同济大学受扭矩形截面超筋梁承载力试验报告.doc

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《混凝土结构基本原理》试验课程作业

受扭矩形截面超筋梁承载力试验报告

试验名称
受扭矩形截面超筋梁承载力试验
试验课教师
××××××××××××××××××
姓名
××××××××××××××××××
学号
××××××××××××××××××
手机号
××××××××××××××××××
理论课教师
××××××××××××××××××
日期
2012年12月21日

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《混凝土结构基本原理》试验课程作业

1. 试验目的
（1）参加并完成规定的试验项目内容，理解和掌握钢筋混凝土超筋梁受扭试验的试验方法和试验结果，通过实践掌握试件的设计、试验结果整理的方法；
（2）写出试验报告。在此过程中，加深对混凝土超筋梁受扭性能的理解。
2. 试件设计
2.1 材料选取
① 混凝土强度等级：C20；
② 纵向受拉钢筋的种类：HRB335；
③ 箍筋的种类：HPB235；
2.2 试件设计
承载力估算：
试件
编号
试件特征
配筋情况
加载点至梁中心线距离（m）
预估开裂扭矩(kN•m)
预估极限扭矩(kN•m)
①
②
③
CN2
超配筋梁
10@50
(2)
214
214
0.31
1.241
9.960~12.645
说明：预估荷载按照《混凝土结构设计规范》给定的材料强度标准值计算。

试件的主要参数：
① 试件尺寸（矩形截面）：b×h×l＝150×150×1500mm；
② 纵向钢筋混凝土保护层厚度：15mm；
② 试件顶部测角仪距试件端部以及相邻测角仪的距离（依次从左往右，共四个测角仪）为262 mm、185 mm、244 mm、190 mm、268mm。

超配筋受扭试件 1-1
图1 受扭混凝土梁试件配筋图

箍筋应变片

图2试件应变片布置图1

超配筋受扭梁钢筋上应变测点布置及对应编号如下：
33_4
4_9
4_10
33_1
33_2
33_3

纵筋1：

47_7
4_1
47_10
47_9
47_8
4_2

箍筋1：
12_1
12_8
12_7
12_6
12_5
12_3

4_8
4_3
4_4
4_5
4_6
4_7

47_1
47_6
47_5
47_4
47_3
47_2
纵筋2：

箍筋2：
12_1
12_8
12_7
12_6
12_5
12_3

图3 试件应变片布置图2

2.3 试件制作
1、检查试模尺寸及角度，在试模内表面应涂一薄层矿物油或其他不与混凝土发生反应的脱模剂；
2、取样拌制的混凝土，至少用铁锨再来回拌合三次至均匀；
3、现场平板振动现浇混凝土，将拌合物一次装入试模，装料时应用抹刀沿各试模壁插捣，并使混凝土拌合物高出试模口。刮除试模上口多余的混凝土，待混凝土临近初凝时，用抹刀抹平；
4、将试件小心平稳移入温度20℃、±0.5℃的房间进行标准养护；
5、28天后，将试件小心脱模，待用，完成试件制作。
3. 材性试验
通过钢筋的静力拉伸试验来获得钢筋的屈服强度，通过混凝土棱柱试块的标准抗压试验来获得混凝土的强度，具体数据如下表：
表2 混凝土强度实测结果
试件尺寸
100mm×100mm×300mm
试件轴心
抗压强度/MPa
平均轴心
抗压强度
/MPa
评定轴心
抗压强度
/MPa
推定立方体抗压强度
/MPa
推定轴心
抗拉强度
/MPa
推定
轴心
抗拉强度
/GPa
19.2
19.3
18.3
24.1
1.97
28.37
19.8
18.8

表3 钢筋强度实测结果
公称直径
/mm
屈服荷载
/kN
极限荷载
/kN
屈服强度
平均值/MPa
极限强度
平均值/MPa
试件
平均
试件
平均
14
带肋
59.55
59.45
88.82
89.36
386
581

4. 试验过程

图4 试件加载实物图

4.1 加载装置
采用混凝土受扭试验装置进行试验，加载装置的三维示意图见图5。该装置利用前述受弯和受剪装置的底部大梁，在其两侧放置了四个千斤顶。在单调受扭的情况下，对角的两个千斤顶同步施加的力，则可以认为在梁的两端同时施加了相等的力矩，梁中部受纯扭。若也利用另外对角的千斤顶，可以实现循环受扭。

侧立面
正立面（局部）
测角仪

图5 梁受扭加载装置三维示意图

图6 梁受扭加载装置正立面（局部） 图7 梁受扭加载装置侧立面

4.2 加载制度
本试验中采用力控制的加载控制方式，采用单调分级加载制度。在正式加载前，为检查仪器仪表读数是否正常，需要预加载，预加载所用的荷载是1kN。正式加载的分级情况为：0→1kN→2kN→3kN→4kN→5kN→6kN→7kN→8kN→9kN→10kN→……
在加载过程中，控制每次加载持续时间间隔一段时间，来保证试件受力平衡，裂缝的充分发展。持续加载至破坏，并记录破坏时的极限荷载。

4.3量测与观测内容
仪表量程选取的原则：根据理论计算荷载值，在选择测量仪器量程时，保证理论最大值落在仪器量程至倍内，保证测量和读数的精确。
4.3.1 荷载
由千斤顶施力可读出施加的荷载，荷载乘以加载点至梁中心线距离，得到扭矩。
4.3.2 钢筋应变
4.3.3 扭转角
在试件上预埋钢筋，然后将木块粘连在钢筋上，并将测角仪用小螺丝固定在木块上。连接好测角仪导线至相关仪器，可以得到实测转角。
4.3.4 裂缝
试验前将梁两侧面用石灰浆刷白，并绘制50mm×50mm的网格。试验时借助放大镜用肉眼查找裂缝。
4.4 裂缝发展及破坏形态
在加载初期，由于荷载值较小，构件整体还处于弹性状态，构件表面无裂缝出现。随着外加荷载的进一步增加，在构件表面中心线处开始出现微小裂缝。之后，构件表面出现裂缝现象明显，主要表现为存在一条主裂缝和许多额外裂缝，同时主裂缝相互贯通，在构件表面形成一条螺旋线型裂缝，局部混凝土发生脱落现象，构件扭转明显，各个表面发生不同程度地翘曲现象。最终梁构件受扭破坏，整体延性较差。

图8 梁构件受扭破坏情况

5. 试验数据处理与分析
在总体试验数据中，先剔除其中的异常数据记录，再在每一级的荷载水平下选取1—2条试验数据记录，整理成下表原始数据汇集表：

（1）扭矩——转角关系曲线

图9 扭矩——转角关系图
布置在构件同侧的测角仪的扭转角读数的正负一致。在扭矩达到时，扭转角在接下来一小阶段内保持不变，在图中表现为形成一小段的平台，说明此时的混凝土边缘达到了极限受力状态，且逐渐向内部发展，混凝土进入塑性变形状态。当时，混凝土裂缝的形成达到开裂完全的极限状态，此后，混凝土对于构件的继续受扭没有贡献，扭矩完全由钢筋承受，由于钢筋的抗扭刚度远大于混凝土，故单位扭矩下的扭转角较小（在图中具体表现为曲线对应变轴的斜率大大增加）。外加扭矩继续增大，达到，图线的变化规律变为非线性，说明此时部分钢筋开始进入弹塑性状态，直到，试件达到极限承载力状态，此时测角仪读数异常（读数发生倒退），试件发生整体的破坏。构件在达到极限承载力状态后，随着外加荷载的进一步增加，构件突然发生破坏，说明该构件延性较差。
取相距较远的两端测角仪的读数（减少试验误差，提高数据精度）来分别计算试件在开裂和达到极限状态下的单位扭转角：
开裂扭矩下单位扭转角：

极限扭矩下单位扭转角：

由于钢筋具有一定的延性，试件的变形能力增强。

（2）扭矩——纵筋应变关系曲线

图10 扭矩——纵筋应变图1

图11 扭矩——纵筋应变图2

图12 扭矩——纵筋应变图3

图13 扭矩——纵筋应变图4
由于试件制作存在缺陷和不足、试验设备可能局部存在问题等原因，导致在试验过程中，一些应变片的测量数据明显不合要求。在剔除这些曲线后，通过分析以上扭矩—纵筋应变的图像，可以明显发现：该试件的开裂扭矩，极限扭矩，在外加扭矩超过极限值后，单位扭矩下的应变值增量急剧增加，试件发生不可逆转的破坏。
（3）扭矩——箍筋应变关系曲线

图14 扭矩——箍筋应变图1

图15 扭矩——箍筋应变图2

由于箍筋本身定型存在较大误差和其它原因，在试验过程中，箍筋应变片的测量数据波动性较大，数据处理效果较差，现仅取一侧箍筋应变片分析。通过分析以上扭矩—纵筋应变的图像，可以发现：该试件的极限扭矩，在外加扭矩超过极限值后，单位扭矩下的应变值增量急剧增加，试件发生不可逆转的破坏。
6 结论
通过试验前对试件的设计分析、试验中仔细观察出现的现象并适当记录，试验后细心分析试件在各个加载阶段表现（现象）的原因，基本理解和掌握构件超筋受扭试验的试验方法，加深对构件超筋受扭性能的理解。在加载初期，构件整体符合弹性扭转理论，扭矩-扭转角之间基本呈线性关系。随着外加扭矩的增加，在达到开裂扭矩时，构件的扭矩-扭转角曲线有明显的转折并呈现“屈服平台”，最终达到极限扭矩值，试件破坏。试件达到破坏后，混凝土开裂明显，但部分钢筋未屈服（分析见扭矩——转角关系曲线分析），这是超筋受扭试件的典型特征。
根据《混凝土结构基本原理（第二版）》（顾祥林主编）介绍的超筋受扭构件的承载力方法计算如下：

开裂荷载：

极限荷载：

而实测受扭构件的开裂扭矩，极限扭矩。与理论值相比，开裂扭矩值仅偏小，极限扭矩值偏小，分析原因如下：①加载条件存在偏差，构件两端并非等值扭矩；②试验材料性质具有不确定性，可能导致实际承载力偏低；③试件几何性质具有不确定性；④试验操作过程中存在一些偏差。由于构件在进入弹塑性阶段，内力和外加荷载的关系变为非线性，实际构件的极限承载力容易受到外界因素的影响，故导致实际极限承载力偏小。
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