混凝土梁弯剪试验加载装置及试验梁设计

张 涛

(武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

1 引 言

土木工程专业是一门理论与实践密切结合的专业，很多专业知识都来源于试验结果的归纳和工程经验的总结。学生在课堂所学的专业知识将应用到工程实践中，其应用能力将在实践中得到提高，专业素养也在实践中得到培养。试验教学是高校教学体系的重要组成部分，在激发学生兴趣、夯实基础、强化实践及引导创新等方面有着理论教学无法替代的作用，对于学生的实践能力培养尤为重要[1-3]。

混凝土梁柱试验是土木工程专业基本试验教学内容之一。其中，混凝土梁的试验有钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力试验和钢筋混凝土梁斜截面抗剪试验。钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力试验分少筋梁、适筋梁和超筋梁的正截面抗弯承载力试验，钢筋混凝土梁斜截面抗剪试验有斜压破坏试验、剪压破坏试验和斜拉破坏试验[4,5]。

混凝土梁弯剪试验的试验工况较多，在试验中需要不断调整支座位置和加载点的位置，试验的布置和准备工作量大，试验准备需要花费很多的时间和精力。混凝土梁弯剪试验的加载可采用手动加载和自动加载两种方式。手动加载方式通过手摇千斤顶给试验梁加载，是以前教学中常用的加载方式，但是手动加载无法控制加载速率，加载荷载值有限且荷载稳定性较差。自动加载通过试验仪器自动给试验梁加载，加载速率可调可控、荷载值稳定，但是现有的常规单轴试验机仅能提供竖向一个加载点，混凝土梁的支撑需要再单独布置，梁的布置和试验准备比试验加载花费更多的时间，导致试验效率低下。

2 加载装置设计与制作

混凝土梁弯剪试验加载装置包含可调节分配梁和可调节型钢支座两部分。可调节分配梁由连接杆、分配梁和可调节加载头3部分组成；可调节型钢支座由可调节支座、型钢托梁、防倾覆支架和连接螺杆4部分组成，加载装置如图1所示。加载装置长2000mm，宽300mm，高900mm，重量约400kg。

1.连接杆 2.分配梁 3.可调节加载头 4.可调节支座 5.型钢托梁 6.防倾覆支架 7.连接螺杆

分配梁2内有T形滑道，可调节加载头3可拆卸和安装，也可沿分配梁2内的T形滑道移动，调整集中荷载的作用点数量和位置，快速实现不同跨度和不同试验剪跨比的梁的集中荷载作用点的调整。可调节支座4可在型钢托梁5上滑动并固定，以此来提供不同的支座间距，避免在试验中由于梁跨度或剪跨比变化而频繁调整支座。防倾覆支架6通过螺纹固定在型钢托梁5的两端，避免型钢拖梁和试验梁倾覆。试验加载过程中，防倾覆支架6需与地面脱离，加载装置可试验的最大梁长可达2.0m，分配梁可实现80mm～800mm的调节范围。

混凝土梁弯剪试验加载装置荷载的传递部分[6]主要包括分配梁2、可调节加载头3和可调节支座4，力传递过程如图2所示。

图2 力传递示意图

混凝土梁弯剪试验加载装置可与常规单轴试验机相结合，分配梁通过设置在顶部的连接杆1与单轴试验机的加载横梁相连，型钢托梁通过设置在底部的连接螺杆7固定在单轴试验机的底座上。此加载装置与试验机形成自平衡加载体系，整套体系实行一体化控制与操作，可大大减少混凝土梁弯剪试验中的安装工作量，提高试验效率和荷载施加的精度。

3 试验梁设计与制作

目前，国内高校土木工程专业试验教学中采用的混凝土试验梁均为自己设计和制作，根据自身试验条件设计适合的试验梁，没有统一的参考标准。梁的宽度通常取100mm、120mm、150mm、180mm、200mm、220mm及250mm，此后按50mm模数递增。梁高在200mm以上时，按50mm模数递增[7]。试验梁设计时，应能呈现混凝土梁典型的破坏形态，便于试验数据采集和试验现象观察，同时应兼顾制作和安装方便。因此，混凝土梁弯剪试验的试验梁应设计得尽量轻巧、尺寸尽量统一。

本文以《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)[8]为基础，设计了一组适用于混凝土梁弯剪试验的教学试验梁。试验梁长度统一为1.1m，矩形截面宽度为100mm，高度为150mm。通过调整试验梁内纵向受力钢筋和箍筋的配置，设计出用于正截面抗弯承载力试验的少筋梁、适筋梁和超筋梁。通过控制加载点位置，实现斜截面抗剪试验中斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏等不同的破坏形态。制作试验梁的混凝土强度等级为C30，纵向受力钢筋和箍筋采用的钢筋为HPB300钢筋，每根试验梁重量约43kg。

在界限情况下，考虑矩形截面上力的平衡条件：

α1fcbxb=fyAs

(1)

式中，ρb为界限配筋率；fc和fy分别为混凝土轴心抗压强度设计值和钢筋强度设计值；As为受拉区纵向受力钢筋面积；xb为界限受压区高度；b为矩形截面宽度；h0为截面有效高度，α1取1.0。

(2)

εcu=0.0033-(fcu,k-50)×10-5

(3)

式中，Es为钢筋的弹性模量；εcu为正截面的混凝土极限压应变，取值不大于0.0033；β1取0.8。

将式(2)、式(3)代入式(1)，得界限配筋率ρb为3.1%。

试验梁的设计参数见表1，试验梁的配筋示意图见图3。

(a)少筋梁配筋

表1 试验梁设计参数

注：(1)试验梁编号的第一个字母表示试验类型(W表示正截面抗弯承载力试验，J表示斜截面抗剪试验)。(2)1×d6表示配筋为1根直径为6mm的钢筋。(3)a为斜截面抗剪试验中集中荷载作用点至支座边缘的距离。

4 试验结果分析

采用本文设计的混凝土梁弯剪试验加载装置对设计的试验梁进行加载，图4所示为所有试验梁的荷载-位移关系曲线，图5所示为所有试验梁的破坏形态。可以看出：

(a)抗剪试验梁的荷载-位移曲线

(a)抗剪试验梁的破坏形态

(1)在斜截面抗剪试验中，斜压破坏时斜截面承载力最大，剪压破坏时斜截面承载力次之，斜拉破坏时斜截面承载力最小。荷载在达到顶峰后都会迅速下降，均呈现脆性破坏特点。3种斜截面破坏试验的破坏形态均比较典型。

(2)在正截面抗弯承载力试验中，超筋梁正截面抗弯承载力最大，适筋梁正截面抗弯承载力次之， 少筋梁的正截面抗弯承载力最小。少筋梁和超筋梁在荷载达到顶峰后迅速下降，呈现脆性破坏的特点；适筋梁在受压区混凝土被压碎时荷载达到顶峰，随后平缓下降，破坏时梁的跨中挠度较大，呈现延性破坏的特点。3种梁的破坏形态均比较典型。

5 结 论

本文设计了一套用于混凝土梁弯剪试验的加载装置，此加载装置与单轴试验机形成自平衡加载体系，实行一体化控制与操作，可大大减少试验中的安装工作量，提高试验效率和荷载施加的精度。此外，本文设计了一组可用于混凝土弯剪试验教学的试验梁。试验梁设计轻巧，尺寸统一，制作安装方便，试验中均表现出理想的破坏形态，取得良好的教学效果。