、实验内容1.通过对钢筋混凝土矩形梁正截面破坏试验的全过程,从梁的构造、钢筋构造、配筋率、正截面计算的基本内容、受弯构件的工作阶段、破坏特征,验算实验梁在不同荷载作用下控制断面(最不利截面)的应力、挠度和裂缝开展的位置及宽度,梁最大破坏荷载时相应的挠度。2.正式试验前，根据试验梁的构造、配筋和强度，估算梁的最大破坏荷载，然后估算的最大破坏荷载分五级列表算出每级荷载作用下相应测点处理论计算(应变和挠度)值,以此指导试验方案的实施。3试验完成后，再根据实验中实际分级的荷载重新计算每级荷载作用下相应测点处理论计算(应变和挠度)值,并将实验记录值整理，将试验过程中出现的异常情况或测试极值取舍后作为实测值再与理论值进行比较。三、实验条件及要求1试验用钢筋混凝土梁，截面尺寸及配筋见图-1所示。混凝土标号25；骨料最大粒径15mm；钢筋为级12mm；净保护层105mm。3试验课前，在正截面破坏试验梁上，纯弯曲段混凝土表面，沿梁高方向贴4只540mm电阻应变片，在相应位置的两根主筋上予埋35mm的电阻应变片2只，设置3个挠度测点；跨中一点，分配梁加载点对应处各一点，支座沉降测点两点(刚性支座时省略)，见图1所示。图-1 正截面破坏试验简支梁图-2 梁试验装置和测点布置 1-千斤顶; 2-力传感器;3-分配梁4-试验梁;5-混凝土应变片; 6-钢筋应变片;7-机电百分表;四、实验相关知识点1.回顾道路工程材料的内容,包括混凝土配比、标号及混凝土材料的力学性能;钢筋的强度和力学性能;2. 回顾材料力学和结构力学有关应力(应变)实验分析原理;3.结合本课程中钢筋混凝土矩形梁的内容,从梁的构造,钢筋构造,配筋率,正截面计算的基本内容,受弯构件的工作阶段、破坏特征,验算实验梁在不同荷载作用下控制断面(最不利截面)的应力、挠度和裂缝开展的位置及宽度,梁最大破坏荷载时相应的挠度。五、实验实施步骤1加载前检查传感器、电阻片、挠度计的连接和安装状态，并进行初始平衡调试；2先作一次预备试验，预备荷载值取破坏荷载的30-40%。加载后，测取读数，观察试验梁、仪表装置工作是否正常，及时排除故障后，才能进行正式试验。3正式试验时，原则上应按计算破坏荷载的20%（也可取整数荷载值）分级加载，每级加载后稳定5分钟再读取试验数据。4裂缝的出现和发展用目视或读数显微镜观察，每级荷载下的裂缝发展情况应进行记录和描述。5当裂缝宽度达到1.5mm时，即视为破坏。或混凝土受压区破坏或钢筋应力达到屈服点，亦视为破坏。观察时应特别注意安全。六、实验报告要求1将试验中每级实际荷载作用下的理论计算值和各测点实测值列表；2将试验过程中从开始加载直至破坏划分为三个工作阶段,并将跨中截面用图示方法描绘(计算值为实线,测试值用虚线标出应度值)； 3绘出弯矩(或荷载)与各挠度测点的关系曲线(按三个工作阶段,计算值为实线,测试值用虚线标出应变值)。4实测值与理论计算值进行比较，并分析其差异原因。七、思考题：1混凝土的标号低于设计标号实测的应力(或应度)变大还是变小？2钢筋混凝土梁受弯强度应采用规范中轴心受压还是弯压指标？ 实验二 钢筋混凝土柱偏心受压破坏试验一、实验目的及要求通过试验了解偏心受压构件理论计算的依据和分析方法，观察偏心受压柱的破坏特征及强度变化规律，进一步增强对钢筋混凝土构件试验研究和分析能力。加强学生对于理论知识的理解和消化。二、实验内容在静荷载作用下，测定柱侧向位移和L/2截面钢筋及混凝土应变，描绘柱体裂缝出现、扩大与破坏状况及特征，测定开裂荷载值及破坏荷载值。四、实验过程中观测的内容1实验前测量柱子尺寸及力作用点的偏心距；2预备试验时，预载值取计算破坏荷载的20%左右。同时。加载后，测取读数，观察试验柱，仪表装置工作是否正常，及时排除故障后，才能进行正式试验。3正式试验开始时，预加5%初荷载,调试仪器,按计算破坏荷载的20%分级加载，每级稳定5分钟后读取试验数据，当接近发裂荷载时，加载值应减至为原分级的一半或更小，并注意观察裂缝发展情况，同时拆除构件上装置的位移计后，再继续加载到破坏。4裂缝的出现和发展用目视或读数显微镜观察，每级荷载下的裂缝发展情况应进行记录和描述。五、实验报告要求1绘出荷载作用下的裂缝开展图，标出主要裂缝出现时的荷载值。2计算侧向位移、绘出计算与实测的p-f关系曲线图。3计算受拉区出现裂缝时的荷载值，受压区出现裂缝时荷载、破坏荷载、破坏时钢筋最大应力，分析误差产生原因。4.分析试验中出现的问题，提出解决问题的办法。5.对试验中出现的现象及与理论课中产生的误差进行讨论和分析六、思考题1偏心受压的破坏现象与哪些情况有关?2大、小偏心受压构件破坏形式有何特点? 图-3 偏心受压试样尺寸及配筋图 图-4 试验柱装置与测点布置图 1-加力架承压板 2-试验柱 3-横截面电阻片 4-位移计5；7-支座6-力传感器钢筋混凝土矩形梁破坏试验报告班级 姓名 学号 成绩 实验日期 报告日期 指导教师 长 安 大 学钢筋混凝土矩形梁破坏试验报告一.实验前理论计算1.破坏荷载的计算 根据结构设计原理，此单筋矩形截面的受压区高度： x 于是，破坏弯矩M约等于不考虑结构安全系数的承载能力 即： MR 按照该梁受力图式,该梁的破坏荷载为: Pmax= 试验中按照其20为一级加载，按五级施加的荷载分列为：0、 ; ; ; ; (kN）2.理论应变计算 根据材料力学中关于应变的计算公式： 其中： E混凝土弹模。取26 应变 M截面处的弯矩 y距中性轴（形心轴）的距离 I抗弯惯性矩 按上式分别计算各级荷载下各测点处的应变，其计算过程：由电阻应变片布置点为Yi IZ=bh3 /12混凝土弹性模量查表得：E26所以： Ri=荷载作用下各测点的理论应变值表()试验荷载（kN）R1()R2()R3()R4()R5；R6()10000002345破坏3.理论挠度值的计算由材料力学知：复杂荷载作用下某点挠度可以由组成的若干个简单荷载单独形成的挠度叠加而成，而简单荷载产生的挠度可由材料力学附表中查得，于是，可以求得此试验中各测点的挠度值。此梁的受力可以分解为： f+f荷载作用下各测点的理论计算结果表(mm)试验荷载（kN）支点F1(mm)F2(mm)F3(mm)端支点1000000200300400500破坏00钢筋混凝土矩形梁破坏试验计算结果汇总计算参数名应用公式计算值含筋率换算截面积换算截面惯性矩换算截面的截面模量受压区高度开裂荷载破坏荷载混凝土极限应力钢筋极限应力破坏时受压区高度二.实验实施过程1. 实验加载示意图2. 实验记录简支梁正截面破坏试验记录表试验荷载测量值测点号P=13P=20P=40P=60P=80P=100Pmax kN kN kN kN kN kN kN应变记录R1 ()R2()R3()R4()R5()R筋()R筋()挠度记录f1 (mm）f2(mm）f3(mm）三.试验结果与理论计算结果比较简支梁正截面破坏试验值与理论计算值比较试验荷载测量值测点号P=13P=20P=40P=60P=80P=100Pmax kN kN kN kN kN kN kN应变 ()R1 理论值实验值R2理论值实验值R3理论值实验值R4理论值实验值R5理论值实验值R筋理论值实验值挠度 (mm)f1 理论值实验值f2理论值实验值f3理论值实验值四.试件破坏示意图1破坏形态描述2试件破坏示意3受力到破坏阶段描述与示意五.理论值与试验值产生差异的原因六思考题钢筋混凝土柱破坏试验报告班级 姓名 学号 成绩 实验日期 报告日期 指导教师 长 安 大 学钢筋混凝土柱的破坏实验报告一.实验前理论计算：1受拉区出现裂缝时的荷载值：由于该试样采用20号混凝土，查表得知：2受压区出现裂缝时的荷载值： 由材料力学知识可以得知： N偏心压力 A试件截面积 e偏心距 弯曲截面系数大偏心构件： 随着荷载的增大，拉区混凝土先出现横向裂缝，所以 小偏心构件：随着荷载的增大，压区混凝土先出现横向裂缝，所以 3受压区出现裂缝时的破坏荷载及破坏时钢筋的最大拉压应力：大偏心构件： 对于短柱 得出 而 所以由截面上所有力对偏心压力作用点力矩为零得知：即：所以取x2又有 即 解得 所以，受压区破坏荷载为 ，破坏时钢筋的最大拉压应力均为 .试验中按照其20为一级加载，按五级施加的荷载分列为：0、 ; ; ; ; (kN)小偏心构件：小偏心状态下，受压区首先会出现裂缝。即： xmm 2a= mm则 h/h0 = 所以 小偏心构件截面部分受压，部分受拉那么g=又有 解得 受压区破坏荷载为 KN，破坏时钢筋的最大拉应力为 MPa，最大压应力为 Mpa试验中按照其20为一级加载，按五级施加的荷载分列为：0、 ; ; ; ; (kN)二.侧向位移的计算： 这里，侧向位移就是水平侧向挠度，用f表示。 由材料力学可以得知：1大偏心情况下的侧向位移 e0=b/2=本试样选用20号混凝土，则R所以 NRA=而 I 所以有 2小偏心情况下的侧向位移 e0=b/4=本试样选用20号混凝土，则R所以 NRA=而 I 所以有 三.实验实施过程1 实验加载示意图2 实验记录 钢筋混凝土柱受压破坏试验记录表荷载测值测点号P=15P=20P=40P=60P=80P=100Pmax kN kN kN kN kN kN kN应变记录R1 ()R2()R3()R4()R5()R筋()R筋()侧移记录f1 (mm）f2(mm）f3(mm）破坏示意图裂缝展开示意图四.试验结果与理论计算结果比较简支梁正截面破坏试验值与理论计算值比较试验荷载测量值测点号P=13P=20P=40P=60P=80P=100Pmax kN kN kN kN kN kN kN应变 ()R1 理论值实验值R2理论值实验值R3理论值实验值R4理论值实验值R5理论值实验值R筋理论值实验值侧移 (mm)f1 理论值实验值f2理论值实验值f3理论值实验值五.误差原因分析与体会：六思考题