同济大学混凝土试验 大偏心受压柱试验报告材料.docx
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同济大学混凝土试验大偏心受压柱试验报告材料
《混凝土结构基本原理》试验课程作业
试验报告
试验课教师
林峰
学号
手机号
任课教师
顾祥林
《混凝土结构基本原理》试验课程作业
大偏心受压柱试验报告
试验名称
大偏心受压柱试验
试验课教师
林峰
学号
手机号
任课教师
日期
2014年11月18日
1.试验目的
通过试验了解大偏心受压柱破坏的全过程，掌握测试混凝土受压构件基本性能的试验方法。
同时巩固大偏心受压柱承载力的计算方法，并通过对理论值和试验值的比较加深对混凝土基本原理的理解。
2.试件设计
2.1材料和试件尺寸
混凝土：
C20
钢筋：
使用I级钢筋作为箍筋，II级钢筋作为纵筋
试件尺寸（矩形截面）：
b×h×l=120×120×870mm
详细尺寸见图1大偏心受压柱配筋图
2.2试件设计
（1）试件设计的依据
为减少“二阶效应”的影响，将试件设计为短柱，即控制l0/h≤5。
通过调整轴向力的作用位置，即偏心距e0,使试件的破坏状态为大偏心受压破坏。
（2）试件参数如表1
表1试件参数表
试件尺寸（矩形截面）
b×h×l=120×120×870mm
纵向钢筋（对称配筋）
4
12
箍筋
Φ6100
（2）
纵向钢筋混凝土保护层厚度
15mm
配筋图
图1
偏心距e0
100mm
图1大偏心受压柱配筋图
（3）试件承载力估算
Nc=α1fcbh0ζ
Nce=α1fcbh02ζ（1-0.5ζ）+fy’As’（h0-as’）
e=e0+0.5h-as
不妨令：
A=
B=
C=
从而有：
得出本次试验试件的极限承载力的预估值为：
Ncu=87.71kN
详细计算过程见附录1
2.3试件的制作
根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002规定，成型前，试模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。
取样或拌制好的混凝土拌合物，至少用铁锨再来回拌合三次。
将混凝土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。
采用标准养护的试件，应在温度为20±5℃的环境中静置一昼夜至二昼夜，然后编号、拆模。
拆模后应立即放入温度为20±2℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护，或在温度为20±2℃的不流动的氢氧化钙饱和溶液中养护。
标准养护龄期为28d（从搅拌加水开始计时）。
3.材性试验
3.1混凝土材性试验
混凝土强度实测结果
试块留设时间：
2014年9月25日
试块试验时间：
2014年12月8日
试块养护条件：
与试件同条件养护
试件尺寸
150mm×150mm×150mm
实测立方体
抗压强度/MPa
平均立方体
抗压强度
/MPa
推定轴心
抗压强度
/MPa
推定轴心
抗拉强度
/MPa
推定
弹性模量
/GPa
23.4
22.5
17.1
1.89
26.75
22.0
22.2
注：
轴心抗压强度、轴心抗拉强度、弹性模量根据国家标准《混凝土结构设计规》GB50010-2010推定。
3.2钢筋材性试验
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
6
光圆
11.6
11.3
16.0
15.7
400
556
11.2
15.6
11.2
15.6
12
带肋
60
62
71
73
548
646
63
74
62
73
4.试验过程
4.1加载装置
柱偏心受压试验的加载装置如图2所示。
采用千斤顶加载，支座一端为固定铰支座，另一端为滚动铰支座以减少支座带来的水平荷载对构件的影响。
铰支座垫板应有足够的刚度，避免垫板处混凝土局部破坏。
图2柱偏心受压试验加载装置
4.2加载制度
单调分级加载机制：
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1级。
正式分级加载/kN：
0→5→10→15→20→25→30→35→40→45→50→55→60→破坏，在加载到60kN时，拆除所有仪表，然后加载至破坏，并记录破坏时的极限荷载。
4.3量测与观测容
4.3.1荷载
荷载按照分级加载，破坏时的极限荷载为92.344kN。
具体取用的荷载值见表2
表2荷载取值表
时间
荷载（kN）
时间
荷载（kN）
2014/11/1814:
09
0.083
2014/11/1814:
50
54.713
2014/11/1814:
10
4.786
2014/11/1814:
50
60.242
2014/11/1814:
11
9.985
2014/11/1814:
57
65.111
2014/11/1814:
13
14.854
2014/11/1814:
57
70.64
2014/11/1814:
27
19.641
2014/11/1814:
57
73.529
2014/11/1814:
28
24.922
2014/11/1814:
57
77.16
2014/11/1814:
38
30.039
2014/11/1814:
58
78.645
2014/11/1814:
39
34.99
2014/11/1814:
58
80.873
2014/11/1814:
41
39.941
2014/11/1814:
58
84.339
2014/11/1814:
46
45.058
2014/11/1814:
59
86.072
2014/11/1814:
49
50.01
2014/11/1814:
59
92.344
4.3.2纵筋应变
纵筋应变由布置在柱部纵筋表面的应变计量测，钢筋应变测点布置如图3
图3大偏心受压柱试验纵向钢筋应变测点布置
其中，1至8号应变片分别对应了通道43-1、43-2、43-3、43-4、43-6、43-7、43-8、43-9，通道43-6所对应的应变片损坏。
具体数值见图7
4.3.3混凝土应变
混凝土应变由布置在部纵筋表面和柱表面混凝土上的应变计量测，混凝土应变测点布置如图4。
图4大偏心受压柱试验混凝土应变测点布置
位移计1、2、3、4依次对应通道46-9、46-2、46-3、46-4。
但在观测中发现位移计1、3的测量值并不是线性变化，可能位移计本身存在问题，如图8。
4.3.4挠度
侧向挠度由柱长度围布置3个位移计量测，在荷载达到60kN的时候撤掉位移计。
短期跨中挠度实测值可以按照公式
直接得出。
侧向扰度测点布置见图5，依次对应通道46-8、46-6、46-7。
图5大偏心受压柱试验侧向挠度测点布置
4.3.5裂缝
实验前将柱四面用石灰浆刷白，并绘制50mm×50mm的网格。
试验时借助手电筒用肉眼查找裂缝并且用铅笔标记出裂缝的位置、标号。
之后对裂缝的发生发展情况进行详细观测，用读数放大镜测量各级荷载作用下的裂缝宽度、长度及裂缝间距，并用相机拍摄后手动绘制裂缝展开图。
4.4裂缝发展及破坏形态
（1）实验前构件初始状态
经过观察构件初始状态良好，肉眼观测没有初始裂缝
（2）各级荷载作用下构件裂缝发展情况
（0→20kN）当荷载较小时，受压区及受拉区混凝土和钢筋的应力都较小，受压区和受拉区钢筋、混凝土应变应力增长速度基本一致。
（20kN→70kN）混凝土远离轴向力一侧开始出现横向裂缝但比较细。
随着荷载增加裂缝条数增加并且向受压区发展。
此时受拉区钢筋应变飞速增长，可以推测出受拉区混凝土已经基本退出了工作，拉应力主要由钢筋承担。
大概在70kN的时候，受拉钢筋屈服，裂缝进一步发展，使受压区高度减小，受压区应力增加，较薄弱处出现纵向裂缝。
（70kN→90kN）在荷载增加过程中，受压区高度不断减小并出现钢筋达到屈服应变，裂缝贯通，牛腿处混凝土被压溃，构件破坏。
此后，荷载量测值下降。
（3）破坏情况如图6，裂缝展开图见附录三。
图6构件破坏情况图
5.试验数据处理与分析
依次获得荷载与纵筋应变、混凝土应变、侧向挠度、曲率的曲线图，并比较试验测量值和预估值。
5.1荷载-纵筋应变
图7荷载-纵筋应变图
从图中可以看出，大偏心受压柱类似于受弯构件，分为受拉区和受压区，而且受拉区应变增长速率大于受压区，钢筋首先达到屈服强度。
5.2荷载-混凝土应变
图8荷载-混凝土应变图
可以从图中看出位移计1、3并不是成线性增长，而且46-9号通道测量的是受拉区的应变却在加载的开始呈现压应变，猜测是位移计在测量时出现的故障，也可能是混凝土开裂对位移计的测量产生影响。
排除掉46-9，在0→10kN的荷载围，认为混凝土处于弹性阶段，应变基本符合平截面假定。
5.3荷载-挠度
图9荷载-挠度曲线图
5.4荷载-曲率
图10荷载-曲率曲线图
5.5构件承载力分析
预估该构件极限承载力为133.27kN，而实际测得的承载力为92.344kN，比与估值低出了30%。
推测造成差距的原因为：
（1）材料性能的不确定性。
由于混凝土材料是一种各项异性材料，而且即便使用相同的配比的混凝土材料性质也会有不同。
而且材性试验中钢筋的屈服强度甚至达到了548MPa，远远超出了标准值，然而试验构件中的材料可能没有达到材料试验中的材料强度，致使实际测得的承载力小于理论值。
（2）计算该构件极限承载力的时候采用的是简化分析办法，按照合力大小不变、合力作用点位置不变的原则，将截面混凝土应力的曲边形图形简化成等效矩形时，大偏心受压的合力比折算值要大，即大偏心受压计算时偏于安全的。
然而实际值却甚至小于理论值，可以推测本试验材料性能造成的误差远远大于计算模式造成的误差。
（3）构件的尺寸可能和设计值不符合，使承载力低于理论值。
6结论
这次试验我充分了解了大偏心受压柱的破坏过程。
大偏心受压构件的应力分布类似于双筋适筋梁受弯。
随着荷载的加大，受拉区的混凝土出现横向裂缝退出工作，该区的钢筋承担大部分拉应力而使其应力和应变增速加快，裂缝增多并向受压区发展，受压区高度减小，混凝土应力增大。
当受拉区的钢筋应变达到屈服应变的时候，钢筋屈服，截面处形成一主裂缝。
但受压区混凝土压应变达到其极限抗压应变时，受压区较薄弱处出现纵向裂缝，混凝土被压碎而使构件破坏。
同时，通过理论值和实测值的比较可以看出，在考虑到混凝土材料性能的不定性情况下，大偏心受压的计算是偏于安全的，实际的极限承载力要大于设计的理论值。
附录一
极限承载力估算
附录二：
实验数据处理
荷载（kN）
挠度（
）
曲率（10-6/mm）
0.083
-0.002
6.66667E-05
4.786
0.251
0.0006
9.985
0.386
0.000383333
14.854
0.7185
0.001316667
19.641
0.6815
0.0024
24.922
0.9955
0.003
30.039
1.295
0.0052
34.99
1.6175
0.005333333
39.941
1.9795
0.00605
45.058
2.282
0.008016667
50.01
2.839
0.0086
54.713
3.051
0.009
60.242
3.5095
0.00945
65.111
4.064
70.64
4.3695
73.529
4.464
77.16
4.412
78.645
4.4535
80.873
4.413
84.339
4.329
86.072
4.2675
92.344
4.1
附录三：
裂缝展开图
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