混凝土梁彎剪試驗(yàn)加載裝置及試驗(yàn)梁設(shè)計

張 濤

(武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

1 引 言

土木工程專業(yè)是一門理論與實(shí)踐密切結(jié)合的專業(yè)，很多專業(yè)知識都來源于試驗(yàn)結(jié)果的歸納和工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。學(xué)生在課堂所學(xué)的專業(yè)知識將應(yīng)用到工程實(shí)踐中，其應(yīng)用能力將在實(shí)踐中得到提高，專業(yè)素養(yǎng)也在實(shí)踐中得到培養(yǎng)。試驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)體系的重要組成部分，在激發(fā)學(xué)生興趣、夯實(shí)基礎(chǔ)、強(qiáng)化實(shí)踐及引導(dǎo)創(chuàng)新等方面有著理論教學(xué)無法替代的作用，對于學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)尤為重要[1-3]。

混凝土梁柱試驗(yàn)是土木工程專業(yè)基本試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之一。其中，混凝土梁的試驗(yàn)有鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗(yàn)和鋼筋混凝土梁斜截面抗剪試驗(yàn)。鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗(yàn)分少筋梁、適筋梁和超筋梁的正截面抗彎承載力試驗(yàn)，鋼筋混凝土梁斜截面抗剪試驗(yàn)有斜壓破壞試驗(yàn)、剪壓破壞試驗(yàn)和斜拉破壞試驗(yàn)[4,5]。

混凝土梁彎剪試驗(yàn)的試驗(yàn)工況較多，在試驗(yàn)中需要不斷調(diào)整支座位置和加載點(diǎn)的位置，試驗(yàn)的布置和準(zhǔn)備工作量大，試驗(yàn)準(zhǔn)備需要花費(fèi)很多的時間和精力?；炷亮簭澕粼囼?yàn)的加載可采用手動加載和自動加載兩種方式。手動加載方式通過手搖千斤頂給試驗(yàn)梁加載，是以前教學(xué)中常用的加載方式，但是手動加載無法控制加載速率，加載荷載值有限且荷載穩(wěn)定性較差。自動加載通過試驗(yàn)儀器自動給試驗(yàn)梁加載，加載速率可調(diào)可控、荷載值穩(wěn)定，但是現(xiàn)有的常規(guī)單軸試驗(yàn)機(jī)僅能提供豎向一個加載點(diǎn)，混凝土梁的支撐需要再單獨(dú)布置，梁的布置和試驗(yàn)準(zhǔn)備比試驗(yàn)加載花費(fèi)更多的時間，導(dǎo)致試驗(yàn)效率低下。

2 加載裝置設(shè)計與制作

混凝土梁彎剪試驗(yàn)加載裝置包含可調(diào)節(jié)分配梁和可調(diào)節(jié)型鋼支座兩部分?？烧{(diào)節(jié)分配梁由連接桿、分配梁和可調(diào)節(jié)加載頭3部分組成；可調(diào)節(jié)型鋼支座由可調(diào)節(jié)支座、型鋼托梁、防傾覆支架和連接螺桿4部分組成，加載裝置如圖1所示。加載裝置長2000mm，寬300mm，高900mm，重量約400kg。

1.連接桿 2.分配梁 3.可調(diào)節(jié)加載頭 4.可調(diào)節(jié)支座 5.型鋼托梁 6.防傾覆支架 7.連接螺桿

分配梁2內(nèi)有T形滑道，可調(diào)節(jié)加載頭3可拆卸和安裝，也可沿分配梁2內(nèi)的T形滑道移動，調(diào)整集中荷載的作用點(diǎn)數(shù)量和位置，快速實(shí)現(xiàn)不同跨度和不同試驗(yàn)剪跨比的梁的集中荷載作用點(diǎn)的調(diào)整?？烧{(diào)節(jié)支座4可在型鋼托梁5上滑動并固定，以此來提供不同的支座間距，避免在試驗(yàn)中由于梁跨度或剪跨比變化而頻繁調(diào)整支座。防傾覆支架6通過螺紋固定在型鋼托梁5的兩端，避免型鋼拖梁和試驗(yàn)梁傾覆。試驗(yàn)加載過程中，防傾覆支架6需與地面脫離，加載裝置可試驗(yàn)的最大梁長可達(dá)2.0m，分配梁可實(shí)現(xiàn)80mm～800mm的調(diào)節(jié)范圍。

混凝土梁彎剪試驗(yàn)加載裝置荷載的傳遞部分[6]主要包括分配梁2、可調(diào)節(jié)加載頭3和可調(diào)節(jié)支座4，力傳遞過程如圖2所示。

圖2 力傳遞示意圖

混凝土梁彎剪試驗(yàn)加載裝置可與常規(guī)單軸試驗(yàn)機(jī)相結(jié)合，分配梁通過設(shè)置在頂部的連接桿1與單軸試驗(yàn)機(jī)的加載橫梁相連，型鋼托梁通過設(shè)置在底部的連接螺桿7固定在單軸試驗(yàn)機(jī)的底座上。此加載裝置與試驗(yàn)機(jī)形成自平衡加載體系，整套體系實(shí)行一體化控制與操作，可大大減少混凝土梁彎剪試驗(yàn)中的安裝工作量，提高試驗(yàn)效率和荷載施加的精度。

3 試驗(yàn)梁設(shè)計與制作

目前，國內(nèi)高校土木工程專業(yè)試驗(yàn)教學(xué)中采用的混凝土試驗(yàn)梁均為自己設(shè)計和制作，根據(jù)自身試驗(yàn)條件設(shè)計適合的試驗(yàn)梁，沒有統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)。梁的寬度通常取100mm、120mm、150mm、180mm、200mm、220mm及250mm，此后按50mm模數(shù)遞增。梁高在200mm以上時，按50mm模數(shù)遞增[7]。試驗(yàn)梁設(shè)計時，應(yīng)能呈現(xiàn)混凝土梁典型的破壞形態(tài)，便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)現(xiàn)象觀察，同時應(yīng)兼顧制作和安裝方便。因此，混凝土梁彎剪試驗(yàn)的試驗(yàn)梁應(yīng)設(shè)計得盡量輕巧、尺寸盡量統(tǒng)一。

本文以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010)[8]為基礎(chǔ)，設(shè)計了一組適用于混凝土梁彎剪試驗(yàn)的教學(xué)試驗(yàn)梁。試驗(yàn)梁長度統(tǒng)一為1.1m，矩形截面寬度為100mm，高度為150mm。通過調(diào)整試驗(yàn)梁內(nèi)縱向受力鋼筋和箍筋的配置，設(shè)計出用于正截面抗彎承載力試驗(yàn)的少筋梁、適筋梁和超筋梁。通過控制加載點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)斜截面抗剪試驗(yàn)中斜壓破壞、剪壓破壞和斜拉破壞等不同的破壞形態(tài)。制作試驗(yàn)梁的混凝土強(qiáng)度等級為C30，縱向受力鋼筋和箍筋采用的鋼筋為HPB300鋼筋，每根試驗(yàn)梁重量約43kg。

在界限情況下，考慮矩形截面上力的平衡條件：

α1fcbxb=fyAs

(1)

式中，ρb為界限配筋率；fc和fy分別為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值和鋼筋強(qiáng)度設(shè)計值；As為受拉區(qū)縱向受力鋼筋面積；xb為界限受壓區(qū)高度；b為矩形截面寬度；h0為截面有效高度，α1取1.0。

(2)

εcu=0.0033-(fcu,k-50)×10-5

(3)

式中，Es為鋼筋的彈性模量；εcu為正截面的混凝土極限壓應(yīng)變，取值不大于0.0033；β1取0.8。

將式(2)、式(3)代入式(1)，得界限配筋率ρb為3.1%。

試驗(yàn)梁的設(shè)計參數(shù)見表1，試驗(yàn)梁的配筋示意圖見圖3。

(a)少筋梁配筋

表1 試驗(yàn)梁設(shè)計參數(shù)

注：(1)試驗(yàn)梁編號的第一個字母表示試驗(yàn)類型(W表示正截面抗彎承載力試驗(yàn)，J表示斜截面抗剪試驗(yàn))。(2)1×d6表示配筋為1根直徑為6mm的鋼筋。(3)a為斜截面抗剪試驗(yàn)中集中荷載作用點(diǎn)至支座邊緣的距離。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用本文設(shè)計的混凝土梁彎剪試驗(yàn)加載裝置對設(shè)計的試驗(yàn)梁進(jìn)行加載，圖4所示為所有試驗(yàn)梁的荷載-位移關(guān)系曲線，圖5所示為所有試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)。可以看出：

(a)抗剪試驗(yàn)梁的荷載-位移曲線

(a)抗剪試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)

(1)在斜截面抗剪試驗(yàn)中，斜壓破壞時斜截面承載力最大，剪壓破壞時斜截面承載力次之，斜拉破壞時斜截面承載力最小。荷載在達(dá)到頂峰后都會迅速下降，均呈現(xiàn)脆性破壞特點(diǎn)。3種斜截面破壞試驗(yàn)的破壞形態(tài)均比較典型。

(2)在正截面抗彎承載力試驗(yàn)中，超筋梁正截面抗彎承載力最大，適筋梁正截面抗彎承載力次之， 少筋梁的正截面抗彎承載力最小。少筋梁和超筋梁在荷載達(dá)到頂峰后迅速下降，呈現(xiàn)脆性破壞的特點(diǎn)；適筋梁在受壓區(qū)混凝土被壓碎時荷載達(dá)到頂峰，隨后平緩下降，破壞時梁的跨中撓度較大，呈現(xiàn)延性破壞的特點(diǎn)。3種梁的破壞形態(tài)均比較典型。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一套用于混凝土梁彎剪試驗(yàn)的加載裝置，此加載裝置與單軸試驗(yàn)機(jī)形成自平衡加載體系，實(shí)行一體化控制與操作，可大大減少試驗(yàn)中的安裝工作量，提高試驗(yàn)效率和荷載施加的精度。此外，本文設(shè)計了一組可用于混凝土彎剪試驗(yàn)教學(xué)的試驗(yàn)梁。試驗(yàn)梁設(shè)計輕巧，尺寸統(tǒng)一，制作安裝方便，試驗(yàn)中均表現(xiàn)出理想的破壞形態(tài)，取得良好的教學(xué)效果。