结构工程实验.docx
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结构工程实验
结构工程实验报告
实验序号：
专业：
班级：
姓名：
同组实验者：
试验时间：
实验一钢筋混凝土适筋梁抗弯破坏试验
一．实验目的
1.了解钢筋混凝土梁静力荷载试验中随加载大小改变，挠度变化及裂缝出现和发展过程及混凝土的破坏情况。
2.观察钢筋混凝土梁受力和变形过程三个工作阶段及钢筋混凝土梁的破坏特征。
3.测定钢筋混凝土梁正截面的开裂荷载和极限承载力。
二、实验设备与仪器
1、静力试验台座、反力架、支座及支墩
2、50T手动式液压千斤顶
3、50T荷重传感器
4、YD-21型动态电阻应变仪
5、X-Y函数记录仪
6、YJ-26型静态电阻应变仪及平衡箱
7、显微镜及放大镜
8、位移计（百分表）及磁性表座
9、电阻应变片、导线等
三、实验对象
我们组的梁采用的是C25的混凝土，所采用的材料如下：
42.5矿渣水泥，中粗砂，20－40mm单粒级碎石，纵筋为6Φ18（二级带肋钢筋），箍筋为Φ8＠90（一级光圆钢筋）。
梁的尺寸为150×300×1500mm
。
试验加载过程中我们希望看到的是正截面的破坏形态。
四、实验原理
纯弯曲钢筋混凝土试件，纯弯曲区截面有带有荷载传感器的试验机或由反力架、千斤顶、不同高度粘贴五枚应变片。
由带有荷载传感器组成的加载装置加载。
在梁的跨中安置上位移传感器。
由载荷传感器和位移传感器将试件过程中的载荷和变形，转换成电信号，输入动态应变仪加以放大，然后由x—y函数记录仪再放大，并自动描绘出载荷挠度曲线或将传感器、放大器转换成的电信号，输入动态数字采集系统，自行记录P—F曲线。
试验前分别对载荷传感器和位移传感器标定，得出坐标纸（y轴）上每一厘米所代表的载荷值和位移值。
设比例系数m（KN／m）和n（mm／cm）。
在试件相应部位再安置上百分表，观察其挠度变化。
试件上的电阻应变片由静态电阻应变仪测定不同载荷时各应变片的应变值。
5、实验前期准备工作
1、裂缝观测
最常用于发现裂缝的最简便方法是借助镜用肉眼观察。
在试验前用纯石灰水溶液均匀地刷在结构表面并等待干燥。
当试件受力后，白色涂层将在高应变下开裂并剥落。
这时，在钢结构表面可以看到屈服线条，混凝土表面的裂缝也会明显地显示出来。
研究墙体结构表面开裂时，在白灰涂层干燥后画出50mm左右的方格栅，以构成基本参考坐标系，便于分析和描绘墙体在高应变场中裂缝的发展和走向。
2、仪器的安装
为了保证试验量测的可靠性和仪表安装的方便，在试件内必须预设埋件或预留孔洞，用接触式应变仪量测试件表面应变时应埋设相应的测点标脚；钢筋混凝土试件用电阻应变计量测钢筋应变时，在浇注混凝土前应先在钢筋上贴好应变片，做好防潮以及机械损伤的处理。
3、试件的安装就位
1）混凝土梁受弯构件是简支的，在试验安装时其一端采用固定铰支座，另一端采用滚动铰支座。
2）在加载中，用千斤顶施加力并通过分配梁传力在两加载点对称加载，使简支梁跨中形成长700mm的纯弯曲段（忽略梁的自重）。
为了减少试件的安装误差，试件就位后的计算跨度（梁）和计算高度必须与计算简图一致。
由于支座约束条件与构件的内力传递及变形有关，因而安装试件时，应严格按照设计要求选择支座形式。
一般在试件就位前，应先在试件上画出支座反力的作用线位置和外荷载的作用点位置，需要对中的试件还要画出中心线位置，荷载作用部位要附设定位零件，以使荷载有明确的着力点。
4、试验项目和测点布置
1）在梁的纯弯段的纵向受力钢筋中部预埋电阻应变片，用导线引出，并做好防水处理，设ε1、ε2、ε3三个应变测量点。
2）考虑在加载的过程中，两个支座受力下沉，支座上部分别布置位移测点f1和f2，以消除由于支座下沉对挠度测试结果的影响。
梁的跨中布置一百分表f3，测量跨中的最大挠度。
梁实际跨中最大挠度
六、试验方法和步骤
1）在试件表面刷上白色石灰浆涂层，以衬托出在试验中试件表面的微细裂缝。
为了便于记录和描述裂缝的发生部位，在试件表面划出50mm×50mm左右的方格。
2）传感器的标定通过使用电液伺服系统的试验加载标定，结果为630με/100KN。
3）将试件安放在支座上。
安装好位移传感器和百分表。
4）将应变片接至静态电阻应变仪，实行多点测量，各点预调平衡。
5）预加荷载，检查加载装置、测试仪表是否正常工作，然后卸载。
发现问题及时处理。
6）正式加载试验，逐级加载，记录荷载-----挠度曲线；读取纯弯区各测量点的应变值。
记录试验数据。
7）试验过程中，实时监测试件裂缝的出现以及裂缝的宽度、长度随载荷的发展情况；描绘试件开裂的位置。
8）记录试件的破坏特征。
七、试验加载阶段
试验加载程序是指试验进行期间荷载与时间的关系。
加载程序可以有多种，应根据试验对象的类型及试验目的与要求不同选择。
一般结构静载试验的加载程序分为预载、标准荷载、破坏荷载三个阶段。
1）准备温度补偿片
用电阻应变片测量应变时，温度变化使应变片的电阻值发生变化，产生“温度效应”。
我们使用温度补偿片消除“温度效应”。
2）标定应变器，测量混凝土试块强度。
3）架梁，安放百分表，连接仪器，预调平衡。
该过程比较复杂，工作量大，我们是在老师的指导下和观察了先做的几组的操作后才顺利完成了该项工作的。
4）预压
预压可使试件内、外部接触良好，进入正常工作状态，在试件制造、安装等过程中节点和结合部位难免有缝隙，预加载可使其密合。
5）加载阶段
根据所测得的混凝土实际强度估算该适筋梁的极限荷载Pmax，取该值的5%为每级的加载量。
八、实验数据处理与分析
1、由记录的静载试验数据画出载荷—挠度曲线。
梁实际跨中最大挠度
表5荷载—挠度数据表
加荷序数
加荷时间
荷载
（kN）
f1
f2
f3
跨中挠度f
读数
差值
读数
差值
读数
差值
0
0
0
14.49
/
29.74
/
25.13
/
/
1
4:
20
3
14.46
-0.03
29.73
-0.01
25.18
0.05
0.07
2
4:
25
6
14.42
-0.04
29.73
0
25.22
0.04
0.06
3
4:
30
9
14.39
-0.03
29.72
-0.01
25.26
0.04
0.06
4
4:
35
12
14.36
-0.03
29.71
-0.01
25.32
0.04
0.08
5
4:
40
15
14.32
-0.04
29.69
-0.02
25.36
0.06
0.07
6
4:
45
18
14.28
-0.04
29.67
-0.02
25.40
0.04
0.07
7
4:
50
21
14.25
-0.03
29.64
-0.03
25.49
0.09
0.12
8
4:
55
24
14.21
-0.04
29.61
-0.03
25.61
0.12
0.16
9
5:
00
27
14.18
-0.03
29.59
-0.02
25.68
0.07
0.10
10
5:
05
30
14.13
-0.05
29.52
-0.07
25.97
0.29
0.35
11
5:
10
31.5
14.11
-0.02
29.55
0.03
26.09
0.12
0.12
12
5:
15
33
14.09
-0.02
29.54
-0.01
26.19
0.10
0.12
13
5:
20
34.5
14.07
-0.02
29.53
-0.01
26.47
0.28
0.30
14
5:
25
36
14.06
-0.01
29.51
-0.02
26.99
0.52
0.54
15
5:
30
37.5
14.04
-0.02
29.45
-0.06
27.70
0.71
0.75
16
5:
35
39
14.01
-0.03
29.40
-0.05
29.81
2.11
2.15
2、分析计算实验测得的开裂弯矩，极限弯矩值与理论值比较
（1）裂缝出现，发展过程及试件破坏形态
加载过程中，裂缝出现时的微应变为480με，由已测得的传感器灵敏度
可知开裂弯矩为：
当千斤顶上力加至30kN时出现了第一条裂缝，之后梁下部混凝土逐渐退出工作，由受拉纵筋独立承受拉力。
由于是少筋梁，最终的破坏是由于下部的受拉钢筋屈服，裂缝开展过大而失效。
试验证明，在逐级加载过程中，下部裂缝逐渐增多并变宽变长，达到1.5mm时，梁即告破坏。
由以上分析可知，少筋梁的破坏形态充分表现了出来，从这个意义上讲本次试验是成功的。
（2）分析计算实验测得的开裂弯距并与理论值比较
加载过程中，裂缝出现时的微应变为480
，破坏时的微应变为600
由已测得的传感器灵敏度
可知开裂弯距为：
极限弯距为：
用混凝土试块测得的抗压强度
计算得的极限弯距为：
受拉纵筋选2
6，
；架立筋选2
8,
；箍筋选
；取as=35mm，则h0=265mm；剪跨a=400mm，则剪跨比
（1）受压区高度
（2）弯矩加载标准值
（3）根据试验梁材料的实测强度及几何尺寸，计算正截面承载力的理论值，并与梁的正截面承载力实测值进行比较，计算出实测值与理论值的符合程度
＝？
＝
对比分析以上数据，可看出实际测得的强度与理论计算的很接近。
从上述比较中可看出实际测量值与理论计算值相近，说明本次试验是成功的。
3、裂缝形态图
图13裂缝形态图
4、内部钢筋的应变记录
加载序号
时间
荷载
（kN）
A1
（με）
A2
（με）
A3
（με）
B1
（με）
B2
（με）
B3
（με）
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
4:
20
3
34
33
35
29
31
25
2
4:
25
6
-1
0
-10
78
6
-78
3
4:
30
9
11
9
-1
201
16
-82
4
4:
35
12
28
17
10
-159
28
26
5
4:
40
15
31
33
28
141
23
-89
6
4:
45
18
63
56
49
991
54
-74
7
4:
50
21
91
85
66
1893
68
-65
8
4:
55
24
108
99
71
4461
78
-52
9
5:
00
27
121
109
81
-35
79
-36
10
5:
05
30
-539
573
83
-310
307
16
11
5:
10
31.5
-486
667
68
1629
417
43
12
5:
15
33
-298
754
69
599
414
67
13
5:
20
34.5
-298
779
58
308
450
103
14
5:
25
36
-390
560
610
238
465
137
15
5:
30
37.5
-306
-220
1088
451
533
203
16
5:
35
39
874
9
6310
1223
648
234
5、混凝土的应变记录
加载序号
时间
荷载（kN）
上（με）
中（με）
下（με）
0
0
0
0
0
0
1
4:
20
3
-17
-22
15
2
4:
25
6
-77
-6
-50
3
4:
30
9
-90
-11
-53
4
4:
35
12
-113
24
20
5
4:
40
15
-132
14
-71
6
4:
45
18
-143
14
-10
7
4:
50
21
-149
11
-33
8
4:
55
24
-153
10
8
9
5:
00
27
-147
11
-23
10
5:
05
30
-178
28
-43
11
5:
10
31.5
-86
42
-30
12
5:
15
33
-149
41
-36
13
5:
20
34.5
-104
37
-37
14
5:
25
36
-129
41
-48
15
5:
30
37.5
-74
77
19
16
5:
35
39
-14
39
-25
实验二简支钢桁架非破坏试验
一、试验对象简介与应用
桁架，由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构。
在荷载作用下，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度，故适用于较大跨度的承重结构和高耸结构。
常用的有钢桁架、钢筋混凝土桁架、预应力混凝土桁架、木桁架、钢与木组合桁架、钢与混凝土组合桁架。
根据其几何样式的不同可分为三角形桁架（在沿跨度均匀分布的节点荷载下，上下弦杆的轴力在端点处最大，向跨中逐渐减少；腹杆的轴力则相反。
三角形桁架由于弦杆内力差别较大，材料消耗不够合理，多用于瓦屋面的屋架中。
）、梯形桁架（和三角形桁架相比，杆件受力情况有所改善，而且用于屋架中可以更容易满足某些工业厂房的工艺要求。
如果梯形桁架的上、下弦平行就是平行弦桁架，杆件受力情况较梯形略差，但腹杆类型大为减少，多用于桥梁和栈桥中。
）、多边形桁架（也称折线形桁架。
上弦节点位于二次抛物线上，如上弦呈拱形可减少节间荷载产生的弯矩，但制造较为复杂。
在均布荷载作用下，桁架外形和简支梁的弯矩图形相似，因而上下弦轴力分布均匀，腹杆轴力较小，用料最省，是工程中常用的一种桁架形式。
）、空腹桁架（基本取用多边形桁架的外形，上弦节点之间为直线，无斜腹杆，仅以竖腹杆和上下弦相连接。
杆件的轴力分布和多边形桁架相似，但在不对称荷载作用下杆端弯矩值变化较大。
优点是在节点相交会的杆件较少，施工制造方便。
）等。
二、试验介绍
1、试验结构
用等边角钢焊接而成的钢桁架如计算简图所示.试件———钢桁架、跨度6m，上下弦采用等边角钢2∠70×6（F=2×816mm2），腹杆采用等边角钢2∠56×5（F=2×514mm2），节点板厚δ=4mm，测点布置见下图所
示.钢材Q345.1—电阻应变片 2—挠度计
2、试验项目
各杆件的应变和钢桁架下弦结点的挠度。
3、试验目的
（1）了解所用仪器的原理，学会所用仪器设备的安装、操作与读数。
（2）通过对钢桁架各杆件的应变和钢桁架下弦结点的挠度的量测，来检验桁架的工作特性和验证桁架。
（3）通过试验，学会试验数据的采集。
（4）掌握结构实验中静力实验的基本过程和方法；进一步学习、掌握应变和挠度测量仪器的性能、安装和使用方法；了解桁架结构的加载方法、原理和特点。
通过对构件内力、挠度、杆件附加弯矩的测定，运用相关专业知识，根据实验数据对桁架结构的工作性能作出评定，掌握静力实验的数据处理分析和结构性能评定技能，解决工程实际问题。
分析、整理与表达。
4、试验步骤
准备工作------分级加载（1级）--------分级卸载（1级）
5、试验特点
应变测试点多（有6点），结构具有对称性。
6、桁架内力计算假定:
（1）结点为铰结点.
（2）杆件轴线为直线且通过铰中心.（3）荷载及支座反力作用在结点上。
三、试验重点
本试验的重点和难点主要有以下几方面的内容:
1、桁架的工作特性:
在结点荷载作用下桁架各杆件呈二力杆特性，具体地说是上弦为压杆，在应变特性上表现为负应变（压应变），下弦杆为拉杆在应变特性上表现为正应变（拉应变），腹杆中有拉杆、压杆、零杆（要特别注意其前提:
在结点荷载作用下，这点在误差分析中很重要）。
2、桁架计算理论:
节点法和截面法.本试验报告中涉及到几个单位荷载作用图，而几个单位荷载作用图的正确与否直接关系到本试验报告的质量。
3、结点挠度实测值的处理:
应考虑支座沉降值对结点挠度测量值的影响，采用梯形图处理方法。
4、时效作用对试验结果的影响:
钢结构在某级荷载作用下其变形充分发展一般需要两个小时，但是由于时间关系学生在试验课上不可能按两小时加一次荷载，这也是产生误差的主要原因。
5、加载—卸载分析:
对加载到某级荷载与卸载到同一级荷载的杆件应变和结点的挠度进行对比分析、总结，可以发现规律，分析原因。
6、试验数据的采集、分析、整理与表达:
采集的方法，要点;试验数据的定性分析与定量分析相结合;试验数据的整理应优先采用表格表达方式;试验数据的表达一般采用图、表（记录表格、计算表格、结果表格）、数学函数表达式。
7、结点挠度理论值的计算:
应采用简化表格计算方法，具体地说就是先计算某结点在P荷载作用下的挠度理论值（为包含荷载P的数学式）。
四、试验对比
针对当前试验领域的发展趋势并结合具体的合理化建议与要求进行了试验改革的探索与研究:
1、出发点:
1）针对现代试验大型化、现代化的发展趋势，为了既培养学生的动手能力又能让学生接触和熟悉现代先进的仪器设备及比较先进的试验手段、方法.2）判断支座支撑情况是否良好.3）了解“摸态”（振型）的概念，为后续课程的学习打下基础。
2、改革方法:
1）将传统手动采集方式改为一半点仍采用手动采集，一半改用自动采集系统进行采集.2）采用振动及动态信号采集系统进行模态演示试验，并借此判断支撑条件的好坏.3）通过增加或改变加载点数量和位置进行试验，培养实验者对对称性、等效荷载的理解与深化.
3、试验改革前后对比:
简支桁架非破损试验（综合性、设计性实验）与简支桁架非破损试验（验证型）的主要优点在于:
改变了加载点位置，加载点数量，使对称性变成了非对称性，相应地使试验内容和试验形式变得复杂、多样，客观上要求学生必须主动做好试验的充分准备，这样就调动了学生对试验的主动性及兴趣，同时可以有效抑制验证型试验中出现的试验报告千篇一律的抄袭现象，真正培养了学生的设计、创新能力.
4、改革效果:
经过改革将验证型试验升华为设计、创新综合型试验，不仅增加了试验难度，还大大激发了学生的学习积极性.
五、试验方案、步骤
试件——钢桁架、跨度2.0m，上下弦杆采用等边角钢2∠20×2.5，腹杆采用2∠20×2.5，测点布置见图1.1所示；
2、加载设备——油压千斤顶或吊篮重物加载；
3、静态电阻应变仪；
4、百分表及支架；
5、倾角仪。
（一）、试验方案
桁架试验一般多采用垂直加荷方式，桁架试验支座的构造可以采用梁试验的支承方法，支承中心线的位置尽可能准确，其偏差对桁架端结点的局部受力影响较大，对钢筋混凝土桁架影响更大，故应严格控制。
三角形屋架受荷后，下弦伸长较多，流动支座的水平位移往往较大，因此支座垫板应有足够的尺寸。
桁架试验加荷方法可采用实物加荷，也可采用吊篮加荷，但一般多采用螺旋千斤顶或同步液压千斤顶加荷，试验时应使桁架受力稳定、对称、防止平面外失稳破坏，同时还要充分估计千斤顶的有效行程。
桁架的试验荷载不能与设计荷载相符合时，亦可采用等效荷载代换，但应验算，使主要受力构件或部位的内力接近设计情况，还应注意荷载改变后可能引起的局部影响，防止产生局部破坏。
观测项目一般有节点挠度和转角、杆件内力等。
测量挠度，可采用挠度计或水准仪，测点一般布置于下弦结点。
为测量支座沉陷，在桁架两支座的中心线上应安置垂直方向的位移计。
杆件内力测量，可用电阻应变片或接触式位移计，其安装位置随杆件受力条件和测量要求而定。
荷载分级、开裂荷载和破坏荷载的判别，参照梁的试验。
桁架试验由于荷载点高，加荷载过程中要特别注意安全，以防损坏仪器设备和造成人身伤害。
本试验采用缩尺钢桁架作非破损检验，以达到熟悉的目的。
杆件应变测量点设置在杆件的中间区段，为消除自重弯矩的影响，电阻应变片均安装在截面的重心线上，见图1.3。
在水平杆AF及BJ的支座处装倾角仪，量测在各级荷载下的转角变化。
挠度测点均布置在桁架下弦结点上，同时支座处尚应装置百分表测量沉降值（及侧移值）。
附：
试验仪器
应变片粘贴位
图1.2简支刚桁架
表1-1试验仪器表
仪器名称
规格
钢桁架
跨度2.0m，上下弦杆采用等边角钢2∠20×2.5，腹杆采用2∠20×2.5
加载设备
液压千斤顶
高精度静态伺服液压控制台
型号
JSF-1-2.5/31.5A2
流量
2.5L/min
动态精度
+2%
功率
2.2KW
压力
31.5MPa
静态精度
+0.5%
静态应变仪
YE2538程控静态应变仪
图1.3应变片粘贴位置示意图
（二）、试验步骤
1、实验设备的连接及调试：
①应变的连接及调试
将桁架上的应变片按半桥单臂的方式（参见实验二）接入DH3818静态电阻应变仪上，采用公共补偿。
连接完毕后观察每个测点是否都处在正常工作状态（即每个通道均有数字显示，而不是“------”）。
②百分表的安装及调整
将磁芯表座吸附在置于地上的稳定的钢梁上（若钢梁不稳，在测试过程中产生晃动，将会影响测试精度），并将百分表的滑杆顶端顶在桁架的各节点上，旋紧表座连杆上的旋扭，轻轻触动百分表，如果指针晃动之后能回到原位，说明百分表已固定好；再旋转表盘，使表盘上的两个（或三个）指针的读数协调一致。
注意：
由于挠度是结构某一位置与一不动点的相对位置变化，因此，安装好百分表后，在荷载为零时，不一定要把百分表的指针调零，可以有一个初读数，关键是要把百分表大小针的进位关系调整好。
百分表调整方法：
轻轻滑动百分表的滑杆，使表盘中的小指针指到整数并保持稳定，然后旋转大表盘，使长指针对准“0”。
百分表读数方法：
先读小表盘上距指针最近的两个数字中小的一个作为读数的整数位，再读大表盘指针所指的数字作为读数的小数位，精确到0.01。
2、正式实验：
①预载：
加40kN荷载，循环两次，做预载实验。
其目的为：
消除节点和结合部位的间隙，使结构进入正常工作状态；检查全部实验装置的可靠性；检查全部观测仪表的工作是否正常；检查现场的组织工作和人员的工作情况。
然后卸载，及时排除发现的问题。
预载过程中要注意观察应变及挠度测试仪表的读数是否发生变化，变化情况是否正常。
②正式加载及测量：
采用分级等量的荷载进行加荷，先施加10kN初载（结构试验测量的是结构在每级加载后的应变及挠度增量，为了排除荷载较小时的非线性段，使数据结果更理想，更好地了解整个静载实验过程，因此将P0=10kN作为零荷载），初载施加完毕后，将应变仪调零并记录初读数，同时记录挠度的初读数。
然后进行分级加载，每级荷载30kN（P=30kN），共加三级，即10kN40kN70kN100kN。
每加一级荷载之后稳载5分钟，然后读取应变及挠度数据，记录在表6-1中。
实验共进行两个循环，排除所测读数的偶然性。
六、试验数据处理
表6-1原始记录表格
循环次数
应变片
编号
荷载（kN）
10
30
50
70
100
1
1
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