适筋梁受弯性能试验设计

 试验目的

（1） 参加并完成实验项目的所有内容，理解和掌握混凝土构件的实验方法和实验结果，通过实践掌握试件的设计、实验结果整理的方法。

（2） 写出实验报告。在此过程中，加深对混凝土适筋梁受弯性能的理解。

 试件设计

（1）试件设计的依据

根据梁正截面受压区相对高度ξ和界限受压区相对高度ξb的比较可以判断出受弯构件的类型：当ξ≤ξb时，为适筋梁；当ξ>ξb时，为超筋梁。界限受压区相对高度ξb可按下式计算：

𝜉𝑏=

0.81+

𝑓𝑦0.0033𝐸𝑠

（1）

其中在进行受弯试件梁设计时，fy、Es分别取《混凝土结构设计规范》规定的钢筋受拉强度标准值和弹性模量；进行受弯试件梁加载设计时，fy、Es分别取钢筋试件试验得到钢筋受拉屈服强度标准值和弹性模量。

对于少筋梁，设计试件配筋时，需要控制梁受拉钢筋配筋率ρ不大于适筋构件的最小配筋率ρmin，其中ρmin可按下式计算。 𝜌min=0.45t （2）

𝑓y𝑓

（2）试件的主要参数

①试件尺寸（矩形截面）：b×h×l＝120×200×1800mm； ②混凝土强度等级：C20；

③纵向受拉钢筋的种类：HRB335（适筋梁和超筋梁），HPB235（少筋梁）；

④箍筋的种类：HPB235（纯弯段无箍筋）； ⑤纵向钢筋混凝土保护层厚度：15mm； ⑥试件的配筋情况见图1和表1；

231 图1梁受弯试验试件配筋

试件 编号 MLA 试件特征 适筋梁 配筋情况 ① 214 ② 210 ③ 预估荷载P (kN) Pcr 10.8 Py 44.4 Pu 49.3 8@50(2) 表1梁受弯试件的配筋

 试验装置和加载方式

（1）试验装置

图2为进行梁受弯性能试验采用的加载装置，加载设备为千斤顶。

采用两点集中力加载，在跨中形成纯弯段，由千斤顶及反力梁施加压力，分配梁分配荷载，压力传感器测定荷载值。梁受弯性能试验，取L=1800mm，a=100mm，b=600mm，c=400 mm。

1—试验梁；2—滚动铰支座；3—固定铰支座；4—支墩；5—分配梁滚动铰支座； 6—分配梁滚动铰支座；7—集中力下的垫板；8—分配梁；9—反力梁及龙门架；10—千斤顶；

图2 梁受弯试验装置图

（2）加载方式 ①单调分级加载机制

试件的加载简图和相应的弯矩、剪力图见图3所示。梁受弯试验采用单调分级加载，每次加载时间间隔为15分钟。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分级荷载的前2级。 对于适筋梁：

1.在加载到开裂试验荷载计算值的90％以前，每级荷载不宜大于开裂荷载计算值的20％；

2.达到开裂试验荷载计算值的90％以后，每级荷载值不宜大于其荷载值的5％；

3.当试件开裂后，每级荷载值取10％的承载力试验荷载计算值（Pu）的级距；

4.载达到纵向受拉钢筋屈服后，按跨中位移控制加载，加载的级距为钢筋屈服工况对应的跨中位移Δy；

5.到临近破坏前，拆除所有仪表，然后加载至破坏。

（a）加载简图（kN，mm）

（b）弯矩图（kNm）

（c）剪力图（kN）

图3 梁受弯试验加载和内力简图

②开裂荷载实测值确定方法

对于正截面出现裂缝的试验构件，可采用下列方法确定开裂荷载实测值：

1.放大镜观察法 用放大倍率不低于四倍的放大镜观察裂缝的

出现；当加载过程中第一次出现裂缝时，应取前一级荷载作为开裂荷载实测值；当在规定的荷载持续时间内第一次出现裂缝时，应取本级荷载值与前一级荷载的平均值作为开裂荷载实测值；当在规定的荷载持续时间结束后第一次出现裂缝时，应取本次荷载值作为开裂荷载实测值。

2.荷载－挠度曲线判别法 测定试件的最大挠度，取其荷载－挠度曲线上斜率首次发生突变时的荷载值作为开裂荷载的实测值； 3.连续布置应变计法 在截面受拉区最外层表面，沿受力主筋方向在拉应力最大区段的全长范围内连续搭接布置应变计监测应变值的发展，取任一应变计的应变增量有突变时的荷载值作为开裂荷载实测值。

③承载力极限状态确定方法

对梁试件进行受弯承载力试验时，在加载或持载过程中出现下列标记即可认为该结构构件已经达到或超过承载力极限状态，即可停止加载：

1.对有明显物理流限的热轧钢筋，其受拉主筋的受拉应变达到0.01；

2.受拉主钢筋拉断；

3.受拉主钢筋处最大垂直裂缝宽度达到1.5mm； 4.挠度达到跨度的1/30； 5.受压区混凝土压坏。

 量测内容、方法和工况

（1）混凝土平均应变

在梁跨中一侧面布置4个位移计，位移计间距40mm，标距为150mm，以量测梁侧表面混凝土沿截面高度的平均应变分布规律，测点布置见图4。

图4 梁受弯试验混凝土平均应变测点布置

（2）纵向钢筋应变

在试件纵向受拉钢筋中部粘贴电阻应变片，以量测加载过程中钢筋的应力变化，测点布置见图5。

图5 纵筋应变片布置

（3）挠度

对受弯构件的挠度测点应布置在构件跨中或挠度最大的部位截面的中轴线上，如图6所示。在试验加载前，应在没有外荷载的条件下测读仪表的初始读数。试验时在每级荷载下，应在规定的荷

载持续试件结束时量测构件的变形。结构构件各部位测点的测度程序在整个试验过程中宜保持一致，各测点间读数时间间隔不宜过长。

图3.1.6 梁受弯试验挠度测点布置

（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。构件开裂后立即对裂缝的发生发展情况进行详细观测，用读数放大镜及钢直尺等工具量测各级荷载(0.4Pu~0.7Pu)作用下的裂缝宽度、长度及裂缝间距，并采用数码相机拍摄后手工绘制裂缝展开图，裂缝宽度的测量位置为构件的侧面相应于受拉主筋高度处。最大裂缝宽度应在使用状态短期试验荷载值持续15min结束时进行量测。

 相关计算书

选择截面尺寸为b×h×l=250×600×4000mm 保护层厚25mm

混凝土C30 ftk=2.01N/mm 2,fck=20.1N⁄mm 2 ，ft=1.43N⁄mm 2， Ec=3.00×104 N/mm 2

纵向受拉钢筋HRB400 fyk=400N/mm 2 fy=360N/mm 2 Es=2.0×105 N/mm 2

箍筋 HRB335 fyk=335N/mm 2 fy=300N/mm 2 Es=2.0×105 N/mm 2 a.设计纵筋用量𝐀𝐒：

取h0=h−35mm=600−35=565mm 求出ξb，ξb可按(1)式计算 ξb=

0.8

1+

fy

=

0.8

1+

360=0.518

0.0033Es

0.0033×2.0×105对于适筋梁，要求ξ≤ξb 且有ξ=fykAsα1fck bh0

𝜌=

𝐴𝑠𝑏ℎ

>𝜌min 由(2)、（3）、（4）、（5）带入数据解得

269mm2≤As≤3904mm2

现取4Φ18 As=1018mm2 ，符合条件。 则，实际h0=h−25mm−182

mm=566mm

b.裂弯矩估算：

Mcr=0.292(1+2.5αA)ftkbh2 其中αA=2

αEAsbh

=0.09, αE=

ESEC

=6.67。

带入数据到（6），得 Mcr=64.71 kN·m 因而，预估开裂荷载为

PMcr=cr

0.6=107.85 kN

3） 4）

5）

6） （（（（c.弯矩估算： ξ=fykAsα1fck bh0

把 As=1018mm2 h0=566mm 带入得，

ξ=

400×1018

1.0×20.1× 250×566

=0.14

Mu=α1fckbh02ξ(1−0.5ξ) （7） 把相关数据带入到（7）得，极限抗弯承载力为 Mu=1.0×20.1×250×5662×0.14×(1−0.5×0.14)=209.59 kN·m 因而，预估极限荷载为

PMu=u

0.6=349.32kN

d.弯矩估算：

作为估算，假定钢筋屈服时，压区混凝土的应力为线性分布，因此有：

My=fyAs(h0−xn⁄3)≈0.9Mu (8) 因而，预估屈服荷载为

My=0.9Mu=0.9×209.59=188.64kN·m

预估屈服荷载为

PMy=y

0.6=314.39 kN

e.筋抗剪的要求： 由式（3）得， 预估极限荷载为 Pu=

Mu0.6

=349.32kN

因而，最大剪力，应该是Vu=Pu=174.66 kN

2

1

下面据此，设计箍筋用量：

受集中荷载，梁的抗剪承载力计算公式为： Vu=

1.75λ+1

ftkbh0+fyk

Asvs566

h0 (9) =2.12<3 故取λ=2.12

该梁计算简跨比λ=

1200

把相关数据带入（9），得 174660=

Asvs

1.752.12+1

×2.01×250×566+335×

Asvs

×566

=0.08

下面考察s的取值：

0.7ftbh0=0.7×1.43×250×566=141.64 kN 由 Vu>0.7ftbh0 500Asv=56.54mm2>19.95mm2，

考虑到，混凝土强度的不均匀性，适当加密配箍φ6@100（2） 跨中纯弯段，无需配箍，但考虑到过渡处剪力仍为0.5P,故箍筋应该跨一定距离。 f.综合上面计算得：

纵筋为4Φ18 架立筋为4φ10

箍筋为φ6@150（2） 跨中不配箍筋

预估荷载分别为：Pcr=107.85 kN Py=314.39kN Pu=349.32 kN