文章编号: 1005-
0930( 2012) 06-1051-012 d o i : 10． 3969 / j ． i ss n ． 1005-0930． 2012． 06． 011 中图分类号: T U 375． 1 文献标识码: A
钢筋混凝土梁受弯破坏机理
尺寸效应试验研究
周宏宇， 李振宝， 杜修力， 郭二伟
( 北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)
摘要: 针对尺寸效应特性对梁构件受弯破坏的影响机理，对不同截面尺寸简支梁
相似试件开展单调加载试验，测试构件在不同加载阶段的承载力、挠度和截面应
变等试验数据． 按不同加载阶段分析其力学性能的影响因素，并阐述其破坏机理
的尺寸效应． 试验分析表明，混凝土材料抗压特性在受弯构件力学性能中表现为
负面尺寸效应，这种负面尺寸效应对构件整体力学行为的影响并不显著． 相比之
下，内力臂和钢筋等因素对试件承载力和延性均产生显著的正面影响． 随截面尺
寸增大，受弯承载力和延性均呈增长趋势． 根据试件在不同尺度上表现出的显著
破坏特征和实测数据，推导相关计算参数随试件尺寸的关系，建立考虑尺寸效应
的极限承载力计算方程． 同时也验证了现有极限承载力计算理论的安全性． 关键
词:钢筋混凝土梁;抗弯性能;尺寸效应;试验研究;破坏机理
现阶段对钢筋混凝土结构的设计依据主要基于小尺寸构件试验结果，这与工程实际 使用的大构件存在差异． 目前，在实验室开展大体积的钢筋混凝土结构试验依然比较困 难，相关试验对加载设备性能、边界条件模拟等都不同于常规试验． 就钢筋混凝土梁正截 面承载性能而言，虽然部分结论认为梁受弯破坏由受拉纵筋屈服引起，尺寸效应对钢筋混
凝土梁受弯承载性能影响不显著［1-5］． 但相关结论大部分基于小尺寸试件试验结果，对大 尺
寸受弯构件承载性能尺寸效应的细致分析资料更为欠缺． 此外，受弯构件正截面承载性 能还受到构件层次尺寸效应的影响． 就尺寸效应而言，无论是混凝土材料的影响还是构件 因素发挥作用，在构件受力过程中，如何评价其影响程度，均需开展细致研究工作才能解 决． 因此，有必要开展对受弯构件正截面破坏机理尺寸效应的分析研究．
试验概况
依据钢筋混凝土结构设计原理［6-13］，试验试件采用简支梁，如图 1 所示，纯弯段 l 是 1 m
试验观察的主要区段，该区段只有弯矩 M 作用． 结合相似关系，共设计 5 组不同尺寸的简 收稿日期:2011-
08-01;修订日期:2011-12-05 基金项目:国家自然科学基金重点项目( 50838001) ; 北京工业大学青年科学研究创新平台项目( X1004012201001) ; 北
支梁试件，最大截面尺寸 400mm × 1000mm ，试件编号分别为 J D 1—J D 5． 受拉纵筋配筋率
约等于 1% ，弯剪复合区段剪跨比约为 2，试件按适筋梁设计，混凝土设计强度 C 30． 试件 相关设计参数见表 1． 试验加载装置如图 2 所示，按力和位移混合控制的加载方案分级单 调加载直至试件破坏． 主要采集的试验数据包括: 竖向集中荷载、跨中挠度、破坏截面应 变、钢筋与混凝土应变及观察裂缝等．
表
1 试件设计参数表 T a b l e 1 S p ec i m e n d e s i g n p a r a m e t e r s 编号 数量 b × h / mm 2
l m / mm a / mm l 0 / mm 受拉钢筋 受压钢筋 l m 段箍筋 l / mm a 段箍筋 混凝土强度 8 6 4 6 J D 1
J D 2
J D 3
J D 4
J D 5 3 3 3 2 2 80 × 200 160 × 400 240 × 600 320 × 800 400 × 1000 1520 2940 4360 5780 7100 500 1000 1500 2000 2500 360 720 1080 1440 1800 150 250 350 450 500 44@ 40 48@ 75 410@ 70 412@ 85 414@ 90 44@ 60 48@ 90 410@ 100 412@ 120 414@ 130 C30 C30 C30 C30 C30 810 48 816 410 820 412 825 414 试验结果
下文诸变量符号意义为: M 代表相同尺寸试件截面弯矩平均值，对应跨中挠度 f m ， 对应受压区边缘混凝土压应变 εc ，对应中和轴高度 x n ． 不同破坏状态下诸变量右下角 标含义: c r —混凝土初裂状态; y —纵筋初始屈服状态; u —按照规范界定承载能力极限 状态; u s —实测承载能力极限状态; m a x —试件超越极限承载能力后实测的峰值承载 状态．
2 荷载与挠度曲线
荷载与跨中挠度关系如图 3 所示，本文将加载过程划分为 4 个受力阶段，即弹性阶 段、带裂缝工作阶段、钢筋屈服阶段以及混凝土压碎阶段． 4 个受力阶段的界限特征分别 为受拉区混凝土开裂、纵筋初始屈服、受压区边缘混凝土达到极限压应变以及峰值荷载，
详见图
3( a) —图 3( b) 中的数据标记． 图 3( c) 是不同尺寸构件荷载与跨中挠度曲线的集 成图． 图 3 ( d) 是不同比例试件相对于屈服状态的无量纲图，其中，纵坐标为截面弯矩 M
2． 1
无量纲挠度．试件超过屈服状态后，其强度和延性表现出显著尺寸效应．就大尺寸受弯构
件而言，试件在第四阶段依然具有足够高的强度和延性储备，这对结构的抗震性能是非常有利的．同时也证明，就极限承载力而言，基于用小尺寸构件设计大尺寸构件是安全可靠的．
图3 荷载与跨中挠度关系曲线
F i g． 3 L o a d-m i d s p a n d e f l ec t i o n c u r v e s
2． 2 试验破坏过程
( 1) 试件刚开始加载时，基本处于弹性阶段，应力与应变成线性关系．当平均荷载增至实测截面极限弯矩的7． 77%时，试件初裂，刚度略有下降．此时裂缝极其细微，尚无法肉眼识别;
( 2) 随后试件进入带裂缝工作阶段．当平均荷载增至实测截面极限弯矩的17．52% 时，发现肉眼可识别的初始裂缝，这些初始裂缝成批出现，一发现即具有一定高度，间距相对均匀分布．随着荷载增加，新裂缝逐渐向初始裂缝延伸汇集，并发展成为主裂缝．这期间试件刚度基本保持不变;
( 3) 当荷载增至实测截面极限弯矩的89．98%时，梁底受拉纵筋初始屈服，试件达到屈服状态．此后，不同尺寸试件的破坏形态表现出显著差异．在屈服状态下，小尺寸试件受压区混凝土应力更接近混凝土材料的最大应力，应变值相对较大; 而大尺寸试件此时的应力水平相对较小，应变也相对较小．随着荷载增加，大试件比小试件表现出更加显著的强化特性．在达到极限承载力之前，大小试件受压区混凝土陆续经历最大应力状态，梁顶面
土达到最大应力那一刻，混凝土材料抗压强度特性尺寸效应在构件中有所反映，其强度特 征参数随试件尺寸增大而减小;
( 4) 当截面弯矩增至实测截面极限弯矩时，中和轴位置升至最高，受压区边缘混凝土 处于即将破坏的临界状态，试件达到实测承载能力极限状态． 这里要说明的是，在这一刻， 混凝土材料抗压变形特性尺寸效应在构件中有所反映，随构件尺寸增大，受压区边缘混凝 土实测极限压应变呈减小趋势，甚至低于规范值，即试件受压区混凝土材料的变形能力随 试件尺寸增大而减小;
( 5) 试件进入混凝土压碎阶段后，受压区高度减小，中和轴位置开始下降，内力臂减 小． 小试件很快达到峰值承载力; 大尺寸试件经历极限状态后，其强度与延性距实测最大 承载力尚有一定增长空间，试件最终应因混凝土压溃而失效． 图 4—图 9 分别是不同尺寸 代表性试件的破坏形态．
受弯破坏机理尺寸效应分析
如图 3( d) 所示，不同尺寸试件在弹性阶段和带裂缝工作阶段基本特征相似，但试件 在钢筋屈服阶段和混凝土压碎阶段的强度与延性表现出显著差异． 现有规范基于小尺寸 试件试验结果，对受弯构件正截面极限承载性能的分析计算建立于第三阶段末期，并认为
承载力在第三阶段末期开始下降，
J D 1—J D 2 小尺寸试件验证了这一点． 而 J D 3—J D 5 大尺 寸试件试验结果表明，大尺寸受弯构件从钢筋屈服开始，其强度和延性增长空间均随尺寸 变大，即便是试件进入第四阶段，受压区边缘混凝土开始压碎后，试件仍然具有一定的强 度
与延性储备． 下面分阶段讨论其尺寸效应． 图
10 是试件在不同受力阶段的界限特征． 3
图
10 试件不同受力阶段的界限特征 F i g ． 10 D e m a r c a t i o n p o i n t s of four l o a d i n g s t a g e
弹性阶段和带裂缝工作阶段 M ＜ M y
如图 10( a) 所示，试件在达到屈服点 y 之前，钢筋与混凝土的应力应变稳步增长，在
邻近屈服点 y 时刻，钢筋应力与混凝土应变均表现出随试件尺寸增大而减小的趋势． 图 12( a) 中的钢筋实测屈服强度 f s y 表明，随试件尺寸增大，其所选用的较大直径纵筋屈服强 度降低． 目前市场供应的钢材强度，较小直径钢筋强度普遍高于较大直径钢筋强度，这是 钢筋
材料尺寸效应的负面影响． 图 12 ( b) 中的受压区边缘混凝土实测压应变 εc y 表明，试 件尺寸
越大，受压区混凝土的应力与应变增长越缓慢，
y 点在图 10 ( b) 中的位置更靠前， 这是构件层次的正面尺寸效应影响． 这些都说明，在这一受力阶段，钢筋材料尺寸效应在 结构特性中有所反映． 虽然钢材本身的强度特性也随材料体积增大而略有降低，但因钢材 尺寸效应本就不显著，所以这个负面影响很微弱． 在这一阶段上，试件中和轴位置相对稳 定升高，如图 11( a) 初裂状态中和轴位置 h x n c r 和屈服状态中和轴位置 h xny 所示． 除 J D 1 试 件外，试件从初裂至屈服，不同尺寸试件中和轴位置升高差异不大，表明这期间的内力臂 增长是稳定的． 由
此可见，在纵向钢筋、受压区混凝土和内力臂这 3 个影响因素中，试件从 初裂至屈服，内力臂
增长和钢筋材料特性的影响最为显著，内力臂增长和纵筋应力增至材 料屈服点决定着试件屈服时刻的到来． 因此，混凝土材料尺寸效应对构件屈服状态的影响 不显著． 根据本文的研
究结果，M y 占 M u s 的( 82． 78—96． 25 ) % ，平均为 89． 98% ; M y 占 M m ax 的( 71． 27—94． 51) %
，平均为 82． 30% ． 由此可见，正截面受弯构件屈服强度在极限强
3． 1
图12 钢筋应力与混凝土应变
F i g． 12 S t ee l stress and concrete s t r a i n
度中占有较大份额．在下文钢筋屈服阶段和混凝土压碎阶段的研究中，即便发现构件和材
料因素的尺寸效应，这种影响也将是有限的．
3． 2 钢筋屈服阶段M
≤M≤M u s
y
如图10( a) 所示，虽然钢筋屈服阶段的起点y 由内力臂和纵筋决定，但这一阶段的终
点us 则由受压区混凝土实测极限压应变εc u s决定．当受压区边缘混凝土达到实测极限压
应变时，中和轴升至最高位置，如图11( a) 中的h x nu s曲线所示; 随后中和轴位置开始下降，混凝土开始压碎，如图11( a) 中的h xnmax 虚线所示．钢筋屈服阶段的终点既然由混凝土极限压应变决定，则混凝土材料抗压特性的尺寸效应必然在这一阶段有所反映．事实上，在混凝土应变达到极限值之前，不同尺寸试件受压区混凝土应力陆续经历最大应力状态，混凝土材料抗压强度特性尺寸效应在应变为ε0 时刻有所反映，本文相关研究也表明，随试件尺寸增大，受压区混凝土材料强度特征参数γ呈减小趋势; 在这一阶段终点us 上，混凝土材料受压变形特性尺寸效应表现显著．如图12( b) 所示，实测受压区边缘混凝土极限压应变εc u s随试件尺寸增大而减小，甚至低于规范值，这说明大尺寸构件受压区混凝土材料的变形能力更差．图13 是J D1 和J D5 试件中和轴位置与混凝土压应变的关系曲线，纵坐标是中和轴位置h
相对于按规范界定承载能力极限状态下中和轴位置h xnu 的无量纲量，横坐标是混凝土压x n
应变εc相对于混凝土极限压应变规范值εc u的无量纲量．实测表明，J D1—J D4 试件受压区边缘混凝土压应变平均值分别超过规范极限值的1． 63、1． 49、1． 45、
，可见随试件尺寸增大，其超出比例呈减小趋1． 30 倍时，试件才达到实测的极限压应变ε
c u s
势; 对于J D5 大试件而言，混凝土应变仅达到规范值0．92 倍时，即尚未达到规范值就进入即将破坏的临界状态．可见，在这一阶段的终点us 上，规范对受弯构件极限压应变的取值不严谨，对于大试件偏于不安全．实测极限压应变随试件尺寸增大而减小，混凝土材料特性尺寸效应在这一阶段反映到结构特性中，就这一阶段的终点us 而言，大尺寸受弯构件受压区混凝土材料的变形能力更差．
在钢筋屈服阶段，试件强度增幅ΔM 整体表现为上升趋势，如图14 ( a) 中的实测截面极限弯矩M u s．如图11( b) 所示，z y和h xny 分别是试件处于屈服状态下的内力臂和中和轴位置; z u s和h x nu s分别是试件处于实测极限状态下的内力臂和中和轴位置．该图表明，试件从屈服状态过渡到实测极限状态过程中，中和轴位置和内力臂继续增长，且随试件尺寸增
筋应力为屈服强度恒定值，但事实上，这期间的钢筋应力依然有所增加．如图12 ( a) 中的
σs y u是纵筋屈服期间的平均应力水平，这个平均应力水平实际上稍大于材料实测屈服强度f s y．这是由于在做材料强度试验时，取值相对保守．由此可见，对承载力增幅ΔM 产生积极影响的因素主要有两个，其一是内力臂增幅随试件尺寸增长，其二是实际钢筋应力水平的持续增长．当然，就尺寸效应而言，内力臂增长幅度起的作用更为显著．对于小试件而言，内力臂在受压区混凝土达到极限压应变之前可能已达到最大值，余下的弯矩增幅ΔM 是靠钢筋应力增加来平衡的; 对于大尺寸试件而言，内力臂最大值和受压区混凝土极限压应变可能同时达到，这期间的弯矩增幅ΔM 主要由内力臂增幅来平衡，钢筋应力增长相对小些．因此，在钢筋屈服阶段，与大试件相比较，小试件的钢筋平均应力水平更高，可能提前进入强化阶段，试件在超越承载能力极限状态后，更容易出现纵筋拉断的失效模式，试验现象也与这一分析结论相吻合．但在受弯构件正截面承载性能中，由混凝土强度降低而导致的负面尺寸效应并不显著，小于上述构件因素产生的正面尺寸效应．因此，随试件尺寸增大，试件强度增幅整体呈增长趋势．
在钢筋屈服阶段，随试件尺寸增大，试件延性增幅Δf 整体表现为上升趋势，如图14( b) 中的实测跨中极限挠度f u s所示．虽然钢筋屈服阶段的终点由混凝土极限压应变决定，并且受压区混凝土材料的变形能力随试件尺寸增大而减小，如图12 ( b) 中的实测极限压应变εc u s曲线和图13 所示．但混凝土材料极限变形能力减小并不代表整个构件的延性会随试件尺寸增大而降低．原因除上述分析中的内力臂和钢筋贡献外，还与这一阶段起点y 的混凝土压应变εc y有关．因为整个构件的延性增幅Δf 是由终点混凝土压应变εc u s与起点应变εc y之间的差值决定的，是双因素影响的结果，而非单因素εc u s决定．虽然构件受压区边缘混凝土实测极限压应变εc u s随尺寸增大呈减小趋势，但在屈服状态下，试件受压区混凝土的应力水平随试件尺寸表现出差异，J D1—J D2 试件受压区混凝土的应力刚刚超过或基本处于其抗压强度，J D3—J D5 试件则临近或远未达到最大应力状态．如图12 ( b) 中的屈服状态实测混凝土f
c
压应变εc y曲线所示，小尺寸构件屈服点y 在图10 ( b) 中的位置更靠后;而大尺寸构件受压区混凝土应变增长缓慢，屈服状态y 点的混凝土压应变值εc y相对较小，y 点在图10( b) 中更靠前．由此，极限状态us 和屈服状态y 的受压区混凝土应变之比εc u s/εc y反倒呈现增长趋势，如图15( b) 所示，因此随试件尺寸增大，混凝土材料在这一阶段的变形增量呈增长趋势．由此可见，构件因素尺寸效应影响这个变形增量的起点εc y，使之随试件尺寸增大而减小，是正面尺寸效应，这个构件因素主要是内力臂; 混凝土材料抗压变形特性尺寸效应影响这个变形增量的终点εc u s，使之随试件尺寸增大而减小，这是负面尺寸效应．但混凝土材料负面尺寸效应小于前者构件因素正面尺寸效应，所以随试件尺寸增大，构件受压区混凝土的变形增量整体呈现上升趋势．此外，随试件尺寸增大，这一阶段受拉区纵筋应力水平呈减小趋势，则钢筋材料延性储备呈增大趋势，这对构件的变形增长产生积极影响．由此可见，对构件延性贡献起正面尺寸效应的影响因素依然是内力臂和纵筋等构件层次的影响因素．由混凝土材料抗压变形特性产生的负面尺寸效应小于前者．因此，随试件尺寸增大，试件在第三阶段的延性整体呈上升趋势．
混凝土压碎阶段 M u s ＜ M ≤M m a x
在混凝土压碎阶段，构件的强度和延性依然呈增长趋势，如图 14( a) 中的 M max 曲线和 图 14( b) 中的 f m ax 曲线． 当试件达到实测最大承载力 max 点时，承载力开始下降，小试件最 终因纵筋拉断或者混凝土压碎而失效; 大试件最终因混凝土压碎而退出工作． 就尺寸效应 而言，这一阶段的强度和延性均随试件尺寸增加而增大，下面就这一现象加以分析．
3． 3
继续增长． 就强度增长尺寸效应而言，虽然这一阶段内力臂减小速度随试件尺寸增大而变 快，但相比于钢筋应力强化程度而言，随试件尺寸增大，后者产生更为显著的影响． 如前所 述，在钢筋屈服阶段，小试件纵筋的平均应力水平大于大试件纵筋的平均应力水平，在超 过 us 点进入强化阶段后，大试件纵筋应力强化段余量更大，小试件纵筋则更容易达到极 限强度而被拉断，这与试验现象相吻合． 本文中的 J D 1—J D 2 小试件有近乎一半数量的试 件最终是因为纵筋拉断而失效，而 J D 3—J D 5 相对较大试件全部是由于混凝土压碎而 失效．
在混凝土压碎阶段，塑性铰区域变形能力的影响最为显著． 就这一阶段延性增长尺寸 效应而言，主要受钢筋延性和受压区混凝土有效承压面积双因素的影响． 目前市场供应的 较小直径钢筋延性普遍略差于较大直径钢筋延性，这加剧了大小试件纵筋强化段应变余 量的差距． 随尺寸增大，大试件所使用的较大直径钢筋强化段应变余量更大． 此外，大尺寸 试件在这
一阶段的混凝土有效承压面积更大，有效延缓受压区混凝土的压溃进程． 如 图
16 所示，图中纵坐标是混凝土有效受压区高度 x 'n ，
在试件达到实测承载能力极限状态 u s 点之前，它与中和轴高度是相等的． 图中每条曲线最后两个数据标记之间的虚线段，就 是这一阶段的有效承压面高度． 该图表明，小试件 J D 1 在超过实测承载能力极限状态后， 有效受压区高度 x 'n 很快衰减; 对于大试件 J D 5 而言，混凝土压酥破碎还需要一个过程，有 效受压区高度 x 'n 是缓慢下降的．
图
16 混凝土有效受压区高度 F i g ． 16 Concrete e ff ec t i v e depth of co m p r e ss i o n
考虑尺寸效应的极限承载力计算
结合上述破坏机理分析，根据极限承载状态的等效矩形应力分布图，建立极限承载力
计算基本方程，见公式( 1) 和公式( 2) ． 其中，
M u s 是极限弯矩． 4 ∑x = 0，α1 f c bx ( 1) = k u s f y A s － f y 'A s '
= 0，M u s ≤ α1 f c b x ( h 0 － )
+ f y 'A s '( h 0 － a s ') x ∑M A s ( 2) 2 在正截面承载力计算中，由于受压区混凝土非均匀受压，截面压应变是不均匀的，即
反映在几何特征参数 α 和 β 的赋值上． 现行规范对几何特征参数取恒定值，没有考虑尺寸 效应影响，也即没有考虑不同截面尺寸构件应变梯度的差异． 本文结合实测数据，根据应 力分布图的等效条件，获得几何特征参数 α 与 β 的解析表达式，见公式( 3) ，其关于梁高 h 的数据拟合见公式( 4) —公式( 6) ． 其中，梁高 h 的单位是 m ，实测范围 0． 2 ≤h ≤1; εc u s 是 不同尺寸构件在极限承载状态下的受压区边缘混凝土实测压应变; γ 是强度特征参数，通 过与梁试件同步浇筑的不同尺寸混凝土棱柱体轴心抗压强度试验实测，ε0s 是其实测最大 应力对应的压应变． 这使得几何特征参数 α 和 β 成为关于截面尺寸的变量，如图 17 所示． 进而将尺寸效应考虑到计算方程中．
2 6 ( εc u s － ε0s ) + ε0s ( 8 εc u s － 5 ε0s ) 1 β ( 1 － ) ε0s α ( 3)
= x / x n == β 2ε ( 3ε )－ ε 3εc u s cus cus 0s = － 0． 20h 3 + 0． 29h 2 － 0． 13h + 1． 00 ( 4)
( 5)
( 6) α 3 2 β1 = β α1 = αγ = － 0． 43h + 0． 62h － 0． 29h + 0． 91 3 2 = － 0． 15h + 0． 53h － 0． 79h + 1． 20
在计算方程中，
k u s 是极限承载状态纵筋应力调整系数． 根据规范对正截面承载力计 算基本假设，在钢筋的本构关系中，纵筋超越屈服状态后，其应力水平不再增加． 根据上述 承载机理尺寸效应的相关分析，当试件超越屈服状态后，其纵筋实际应力水平依然是增长 的． 当试件达到极限承载状态时，在受压区边缘混凝土处于极限压应变的同时，受拉区纵 筋应力水平处在略微强化状态，且随试件尺寸增大，其强化幅度呈降低趋势． 根据实测结 果，对 k u s 的数据拟合见公式( 7) ．
3 2 ( 7)
k u s = － 0． 12h + 0． 11h － 0． 18h + 1． 24 图 18 和表 2 是不同比例试件极限承载力实测值与计算值的对比结果． 其中，M u s ，t 是 极限承载力实测值; M u s ，e 是按现有规范计算的极限承载力; M 'u s ，e 是按公式( 1 ) 和公式( 2 ) 考虑尺寸效应修正后的计算结果; 计算值与实测值之差的含义分别为 Δu s ，e － t = M u s ，e － M u s ，t 、Δ'u s ，e － t = M 'u s ，e － M u s ，t ． 数据对比结果表明，
考虑尺寸效应修正后，对极限承载力的计 算结果更接近实测值．
表
2 极限承载力实测值与计算值 Measured and c a l c u l a t e d va l u e s of b e a r i n g c a p a c i t y T a b l e 2 h / m
M u s ，t / k N ·m M u s ，e / k N ·m M 'u s ，e / k N ·m Δu s ，e － t / M u s ，t / % Δ'u s ，e － t / M u s ，t / % 0． 2
0． 4
0． 6
0． 8 1． 0
21． 09 125． 34 386． 42 997． 46
1369． 02 15． 01 105． 90 322． 22 710． 90 1273． 38 17． 98 122． 74 362． 80 770． 44 1315． 91 － 28． 86 － 15． 51 － 16． 61 － 28． 73 － 6． 99 － 14． 78 － 2． 07 － 6． 11 － 22． 76 － 3． 88 结论
( 1) 不同尺寸试件在屈服前基本特征相似，尺寸效应主要表现在钢筋屈服阶段和混 凝土压碎阶段;
( 2) 随构件尺寸增大，受压区混凝土材料强度和极限变形能力呈减小趋势． 相比之 下，内力臂和钢筋对构件力学性能产生更为显著的正面影响． 随构件尺寸增大，试件的强 度和延性储备在第三阶段和第四阶段均呈增大趋势;
( 3) 基于实测数据，拟合特征参数随构件尺寸的关系，建立考虑尺寸效应的极限承载 力计算方程．
5 参 考 文 献
［1 ］ 陈忠范，徐 明． 碳纤维片材抗弯加固钢筋混凝土梁的试验研究［J ］． 工程抗震与加固改造，
2006，28( 4) : 47-51 Chen Zhongfan ，Xu M i n g ． E x p e r i m e n t a l research on RC beams r e i n f o r ce d w i t h C F R P ［J ］． E a r t h q u a k e R e s i s t a n t
E n g i n ee r i n g ，2006，28( 4) : 47-51
A l c a N ，A l e x a n d e r S D ，Macgregor J G ． Effect of s i z e on f l e x u r a l b e h av i o r of h i g h -s t r e n g t h concrete b e a m s ［J ］． A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ，1997，94( 1) : 59-67 O z b o l t J ，M e s t r o v i c D ，Li Y J ，et a l ． C o m p r e ss i o n fa il u r e of beams made of d i ff e r e n t concrete types and s i z e s ［J ］． J o u r n a l of S t r u c t u r a l E n g i n ee r i n g ，2000，126( 2) : 200-209 Appa R G ，V i j aya n a n d I ，E li g e h a u s e n R ． S t u d i e s on d u c t ili t y and e va l u a t i o n of m i n i mum f l e x u r a l r e i n f o r ce m e n t in R C b e a m s ［J ］． M a t e r i a l s and Structures ，2008，41( 4) : 759-771 C o lli n s M P ，Kuchma D ． How safe are our l a rg e li g h t l y r e i n f o r ce d concrete b e a m s ，s l a b s and f oo t i n g s ［J ］． A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ，1999，96: 482-490 金玉娟，李 彬． 钢筋混凝土正截面极限承载力通用算法［J ］． 武汉理工大学学报，
2010，32( 11) : 58-61 J i n Yujuan ，Li B i n ． G e n e r a l a l g o r i t hm for u l t i m a t e c a p a c i t y of r e i n f o r ce m e n t concrete cross s ec t i o n s ［J ］． J o u r n a l of
Wuhan U n i v e r s i t y of T ec hn o l o g y ，2010，32( 11) : 58-61 吴基金． 钢筋混凝土单筋矩形梁正截面承载力分析［J ］． 铁道工程学报，
2009，( 5) : 44-49 Wu J i j i n ． A n a l y s e s of the b e a r i n g c a p a c i t y of n o r m a l s ec t i o n of r e i n f o r ce d concrete r ec t a n g l e g i r d e r w i t h s i n g l e r e i n f o r ce m e n t ［J ］． J o u r n a l of R a il w ay E n g i n ee r i n g S oc i e t y ，2009，( 5) : 44-49
管俊峰，赵顺波，黄承逵． 钢筋混凝土梁裂缝延伸高度发展规律试验研究［J ］． 应用基础与工程科学学报，
2011， 19( 2) : 251-259
Guan J un f e n g ，Zh a o Shunbo ，Huang C h e n g k u i ． E x p e r i m e n t a l study on r e g u l a r i t y of crack e l o n g a t i o n h e i g h t in r e i n f o r ce d
concrete b e a m s ［J ］． J o u r n a l of B a s i c S c i e n ce and E n g i n ee r i n g ，2011，19( 2) : 251-259
卢少微，谢怀勤． CFRP 加固 RC 梁抗弯可靠度设计方法研究［J ］． 应用基础与工程科学学报，
2007，15 ( 4 ) : 517-523
Lu S h a o w e i ，X i e H u a i q i n ． D e s i g n method r e s e a r c h i n g of f l e x u r a l r e li a b ili t y for CFRP-strengthened RC b e a m s
［2 ］
［3 ］
［4 ］
［5 ］
［6 ］ ［7 ］ ［8 ］ ［9 ］
M i n i s t r y of co n s t r u c t i o n P R C h i n a ． GB50010-2002 Code for d e s i g n of concrete s t r u c t u r e s ［S ］． B e i j i n g : C h i n a B u il d i n g
I n d u s t r y Press ，2002
中华人民共和国建设部． GB50011-
2010 建筑抗震设计规范［S ］． 北京: 中国建筑工业出版社，2010 M i n i s t r y of co n s t r u c t i o n P R C h i n a ． GB50011-2010 Code for s e i s m i c d e s i g n of b u il d i n g s ［S ］． B e i j i n g : C h i n a B u il d i n g
I n d u s t r y Press ，2010
过镇海，时旭东． 钢筋混凝土原理和分析［
M ］． 北京: 清华大学出版社，2005: 214-233 Guo Zh e nh a i ，S h i X u d o n g ． R e i n f o r ce d concrete theory and a n a l y s i s ［M ］． B e i j i n g : T s i n g hu a U n i v e r s i t y P r e ss ，2005: 214-
233 王祖华，陈眼云． 混凝土与砌体结构［
M ］． 广州: 华南理工大学出版社，2006: 97-227 Wang Zuhua ，Chen Y a n y un ． Concrete and b r i c k masonry s t r u c t u r e ［M ］． Guangzhou: South C h i n a U n i v e r s i t y of
T ec hn o l o g y P r e ss ，2006: 97-227
［11］ ［12］
［13］ E x p e r i m e n t a l Study on S i z e Effect of B e nd i n g
F a il u r e M ec h a n i s m of RC B e a m s
ZHOU Hongyu ， LI Zhenbao ， DU Xiuli ， GUO E r w e i
( C o ll e g e of A r c h i t ec t u r e and Civil E n g i n ee r i n g ，B e i j i n g U n i v e r s i t y of T ec hn o l o g y ，B e i j i n g 100124，C h i n a )
Ab s t r a c t
S i z e effect i s concrete i nh e r e n t c h a r a c t e r i s t i c and has an effect on beam b e n d i n g f a il u r e m ec h a n i s m ． B e n d i n g e x p e r i m e n t s based on d i ff e r e n t s ec t i o n s i z e RC free beams were c a rr i e d o u t and test data was co ll ec t e d in d i ff e r e n t l o a d i n g s t a g e ，i n c l u d i n g b e a r i n g c a p a c i t y ，d e f l ec t i o n ， s ec t i o n s t r a i n e t c ． S i z e effect factors and f a il u r e m ec h a n i s m were a n a l y z e d a cco r d i n g to d i ff e r e n t l o a d i n g s t a g e ． Concrete co m p r e ss i v e p r o p e r t i e s show n e g a t i v e s i z e effect in b e n d i n g member m ec h a n i c a l p r o p e r t i e s ，b u t i t i s not s i g n i f i c a n t in o v e r a ll m ec h a n i c a l b e h av i o r s ． I n t e r n a l force arm and l o n g i t u d i n a l r e i n f o r ce m e n t have p o s i t i v e effect to f l e x u r a l b e a r i n g c a p a c i t y a n d d u c t ili t y ． F l e x u r a l b e a r i n g c a p a c i t y and d u c t ili t y show a gr o w i n g trend w i t h member s i z e i n c r e a s i n g ． F a il u r e c h a r a c t e r i s t i c s and measured data show s i g n i f i c a n t d i ff e r e n ce in s p ec i m e n s i z e ． R e l a t e d c a l c u l a t i o n parameters w h i c h have a r e l a t i o n s h i p w i t h s ec t i o n h e i g h t are d e r i v e d ， and then u l t i m a t e b e a r i n g c a p a c i t y c a l c u l a t i o n e q u a t i o n s w i t h s i z e effect r e l a t e d are
e s t a b li s h e d ． B e a r i n g c a p a c i t y c a l c u l a t i o n t h eo r i e s in current s p ec i
f i c a t i o n s are proved to be safe in research s c a l e ．
K e y w o r d s : r e i n f o r ce d concrete beam; f l e x u r a l performance; s i z e e ff ec t ; e x p e r i m e n t a l s t u d y ; f a il u r e m ec h a n i s m
适筋梁受弯破坏试验设计方案 一、 试验目的： （1） 通过实践掌握试件的设计、实验结果整理的方法。 （2） 加深对混凝土基本构建受力性能的理解。 （3） 更直观的了解适筋梁受弯破坏形态及裂缝发展情况。 （4） 验证适筋梁破坏过程中的平截面假定。 （5） 对比实验值与计算理论值，从而更好地掌握设计的原理。 二、 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b ξ的比较可以判断出受弯构件的类型：当b ξξ≤时，为适筋梁；当b ξξ>时，为超筋梁。界限受压区相对高度 b ξ可按下式计算： b y s 0.8 10.0033f E ξ= + 在设计时，如果考虑配筋率，则需要确保1αρρξ≤=c b b y f f 其中在进行受弯试件梁设计时， y f 、s E 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，y f 、s E 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。 同时，为了防止出现少筋破坏，需要控制梁受拉钢筋配筋率ρ大于适筋构件的最小配筋率min ρ，其中min ρ可按下式计算： t min y 0.45 f f ρ= （2）试件的主要参数 ①试件尺寸（矩形截面）：b ×h ×l ＝180×250×2200mm ； ②混凝土强度等级：C35； ③纵向受拉钢筋的种类：HRB400； ④箍筋的种类：HPB300（纯弯段无箍筋）； ⑤纵向钢筋混凝土保护层厚度：25mm ； 综上所述，试件的配筋情况见图3和表1：
图3 梁受弯实验试件配筋 表1 试件 编号 试件特征 配筋情况 预估荷载P (kN) ① ② ③ P cr P y P u MLA 适筋梁 416 2φ10 φ8@50( 2) 32.729 147.266 163.629 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，未计试件梁和分配梁的自重。 三、 试验装置： 图1为本方案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，以便于在跨中形成纯弯段。并且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。 梁受弯性能试验中，采用三分点加载方案，取2200L mm =，100a mm =，700b mm =，600c mm =。 图2.a 为加载简图，此时千斤顶加力为P ，经过分配梁后，可视为两个大小为/2P 的集中荷载分别作用于图示位置。 图2.b 为荷载作用下的弯矩图。由此图可知，纯弯段的弯矩最大，0.35M P =. 图2.c 为荷载作用下的剪力图。 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1 梁受弯试验装置图
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊《混凝土结构基本原理》试验课程作业 L ENGINEERING 梁受剪试验（剪压破坏）试验报告 试验名称梁受剪试验（剪压破坏） 试验课教师林峰 姓名 学号 手机号 任课教师 日期2014年11月25日
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1. 试验目的 通过试验学习认识混凝土梁的受剪性能（剪压破坏），掌握混凝土梁的受剪性能试验的测试方法，巩固课堂知识，加深对于斜截面破坏的理解。 2. 试件设计 2.1 材料和试件尺寸 试件尺寸（矩形截面）：b×h×l＝120×200×1800mm； 混凝土强度等级：C20； 纵向受拉钢筋的种类：HRB335； 箍筋的种类：HPB235； 2.2 试件设计 （1）试件设计依据 根据剪跨比l和弯剪区箍筋配筋量的调整，可将试件设计为剪压、斜压和斜拉破坏，剪压破坏的l满足1≤l≤3。进行试件设计时，应保证梁受弯极限荷载的预估值比剪极限荷载预估值大。 （2）试件参数如表1 表1 试件参数 试件尺寸（矩形截面）120×200×1800mm 下部纵筋②218 上部纵筋③210 箍筋①φ6@150(2) 纵向钢筋混凝土保护层厚度15mm 配筋图见图1 加载位置距离支座400mm 12 3 图1 试件配筋图 （3）试件加载估算 ①受弯极限荷载 ) ( / 2 1 2 ' - ' ' = ' - = ' ' = s s y u s s s y y s s a h A f M A A A f f A A
┊ ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ M u u P 2.0 M= uM P=105.25kN ②受剪极限承载力 sv u tk0yk0 1.75 1 A V f bh f h s l =+ + uQ u 2 P V = 其中，当 1.5 l<时，取 1.5 l=，当3 l>时，取3 l=。 uQ P=65.98kN 可以发现 uQ P< uM P，所以试件会先发生受剪破坏。具体计算过程见附录一。 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。 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 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 1 2 1 1 1 1 ) 5.0 1( u u u c u s y c M M M bh f M A f bh f +' = - = = ξ ξ α ξ α
混凝土结构冻融破坏研究 桥梁与隧道工程1210 摘要：本文主要介绍了混凝土宏观和微观冻融的机理、混凝土构件冻融影响因素，通过对冻融破坏机理和影响因素分析，提出提高混凝土的抗冻性的对策 绪论 混凝土冻融破坏是由于混凝土中的游离水受冻结冰后体积膨胀，在混凝土内部产生应力，由于反复作用或内应力超过混凝土抵抗强度致使混凝土破坏。建筑材料的冻融行为，贯穿于人类社会的整个时代。也就是说，有了人类社会，就有了材料与结构的冻融行为。这对结构的维护和管理，无疑是一个很大的问题。在工业发展的过程中，对建筑材料的抗冻融抗除冰盐冻融的性能，进行了大量的摸索，建立了快速评价的经济方法。在此基础上又开展了混凝土冻融劣化、除冰盐冻融劣化机理研究。 混凝土冻融的机理 发生了宏观的应力 热膨胀系数不同 构成混凝土的水泥石和集料的热膨胀系数a T是很不同的,其在潮湿状态，水泥石和集料可能有不同点 表1-1 水泥石和集料的热膨胀系数 水泥石 集料 水泥石和冰的热膨胀不同而产生应力，在微小范围内，多次冻融循环进行过程中
有可能适应力进一步增长。水泥石和冰的不同热膨胀系数，清楚的显示出冻害劣化作用。通过扫描电镜检验，也证明了产生的应力使组织结构劣化。 层状的冻结 混凝土结构处于低温下，毛细管中的水分由热端向冷端迁移，也就是由内部向表面迁移。在受冻时混凝土表层先受冻，形成结冰层。在经过多次冻融循环下，混凝土表面发生剥离，又露出新的表面层，进一步剥离。这种部分的很大很深的剥落，是过去海水作用海岸钢筋混凝土结构物特有的一种冻融裂化形式。 温度急降的结果 除冰盐把雪和冰溶解时必须要有一定的热量。在混凝土道路上，在无风干燥的空气下也会有1000倍的蓄热量。故冰雪溶解时所需要的热量，混凝土表层温度急剧下降，从混凝土表面夺取热量，造成混凝土内部发生压应力和拉应力。微观劣化机理 水压 水的密度对温度来说，显示出一种特异的行为，水变成冰时，体积膨胀9%，也就是说，这时就必须排除相同体积的水。但是，在冰生成的周围都是饱和状态，没有适当缓和空间。按照powers的观点，发生了以水压力表征的内部压力。 当水压力超过了混凝土抗拉强度时就发生冻害。，水的压力大小，首先，被排除在周围没有膨胀的空间。因此，powers为了附加膨胀空间而掺入引气剂，而且气泡之间要有一定的距离，也就是气泡间隔系数。 水的压力还与受冻结水的量和冻融时冷却速度有关。在混凝土中有广泛深长的毛细管孔隙率与高的饱和度，冰形成速度高时，认为具有大的压力。但是试件中含水率91%以下时，也会导致劣化。对此powers认为，这是由于孔隙溶液最初在很大的孔隙中受冻的原因。然后冻结进一步进行，在比较小的孔隙中的溶液也开始受冻时，水的排除受到已有大孔隙中冰的阻碍。如果排除的水完全受到阻碍时，理论上认为发生的水压力是200N每平方毫米。 实际上发生的水压力非常小，因为冰的生成不是突然发生的，还有水泥石孔隙的水，并不是一次就完全冻结，而是处于不同温度下不同层次的冻结。即使如此，还必须考虑到特细毛细管受到前面已冻结冰的封堵，孔隙内还有液相存在，会再短的内压力可能达到峰值。
混凝土结构损伤的研究现状 一、混凝土结构的损伤机制及分类 混凝土是由粗骨料、细骨料和水泥浆组成的非均质混合物，其表现出来的力学性能并不仅仅是这几种材料性能的简单叠加，而是与其内部的组成结构紧密相关。这一特点决定了混凝土材料的非均质性和物理性态的复杂性。这使得混凝土在承受外载之前，由于干缩、泌水等原因，已存在大量的微孔隙和界面裂缝，且这些缺陷的分布完全是随机的。当混凝土受到外界作用以后，弥散在材料内部的微裂缝开始逐渐长大，并随着荷载的变化，在部分区域出现贯通，直至形成宏观大裂缝。混凝土的破坏是结合缝的产生、成核、扩展、分叉、和失稳的过程。 混凝土具有微观、细观、宏观等不同的层次结构，以往对于混凝土的研究大多基于宏观层次，把混凝土均匀化为宏观均质连续材料，不考虑混凝土内部的细观结构及其演化。这种均匀化的处理方法对于研究混凝土结构的宏观力学性能无疑是行之有效的，但是要想深入研究混凝土的工作机理还应从混凝土的细观组成结构入手，抓住材料非均质性的特点，揭示混凝土结构宏观表现的内在机制。现在通常先在细观层次建立了混凝土的数值模型，分析混凝土损伤破坏机理，并以此为基础在宏观层次提出了混凝土损伤断裂理论分析模型，通过宏、细观两个层次的相互联系与补充对混凝的破坏行为进行研究。 从细观角度看，混凝土材料的力学特性是由其内部的细观结构及其变化决定的。作为一种典型的非均质材料，混凝土在多种尺度下都表现出了非均质性。根据复合材料的观点，将混凝土结构分为三级。第一级，即混凝土。可将砂浆视为基相，骨料视为分散相。骨料和砂浆的结合面为薄弱面，该处常因各种原因产生结合缝。混凝土的破坏首先从这里开始。第二级，即砂浆」将水泥视为基相，砂视为分散相。砂和水泥的结合面也是薄弱面，也产生结合缝，但其尺寸笔砂浆和骨料之间的结合缝至少小一个量级。第三级，即硬_ 化水泥浆。硬化水泥浆也不是匀质材料，其中包裹着一些未被水化的水泥颗粒及孔隙，他- 们就是缺陷。因此可将硬化水泥浆胶体视为基相，将这些缺陷视为分散相。水泥浆体的破坏可能从这些缺陷开始，裂纹由于克服硬化水泥浆分子间的引力而扩展。未被水化的水泥颗粒尺寸通常比砂和水泥浆的结合缝至少小几个量级。 从损伤力学的观点来看，如果混凝土体受到外界因素的作用，则混凝土体中原有损伤将会有所发展并会导致出现新的损伤，当损伤积累到一定程度时，混凝土体中将会出现宏观裂缝，而宏观裂缝的端部又将会发生新的损伤及产生新的损伤区，再经积累而引起裂缝的扩展，直至混凝土体的破坏，由上可见，混凝土的破坏过程实际上是损伤、损伤积累、宏观裂纹出现、宏观裂纹扩展交织发生的过程。 二、混凝土结构的破坏机理 在上述损伤机制下，混凝土的裂纹扩展存在四个阶段： （1）预存微裂纹阶段。即在混凝土成形过程中，由于水泥浆硬化干缩，水分蒸发留下裂隙等原因，使构件中预存原始微裂纹。它们大都为界面裂纹，极少量为砂浆裂纹，这些裂纹是稳定的。这些裂纹的存在是混凝土具有初始损伤的原因之一。 （2）裂纹的起裂和稳定扩展阶段。在较低的工作应力下，构件内部的某些点会产生拉应力集中，致使相应的预存微裂纹延伸或扩展，应力集中则随之缓解，如果荷载不再增加，
混凝土破坏准则 三轴受力下的混凝土强度准则-------古典 1.混凝土破坏准则的定义：混凝土在空间坐标破坏曲面的规律。 2.混凝土破坏面一般可以用破坏面与偏平面相交的断面和破坏曲面的子午线来表现。 （偏平面是与静水压力轴垂直的平面，破坏曲面的子午线即静水压力轴和与破坏曲面成某一角度θ的一条线形成的平面） (b) （1）最大拉应力强度准则（rankine强度准则）古典模型 按照这个强度准则，混凝土材料中任一点的强度达到单轴抗拉强度ft时，混凝土即达到破坏。 σ1=ft，σ2=ft, σ3= ft. 将上面的条件代入三个主应力公式中得到： 当00≤θ≤600度，且有σ1≥σ2≥σ3时，破坏准则为σ1=ft.即： θ θ σ cos 3 2 3 cos 3 2 2 1 2 J I f J f t m t = - = - 可以得()0 3 3 2 , , 1 2 2 1 = - + =f I J J I t COS fθ θ 因为J I 2 12 , 3 = =ρ ξ所以0 3 cos 2 ) , , (= - + =f t fξ θ ρ θ ξ ρ
在pi 平面上有：0=ξ，所以03 cos 2=-f t θρ，故θρcos 23f t = （2）Tresca 强度准则 Tresca 提出当混凝土材料中一点应力到达最大剪应力的临界值K 时，混凝土材料即达到极限强度： K =---)2 1 ,21,21max( 1 33221σσσσσσ 他的强度准则中的破坏面与静水压力 I 1 ξ的大小没有关系，子午线是与ξ平行的平行 线，在偏平面是为一正六边形，破坏面在空间是与静水压力轴平行的正六边形凌柱体。 （3）von Mises 强度理论 他提出的理论与三个剪应力都有关 取： [] 2)(2)(2)(21 13322 1*-+*-+*-σσσσσσ=K 的形式 用应力不变量来表示为：03)( 22 =-=K f J J 注：von 的强度准则的破坏面在偏平面是为圆形，较tresca 强度准则的正六边形在有限元计算中处理棱角较简单，所以其在有限元中应有很广，但其强度与ξ没有关系，拉压破坏强度相等与混凝土的性能不符。 莫尔-库仑强度理论
第2卷 第1期 2010年3 月 V o.l 2 N o .1M ar .2010 基于ABAQUS 的混凝土梁受弯 破坏实验非线性分析 王 丽 邓思华 (北京建筑工程学院,北京 100044) =摘 要>本文采用ABAQU S 有限元分析软件对钢筋混凝土梁进行非线性分析,针对小梁试验中的一根简支梁进行有限元分析,采用混凝土损伤塑性模型,对比了试验分析与使用A B AQU S 分析的计算结果,探讨了结果产生差异的原因,为进一步进行A BAQU S 钢筋混凝土结构有限元分析提供了参考。=关键词>非线性仿真;钢筋混凝土梁;正截面破坏 =中图分类号>TU 375.1;TU 312+.3 =文献标志码>A =文章编号>1674-7461(2010)01-0064-04 =作者简介> 王丽,女,研究生,主要研究方向:结构工程。138********i amw ang li83@yahoo .com .cn 1 前言 随着有限元理论和计算机技术的不断发展,有限元分析软件的发展也日趋成熟,ABAQUS 作为其中一种大型通用有限元分析软件在科研工作和实际工程中的应用也越来越普遍,因为它不仅具备其它有限元分析软件的数值计算快、结果精度高以及分析成本低等优点,还具有更人性化的操作界面和可视化结果,尤其是运用于钢筋混凝土结构非线性分析中能得到更精确的、更贴合实际的结果 [1] 。 2 ABAQUS 钢筋混凝土非线性分析 钢筋混凝土结构非线性来源主要分为三类 [2] : 材料非线性、几何非线性、边界条件非线性。材料非线性是指钢筋和混凝土两种材料在结构受力分析过程中,不仅要考虑其弹性性能即线性阶段,也要考虑其塑性性能即非线性阶段。在ABAQUS 中是通过分别定义钢筋和混凝土的本构模型来实现其材料非线性的特性,弹性阶段须分别输入两种材料的弹性模量和泊松比;塑性阶段的定义则不同,钢筋只需输入其塑性阶段应力应变关系,而混凝土 塑性有三种模型可以选择[3] ,包括有Concrete Sm eared C rack i n g(弥散裂纹混凝土模型)、Concrete Da m aged Plastic ity (混凝土损伤塑性模型)以及 AB AQUS /Explicit 中的C racking m odel for concrete (混凝土裂缝模型),其中混凝土损伤塑性模型具有 一定的优越性,它可用于单项加载、循环加载以及动态加载等场合,且具有较好的收敛性,因此一般采用混凝土损伤塑性模型进行混凝土塑性定义。边界条件在分析过程中发生变化就会产生边界非线性问题,包括构件之间的接触也属于边界条件的定义范畴。其中钢筋与混凝土的摩擦接触在AB AQUS 中是通过Embedded 技术将钢筋单元埋入 混凝土单元中来实现的[4] 。 几何非线性发生在位移的大小影响到结构响应的情况下,只需要在STEP 选项中加入NLGEOM 参数即可,但一般静力非线性分析不需要选NL -GEOM 参数,以免造成冗繁的计算量。 3 钢筋混凝土简支梁分析实例 3.1 模型建立 该简支梁长1500mm,截面尺寸为180mm @100mm,混凝土强度等级为C25,纵筋和箍筋均采用 HPB235钢筋,具体情况见图1。建立AB AQUS 模型混凝土采用C3D8R 单元,钢筋采用T3D2单元,将钢筋埋入(Em bedded)混凝土单元中来模拟钢筋混凝土之间的粘结关系。为防止加载过程中梁上加载面及支座处出现应力集中,因此建模时在梁加载
SHANGHAI UNIVERSITY 结构非线性分析课程论文 UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS) 题 目:钢筋混凝土结构有限元分析及其断裂损伤理 论应用 学 院 土木工程系 专 业 建筑与土木工程 学 号 xxxxxxxx 学生姓名 xxx 指导教师 xx 日 期 2017.12.24
上海大学2017～2018学年冬季学期研究生课程考试 小论文 课程名称：结构非线性分析课程编号：18Z147004 论文题目:钢筋混凝土结构有限元分析及其断裂损伤理论应用 研究生姓名: xxx 学号: xxxxxxxx 论文评语: 成绩: 任课教师: xx 评阅日期:
目录 一混凝土损伤理论的研究背景 (1) 二国内外对混凝土损伤理论的研究现状 (2) 1）国外混凝土损伤理论研究现状 (2) 2）国内混凝土研究现状 (2) 三混凝土损伤理论研究中的问题和研究方法 (3) 1）试验条件相差较大时混凝土的本构关系将发生变化 (3) 2）复杂的多轴应力状态下的损伤理论 (3) 3）试验难度大 (3) 4）研究方法 (3) 四钢筋混凝土非线性损伤理论及有限元法 (4) 1）混凝土非线性本构模型 (4) 2）规范中的混凝土损伤理论 (5) ①混凝土单轴受压时的本构模型及dc的选取 (5) ②混凝土单轴受拉时的损伤理论 (6) 2）ABAQUS算例 (6) ①混凝土塑形损伤模型 (6) ②数值分析 (7) 五研究成果与创新 (8) 1)当今国际的研究成果 (8) 2)理论研究的新进展 (8) 3)在有限元中的应用 (8) 六研究混凝土损伤理论的意义和结论 (9) 1)社会意义 (9) 2)经济效益 (9) 3)结论 (9) 七展望 (9) 八建议 (10)
《混凝土结构设计原理》习题集 第1章 钢筋和混凝土的力学性能 一、判断题 1~5错；对；对；错；对； 6~13错；对；对；错；对；对;对；对； 二、单选题 1~5 DABCC 6~10 BDA AC 11~14 BCAA 三 、填空题 1、答案：长期 时间 2、答案：摩擦力 机械咬合作用 3、答案：横向变形的约束条件 加荷速度 4、答案：越低 较差 5、答案：抗压 变形 四、简答题 1．答： 有物理屈服点的钢筋，称为软钢，如热轧钢筋和冷拉钢筋；无物理屈服点的钢筋，称为硬钢，如钢丝、钢绞线及热处理钢筋。 软钢的应力应变曲线如图2-1所示，曲线可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和破坏阶段。 有明显流幅的钢筋有两个强度指标：一是屈服强度，这是钢筋混凝土构件设计时钢筋强度取值的依据，因为钢筋屈服后产生了较大的塑性变形，这将使构件变形和裂缝宽度大大增加以致无法使用，所以在设计中采用屈服强度y f 作为钢筋的强度极限。另一个强度指标是钢筋极限强度u f ，一般用作钢筋的实际破坏强度。 图2-1 软钢应力应变曲线 硬钢拉伸时的典型应力应变曲线如图2-2。钢筋应力达到比例极限点之前，应力应变按直线变化，钢筋具有明显的弹性性质，超过比例极限点以后，钢筋表现出越来越明显的塑性性质，但应力应变均持续增长，应力应变曲线上没有明显的屈服点。到达极限抗拉强度b 点后，同样由于钢筋的颈缩现象出现下降段，至钢筋被拉断。
设计中极限抗拉强度不能作为钢筋强度取值的依据，一般取残余应变为0.2%所对应的应力σ0.2作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为条件屈服强度。对于高强钢丝，条件屈服强度相当于极限抗拉强度0.85倍。对于热处理钢筋，则为0.9倍。为了简化运算，《混凝土结构设计规范》统一取σ0.2=0.85σb ，其中σb 为无明显流幅钢筋的极限抗拉强度。 图2-2硬钢拉伸试验的应力应变曲线 2．答： 目前我国用于钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的钢筋主要品种有钢筋、钢丝和钢绞线。根据轧制和加工工艺，钢筋可分为热轧钢筋、热处理钢筋和冷加工钢筋。 热轧钢筋分为热轧光面钢筋HPB235、热轧带肋钢筋HRB335、HRB400、余热处理钢筋RRB400（K 20MnSi ，符号，Ⅲ级）。热轧钢筋主要用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力普通钢筋。 3．答： 钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定采用：（1）普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋,也可采用HPB235级和RRB400级钢筋；（2）预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。 4．答： 混凝土标准立方体的抗压强度，我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）规定：边长为150mm 的标准立方体试件在标准条件（温度20±3℃，相对温度≥90%）下养护28天后，以标准试验方法(中心加载，加载速度为0.3～1.0N/mm 2/s)，试件上、下表面不涂润滑剂，连续加载直至试件破坏，测得混凝土抗压强度为混凝土标准立方体的抗压强度f ck ，单位N/mm 2。 A F f ck f ck ——混凝土立方体试件抗压强度； F ——试件破坏荷载； A ——试件承压面积。 5. 答： 我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）采用150mm×150mm×300mm 棱
适筋梁（延性） 适筋梁是指在生产实践中广泛应用的含有适量配筋的梁，它的破坏特点如前所述；钢筋首先进入屈服阶段，再继续增加荷载后，混凝土受压破坏，我们称这种破坏形式“适筋梁”。适筋梁的破坏不是突然发生的，破坏前裂缝与扰度有明显的增长，故适筋破坏属延性破坏，适筋梁的钢筋与混凝土均能充分发挥作用，且破坏前有明显的预兆，古正截面承载力计算是建立在适筋梁基础上的。 超筋梁（脆性） 如果在梁内放置的纵向受拉钢筋过多，在荷载作用下，受压混凝土边缘已达到弯曲受压的极限变形，而受拉钢筋的应力远小于屈服强度。此时混凝土已被压碎，不能再承担压力，虽然钢筋尚未屈服，但梁因不能继续承担弯矩而破坏，我们称此种破坏为超筋破坏。 超筋破坏是受拉钢筋未屈服，而混凝土是由于混凝土抗压强度，故破坏有一定的突然性，缺乏必要的预兆，具有脆性破坏的性质，梁的破坏是由于混凝土抗压强度的耗尽，钢筋强度没有得到充分利用，因此超筋梁的承载力与钢筋强度无关，仅取决与混凝土的抗压强度。因为它破坏时缺乏足够的预兆，设计时不允许出现 少筋梁 如在受拉区配置的钢筋过少，开始加荷时，拉力由受拉的钢筋与混凝土共同承担，当继续增加荷载至构件开裂时，裂缝截面混凝土所承担的拉力几乎全部转移给钢筋，使钢筋应力突然剧增。因此钢筋过少，其应力很快到达钢筋的屈服强度，甚至经过流富而进入强化阶段。此
时梁的裂缝开展很大，扰度也不小于，而且这种裂缝与扰度是不可恢复的。 基于上述，配筋率低于的梁称为少筋梁，这种梁一旦开裂，及标志这破坏，尽管开裂后仍保留一定的承载力实际上是不能利用的。少筋梁的强度取决于混凝土的抗拉强度，属于脆性破坏，因此是不安全的，故在建筑结构中不允许采用。
试验四“钢筋混凝土简支梁受弯破坏试验”实验大纲 （综合性、设计性试验） 一、试验目的 1．掌握制定结构构件试验方案的原则，设计简支梁受弯破坏试验的加荷方案和测试方案，并根据试验的设计要求选择试验测量仪器仪表。 2．观察钢筋混凝土受弯试件从开裂、受拉钢筋屈服、直至受压区混凝土被压碎这三个阶段的受力与破坏全过程，掌握适筋梁受弯破坏各个临界状态截面应力应变图形的特点。 3．能够按照国家规范要求，对使用荷载作用下受弯构件的强度、刚度以及裂缝宽度等进行正确评价。 三、试验要求
3．测试方案设计 ⑴ 根据简支梁的内力和变形特点，进行各方面的测点布置； ⑵根据量程和精度要求选择各种量测仪器仪表； 4．组织方案设计 四、试验报告 1． 简述该项试验的概况； 2． 绘制加荷方案示意图，测点布置图和加荷程序控制图。 3． 绘制在80% cr P 、y P 、u P 荷载时简支梁纯弯段某一截面混凝土应变分布图，并确定中和轴的位置。 3. 以任一应变测点记录为对象，绘制荷载-应变（P ε-）曲线，并结合试验现象加以分析。 4.绘制荷载-跨中挠度变形曲线，描述其特点，并结合试验现象及已有知识加以分析。 5. 结合试验现象，简要描述简支适筋梁受弯破坏三个阶段的主要特征。 七、思考题 1． 根据受弯构件正截面破坏试验的经验，试规划一根简支梁斜截面破坏的试验方案，包括载荷方案、测试方案及加载制度的设计。 2． 在试验过程中开裂荷载、屈服荷载及极限破坏荷载如何确定？ 制 定 者：龚安礼 指导教师：龚安礼、喻磊、郭昕 审定者：张兴虎 批准者：王泽军 结构与抗震实验室 制定日期：2005年12月30日
第26卷 第6期Vo l 126 No 16材 料 科 学 与 工 程 学 报Jo urnal o f Mater ials Science &Eng ineer ing 总第116期Dec.2008 文章编号:1673-2812(2008)06-0990-05 混凝土冻融循环破坏研究进展 张士萍,邓 敏,唐明述 (南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京 210016) =摘 要> 本文对目前混凝土冻融破坏研究新进展进行了全面综述,介绍了已有的关于冻融破坏机理的几种 假说,并且对静水压理论和渗透压理论的适用条件以及合理性提出了质疑。同时论述了孔结构、饱水度、含气量和环境条件对冻融破坏的影响,国内外冻融循环试验方法和判据以及预防冻融破坏的措施。 =关键词> 混凝土;冻融循环;机理 中图分类号:T U 528 文献标识码:A Advance in Research on Damagement of Concrete Due to Freeze -thaw Cycles ZHANG Sh -i ping,DENG Min,TANG Ming -shu (College of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,C hina) =Abstract > T he advance in research on damag ement o f co ncr ete caused by freeze -thaw cycles is reviewed.T he ex isting hy po theses fo r deter io ratio n of concrete due to fr eeze -thaw cycles is discussed,and ther e is do ubt on the applicability and ratio nalit y of hydraulic pressur e and osmo tic pressur e.T he effect o f pore st ruct ur e,w ater satur ation,air -entr aining and env iro nmental co nditions o n f reeze -thaw damag ement,the testing methods and cr iteria fo r fr eeze -thaw cycles and prev entiv e measures ar e also present ed. =Key words > concrete;f reeze -thaw cycles;mechanism 收稿日期:2007-11-14;修订日期:2008-03-03 作者简介:张士萍(1982-),女,江苏南京人,博士研究生,从事水泥混凝土耐久性方面的研究。E -m ail :zhang shipi ng1982@126.co m. 1 引 言 混凝土用于工程建设迄今已有150年左右的历史。人们对混凝土性能的改善和提高随着工程实践的增多和科学技术的发展而不断完善。随着时间的推移,人们认识到已建工程并非都是耐久的,远低于设计寿命、过早破坏的事例层出不穷。这些过早/衰老0的工程不仅需要耗用庞大的重建与维修费用,还会造成间接经济损失和安全隐患,专家们把这种现象称为/混凝土耐久性危机0,发达国家已经为此付出了巨大代价。 抗冻性是混凝土耐久性的最重要的指标之一。因此,工程界对提高混凝土抗冻性非常关心。混凝土的抗冻耐久性引起国内外众多学者的兴趣,不仅因为它是影响混凝土使用寿命与性能的一个非常重要的因素,同时也因为混凝土的冻害发生的范围极其广泛。我国地域辽阔,有相当大的地区处于严寒地带,不少水工建筑物出现了冻融破坏现象。寒冷地区的水工、港工、道路和桥梁等工程中的混凝土 结构物或构筑物在冻融循环作用下的冻融破坏是运行过程 中的主要病害[1]。但是,目前关于混凝土冻融破坏机理众说纷纭,高性能混凝土抗冻性试验结果也不一致。这使得在工程实践中对如何提高混凝土抗冻性,以及对掺粉煤灰混凝土在一些重要工程部位的应用是否适当等问题存在不同看法。 2 冻融破坏机理 混凝土的冻融破坏过程是比较复杂的物理变化过程。 一般认为,冻融破坏主要是因为在某一冻结温度下,水结冰产生体积膨胀,过冷水发生迁移,引起各种压力,当压力超过混凝土能承受的应力时,混凝土内部孔隙及微裂缝逐渐增大,扩展并互相连通,强度逐渐降低,造成混凝土破坏[2]。 目前提出的冻融破坏理论主要有静水压经典理论、渗透压理论、冰棱镜理论、基于过冷液体的静水压修正理论、饱水度理论等等[3-7]。但目前公认程度较高的,仍是由美国学者T.C.Po wer s 提出的膨胀压理论和渗透压理论,他认为
文章编号: 1005- 0930( 2012) 06-1051-012 d o i : 10． 3969 / j ． i ss n ． 1005-0930． 2012． 06． 011 中图分类号: T U 375． 1 文献标识码: A 钢筋混凝土梁受弯破坏机理 尺寸效应试验研究 周宏宇， 李振宝， 杜修力， 郭二伟 ( 北京工业大学建筑工程学院，北京 100124) 摘要: 针对尺寸效应特性对梁构件受弯破坏的影响机理，对不同截面尺寸简支梁 相似试件开展单调加载试验，测试构件在不同加载阶段的承载力、挠度和截面应 变等试验数据． 按不同加载阶段分析其力学性能的影响因素，并阐述其破坏机理 的尺寸效应． 试验分析表明，混凝土材料抗压特性在受弯构件力学性能中表现为 负面尺寸效应，这种负面尺寸效应对构件整体力学行为的影响并不显著． 相比之 下，内力臂和钢筋等因素对试件承载力和延性均产生显著的正面影响． 随截面尺 寸增大，受弯承载力和延性均呈增长趋势． 根据试件在不同尺度上表现出的显著 破坏特征和实测数据，推导相关计算参数随试件尺寸的关系，建立考虑尺寸效应 的极限承载力计算方程． 同时也验证了现有极限承载力计算理论的安全性． 关键 词:钢筋混凝土梁;抗弯性能;尺寸效应;试验研究;破坏机理 现阶段对钢筋混凝土结构的设计依据主要基于小尺寸构件试验结果，这与工程实际 使用的大构件存在差异． 目前，在实验室开展大体积的钢筋混凝土结构试验依然比较困 难，相关试验对加载设备性能、边界条件模拟等都不同于常规试验． 就钢筋混凝土梁正截 面承载性能而言，虽然部分结论认为梁受弯破坏由受拉纵筋屈服引起，尺寸效应对钢筋混 凝土梁受弯承载性能影响不显著［1-5］． 但相关结论大部分基于小尺寸试件试验结果，对大 尺 寸受弯构件承载性能尺寸效应的细致分析资料更为欠缺． 此外，受弯构件正截面承载性 能还受到构件层次尺寸效应的影响． 就尺寸效应而言，无论是混凝土材料的影响还是构件 因素发挥作用，在构件受力过程中，如何评价其影响程度，均需开展细致研究工作才能解 决． 因此，有必要开展对受弯构件正截面破坏机理尺寸效应的分析研究． 试验概况 依据钢筋混凝土结构设计原理［6-13］，试验试件采用简支梁，如图 1 所示，纯弯段 l 是 1 m 试验观察的主要区段，该区段只有弯矩 M 作用． 结合相似关系，共设计 5 组不同尺寸的简 收稿日期:2011- 08-01;修订日期:2011-12-05 基金项目:国家自然科学基金重点项目( 50838001) ; 北京工业大学青年科学研究创新平台项目( X1004012201001) ; 北
影响混凝土强度的主要因素 硬化后的混凝土在未受到外力作用之前，由于水泥水化造成的化学收缩和物理收缩引起砂浆体积的变化，在粗骨料与砂浆界面上产生了分布极不均匀的拉应力，从而导致界面上形成了许多微细的裂缝。另外，还因为混凝土成型后的泌水作用，某些上升的水分为粗骨料颗粒所阻止，因而聚集于粗骨料的下缘，混凝土硬化后就成为界面裂缝。当混凝土受力时，这些预存的界面裂缝会逐渐扩大、延长并汇合连通起来，形成可见的裂缝，致使混凝土结构丧失连续性而遭到完全破坏。强度试验也证实，正常配比的混凝土破坏主要是骨料与水泥石的粘结界面发生破坏。所以，混凝土的强度主要取决于水泥石强度及其与骨料的粘结强度。而粘结强度又与水泥强度等级、水灰比及骨料的性质有密切关系，此外混凝土的强度还受施工质量、养护条件及龄期的影响。 1）水灰比 水泥强度等级和水灰比是决定混凝土强度最主要的因素。也是决定性因素。 水泥是混凝土中的活性组成，在水灰比不变时，水泥强度等级愈高，则硬化水泥石的强度愈大，对骨料的胶结力就愈强，配制成的混凝土强度也就愈高。如常用的塑性混凝土，其水灰比均在0．4～0．8之间。当混凝土硬化后，多余的水分就残留在混凝土中或蒸发后形成气孔或通道，大大减小了混凝土抵抗荷载的有效断面，而且可能在孔隙周围引起应力集中。因此，在水泥强度等级相同的情况下，水灰比愈小，水泥石的强度愈高，与骨料粘结力愈大，混凝土强度也愈高。但是，如果水灰比过小，拌合物过于干稠，在一定的施工振捣条件下，混凝土不能被振捣密实，出现较多的蜂窝、孔洞，将导致混凝土强度严重下降。参见图３—１。 图３—１混凝土强度与水灰比的关系 a)强度与水灰比的关系 b)强度与灰水比的关系 2）骨料的影响 当骨料级配良好、砂率适当时，由于组成了坚强密实的骨架，有利于混凝土强度的提高。如果混凝土骨料中有害杂质较多，品质低，级配不好时，会降低混凝土的强度。 由于碎石表面粗糙有棱角，提高了骨料与水泥砂浆之间的机械啮合力和粘结力，所以在原材料、坍落度相同的条件下，用碎石拌制的混凝土比用卵石拌制的混凝土的强度要高。 骨料的强度影响混凝土的强度。一般骨料强度越高，所配制的混凝土强度越高，这在低水灰比和配制高强度混凝土时， 特别明显。骨料粒形以三维长度相等或相近的球形或立方体
模拟试题 一、??? 1.采用边长为100mm的非标准立方体试块做抗压试验时，其抗压强度换算系数为0.95。 2.钢材的含碳量越大，钢材的强度越高，因此在建筑结构选钢材时，应选用含碳量较高的钢筋。 3.在进行构件承载力计算时，荷载应取设计值。 4.活载的分项系数是不变的，永远取1.4。 5.承载能力极限状态和正常使用极限状态都应采用荷载设计值进行计算，这样偏于安全。 6.在偏心受压构件截面设计时，当时，可判别为大偏心受压。 7.配筋率低于最小配筋率的梁称为少筋梁，这种梁一旦开裂，即标志着破坏。尽管开裂后仍保留有一定的承载力，但梁已经发生严重的开裂下垂，这部分承载力实际上是不能利用的。 8.结构设计的适用性要求是结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性能。 9. 对于一类环境中，设计使用年限为100年的结构应尽可能使用非碱性骨料。 10.一些建筑物在有微小裂缝的情况下仍能正常使用，因此不必控制钢筋混凝土结构的小裂缝裂缝。 11.混凝土强度等级是由一组立方体试块抗压后的平均强度确定的。 12.对任何类型钢筋，其抗压强度设计值。 13.在进行构件变形和裂缝宽度验算时，荷载应取设计值。 14.以活载作用效应为主时，恒载的分项系数取1.35 。 15.结构的可靠指标越大，失效概率就越大，越小，失效概率就越小。
16.在偏心受压破坏时，随偏心距的增加，构件的受压承载力与受弯承载力都减少。 17.超筋梁的挠度曲线或曲率曲线没有明显的转折点。 18.结构在预定的使用年限内，应能承受正常施工、正常使用时可能出现的各种荷载、强迫变形、约束变形等作用，不考虑偶然荷载的作用。 19.对于一类环境，设计使用年限为100年的结构中混凝土的最大氯离子含量为0.06%。 20.钢筋混混凝土受弯、受剪以及受扭构件同样存在承载力上限和最小配筋率的要求。 21.钢筋经冷拉后，强度和塑性均可提高。 22.适筋破坏的特征是破坏始自于受拉钢筋的屈服，然后混凝土受压破坏。 23. 实际工程中没有真正的轴心受压构件. 24.正常使用条件下的钢筋混凝土梁处于梁工作的第?阶段。 25.梁剪弯段区段内，如果剪力的作用比较明显，将会出现弯剪斜裂缝。 26.小偏心受压破坏的的特点是，混凝土先被压碎，远端钢筋没有受拉屈服。 27.当计算最大裂缝宽度超过允许值不大时，可以通过增加保护层厚度的方法来解决。 28.结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的环境中在预定的使用年限内应有足够的耐久性。 29.对于一类环境中，设计使用年限为100年的钢筋混混凝土结构和预应力混凝土结构的最低混凝土强度等级分别为C10和C20. 30.对于钢筋混凝土结构，在掌握钢筋混凝土构件的性能、分析和设计，必须注意决定构件破坏特征及计算公式使用范围的某些配筋率的数量界限问题。 ?? ??????
钢筋混凝土受弯构件正截面的破坏机理截面形式：梁、板常用矩形，T形，Ⅰ形，槽形等。 下面以单筋矩形截面梁为例进行分析，其余截面形状梁可参考单筋矩形截面梁。单筋截面梁又分为适筋梁，超筋梁，少筋梁。 适筋梁正截面受弯承载力的实验： 一、实验装置 二、实验梁
三、弯矩-曲率图 适筋梁正截面受弯的全过程划分为三个阶段——未裂阶段、裂缝阶段、破坏阶段。 第一阶段：从加载开始至混凝土开裂瞬间，也叫整体工作阶段。 荷载很小时，弯矩很小，各纤维应变也小，混凝土基本处于弹性阶段，截面变形符合平截面假设。（垂直 于杆件轴线的各平截面（即杆的横截面）在杆件受拉伸、压缩或纯弯曲而变形后仍然为平面，并且同变形 后的杆件轴线垂直。根据这一假设，若杆件受拉伸或压缩，则各横截面只作平行移动，而且每个横截面的 移动可由一个移动量确定；若杆件受纯弯曲,则各横截面只作转动,而且每个横截面的转动可由两个转角确定。利用杆件微段的平衡条件和应力-应变关系，即可求出上述移动量和转角，进而可求出杆内的应变和应力。如果杆上不仅有力矩，而且还有剪力，则横截面在变形后不再为平面。但对于细长杆，剪力引起的变形远 小于弯曲变形，平截面假设近似可用。）荷载-挠度曲线（弯矩-曲率曲线）基本接近直线。拉力由钢筋和混凝土共同承担，变形相同，钢筋应力很小。受拉受压区混凝土均处于弹性工作阶段，应力、应变分布均为三角形。继续加载，弯矩增大，应变也随之增大。混凝土受拉边缘出现塑性变形，受拉应力图呈曲线，中性轴上移。继续加载，受拉区边缘混凝土达到极限
拉应变，即将开裂。 第二阶段：从混凝土开裂到受拉钢筋应力达到屈服强度，又称带裂工作阶段。 在弯矩作用下受拉区混凝土开裂，退出工作，开裂前混凝土承担的拉力转移到钢筋上，钢筋承担的应力突增，中性轴大幅度上移。随着荷载不断增大，裂缝越来越到，混凝土逐步退出工作，截面抗弯刚度降低，弯矩-曲率曲线有明显的转折。 荷载继续增加，钢筋拉应力、挠度变形不断增大，裂缝宽度也不断开展，受压区混凝土面积不断减小，应力和应变不断增加，受压区混凝土弹塑性特性表现得越来越显著，受压区应力图形逐渐呈曲线分布。当钢筋应力达到屈服强度时，梁的受力性能将发生质变。 正常工作的梁一般都处于第二阶段，该阶段的应力状态为正常使用阶段和裂缝宽度计算的依据。 第三阶段：从受拉筋屈服至受压区混凝土被压碎，又称为破坏阶段。
L ENGINEERING 《混凝土结构基本原理》试验课程作业 适筋梁受弯破坏试验设计方案 试验课教师黄庆华 姓名 学号 手机号 任课教师顾祥林 合作者
适筋梁受弯破坏试验设计方案 一、 试验目的： （1） 通过实践掌握试件的设计、实验结果整理的方法。 （2） 加深对混凝土基本构建受力性能的理解。 （3） 更直观的了解适筋梁受弯破坏形态及裂缝发展情况。 （4） 验证适筋梁破坏过程中的平截面假定。 （5） 对比实验值与计算理论值，从而更好地掌握设计的原理。 二、 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b ξ的比较可以判断出受弯构件的类型：当b ξξ≤时，为适筋梁；当b ξξ>时，为超筋梁。界限受压区相对高度 b ξ可按下式计算： b y s 0.8 10.0033f E ξ= + 在设计时，如果考虑配筋率，则需要确保1αρρξ≤=c b b y f f 其中在进行受弯试件梁设计时， y f 、s E 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，y f 、s E 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。 同时，为了防止出现少筋破坏，需要控制梁受拉钢筋配筋率ρ大于适筋构件的最小配筋率min ρ，其中min ρ可按下式计算： t min y 0.45 f f ρ= （2）试件的主要参数 ①试件尺寸（矩形截面）：b ×h ×l ＝180×250×2200mm ； ②混凝土强度等级：C35； ③纵向受拉钢筋的种类：HRB400； ④箍筋的种类：HPB300（纯弯段无箍筋）； ⑤纵向钢筋混凝土保护层厚度：25mm ； 综上所述，试件的配筋情况见图3和表1：