东南大学工程结构设计原理实验指导书课案

土木工程基础实验（四）工程结构设计原理

实验指导书

东南大学土木工程实验中心

2016年3月

东南大学学生实验守则

(1999年5月12日)

第一条学生必须按时到指定实验室做实验，不得迟到。

第二条实验前，学生必须预习实验指导书规定的有关内容。实验时，经指导教师检查认可后，才能开始做实验准备。

第三条学生应独立完成实验准备工作。在启动设备之前，需经指导教师检查认可。

第四条实验时，要严肃认真，正确操作，仔细观察，真实记录实验数据的结果。不许喧闹谈笑，不做与实验无关的事，不动与实验无关的设备，不进入与实验无关的场所。

第五条实验中要注意安全，遵守《实验室安全规则》及有关的操作规程。

第六条仪器设备发生不正常现象时，应及时报告指导教师。发生人身安全事故时，应立即切断相应的电源、气源等，并听从指导教师的指导，要沉着冷静，不要惊慌失措。

第七条实验中，如发现仪器设备损坏，应及时报告，查明原因。凡属违反操作规程导致设备损坏的，要追究责任，照章赔偿。

第八条实验结束时，实验数据要指导教师审阅、签字，并整理好实验现场后，方可离去。

第九条学生要进入开放实验室做自行设计的实验时，应事先和有关实验室联系，报告自己的实验目的、内容和所需实验仪器，经同意后，在实验室安排的时间内进行。

第十条学生因某项实验不合格需重做者，或未按规定时间做实验而要补做者，必须交纳实验仪器设备折旧费、实验器材和水电消耗费。

第十一条本守则学校授权教务处实验室与设备管理科负责解释。

[校办通知(1999)6号]

实验一 在短期荷载下单筋矩形截面梁

正截面受弯承载力实验

一、实验目的

1、通过少筋梁、适筋梁和超筋梁的实验，认真观察梁的两种破坏性质(延性、脆性)以及三种破坏形态。

2、加深对受弯构件正截面三个工作阶段的认识，并验证正截面受弯承载力计算公式。

二、实验内容和要求

少筋梁和超筋梁为演示实验。先进行演示实验，然后分组做适筋梁实验。 1.观察少筋梁和超筋梁的破坏性质以及破坏形态。

2. 观察梁在纯弯区段的裂缝出现和开展过程，并记录抗裂荷载0cr P (0cr M )

3.量测适筋梁在各级荷载下的跨中挠度值。绘制梁跨度中点弯矩—挠度的（M —f ）图。

4.量测适筋梁在纯弯区段沿截面高度的平均应变，绘制沿截面高度的应变分布图。

5.观察和描绘梁的破坏情况和特征，记下破坏荷载0u P (0u M )。验证梁承

载力计算公式，并对实验值和理论值进行比较。

三、试件和材料力学性能实验

1.试件

实验梁的混凝土强度等级为C25，试件尺寸和配筋如图l 所示。主筋净保护层为20mm 。Ⅰ、Ⅱ级钢筋分别为HPB300、HRB400。

2、材料力学性能实验

（1）混凝土：混凝土立方体抗压强度0cu f ；

（2）钢筋：Ⅰ、Ⅱ级钢筋屈服强度0y f 。

（由于实验课内时间的限制，这项工作由老师在实验前完成）

四、实验方案

1.实验设备

反力架、千斤顶或压力机，百分表、手持式应变仪、静态应变采集仪、读数放大镜，裂缝读数仪等。

2.加载方案和仪表布臵

这次实验分三组，每组十二人左右，均进行适筋梁实验。实验在反力架装臵或静力台座上进行。

（1）用反力架和分配梁通过液压千斤顶进行二点同步加荷，或在压力机上

使用试验机台座进行二点直接加荷；

（2）用手持式应变仪测量混凝土变形，静态应变采集仪测量钢筋应力应变。 （3）用读数放大镜，裂缝读数仪测量裂缝宽度； （4）用百分表测读挠度。 （5）加荷仪表布臵如图2所示。

4.实验方法 (1)加荷程序

在实验准备阶段，先根据材料力学性能结果，估算实验梁的开裂荷载cr P 和破坏荷载u P 。在实验前，用卷尺或钢尺量取实验梁的实际尺寸。

正式加荷。梁开裂前,每级荷载为预估开裂荷载cr P 的三分之一。如加至开裂荷载cr P ，尚未开裂，再略加荷载，直至出现裂缝。

开裂以后，每级荷载为预估破坏荷载u P 的10%。在临近破坏时（约为破坏荷载的80%），可适当减小加荷量（如每级由10%降至5%），直至破坏。

（2）仪表测读

①在未加荷载前,测读百分表及手持式应变仪的初读数(各两次)，用放大镜检查有无初始干缩裂缝。

②每次加荷后，达到加荷值稳定后，持续5分钟后，测读百分表的读数。 ③每两次加荷后，测读手持应变仪。可以在荷载值稳定后立即测读。 ④梁开裂时，应立即测读荷载值和裂缝宽度（裂缝宽度在受拉钢筋的中

图 2 正截面受弯承载力

30

50

a c

铜头位置

心线位臵读取）。裂缝出现后，每次加荷后，都应测读裂缝宽度（可以在荷载值稳定后立即测读）。

⑤实验梁破坏时，应立刻测读破坏荷载0u P (0

u M )。破坏时及破坏后，应详

细观察梁的破坏特征。

五、注意事项

明确实验目的、要求，熟悉每一步骤及有关注意事项，仔细观察，严肃认真。如有不清楚的地方，可以进行研究、讨论或询问指导人员。

实验时一定要听从指挥，注意安全，严防出现不安全因素。

实验二 钢筋混凝土受弯构件斜截面受剪承载力实验

一、实验目的

通过受弯构件斜截面受剪斜压破坏、斜拉破坏的演示实验以及斜截面剪压破坏实验。

1.加深认识剪压破坏、斜压破坏、斜拉破坏等三种剪切破坏类型的主要破坏特征，以及产生这三种破坏特征的机理。

2.正确区分斜裂缝和垂直裂缝，弯剪斜裂缝和腹剪斜裂缝，加深了解二种裂缝的形成原因和裂缝开展的特点。

3.加深了解箍筋在斜截面受剪中的作用。 4．验证斜截面受剪承载力计算方法。

二、实验内容和要求

1. 仔细观察斜压破坏、斜拉破坏二种剪切破坏类型的演示实验，然后分为三组，每组均做剪压破坏实验。

2.量测实验梁的跨中挠度；

3.量测斜裂缝出现前后箍筋的应变；

4.仔细观察裂缝的出现和开展过程，特别注意观察剪跨段内斜裂缝的出现和开展的过程。斜裂缝出现后，用铅笔在裂缝旁边描出裂缝走向，按出现先后顺序编号并且在裂缝顶端注明相应的荷载值。待实验梁破坏后再绘制裂缝分布图和破坏形态图。

5.记录斜截面受剪破坏荷载0u V ，并与斜截面受剪破坏荷载的理论值u V 进行

比较。

6.在实验过程中，根据实验目的、内容和要求，认真做好记录。

三、试件和材料力学性能实验

1、试件

实验梁混凝土强度等级为C25，试件尺寸和配筋如图3所示，主筋保护层为20mm。Ⅰ、Ⅱ级钢筋分别为HPB300、HRB400。

2、材料力学性能试验（由于时间限制，这项工作在实验前由老师完成。）（1）混凝土：混凝土立方体抗压强度0

f；

cu

f。

（2）钢筋：箍筋的抗拉屈服强度0

yv

四、实验方法

根据实验梁斜截面受剪承载力大小，确定加载装臵和加载方式。均加载采用反力架、千斤顶加载系统。如图4所示。

1.实验梁安装

本次的实验梁和支座的连接为简支。实验梁两端搁臵在专门设计的静力台座上，粱的一端可自由转动，而另一端既可自由转动，又可水平移动。实验梁就位后，应保证几何尺寸位臵的准确。

2.测点布臵

根据实验目的和要求，测点布臵如图5所示。

a a

P P

图 5 斜截面受剪试验梁测点布置图

注：百分表Φl、Φ2—量测实验梁支座沉降

Φ3—量测实验粱跨中挠度

1、2、3、4为电阻片，量测实验梁箍筋应变

3.实验仪器和设备

（1）320kN带压力表的千斤顶用于加荷（或普通千斤顶与力传感器）；

（2）TST3822型静态应变采集仪测量箍筋应变；

（3）百分表，用于量测挠度；

（4）读数放大镜观察裂缝。

4.加荷方法

在实验准备阶段，先估算实验梁的破坏荷载

P。在实验前，用钢卷尺或

u

钢尺量取实验梁的实际尺寸。

①采取分级加荷，每级荷载值预估破坏荷载

P的10%。每次加载后，荷载

u

持续稳定5分钟，再按实验内容和要求量测数据，并且认真记录，数据校核无误后方可进行下一级加荷。

②当加载超过80％的破坏荷载后，撤除仪表。梁破坏时测读破坏荷载

P，

u

同时观察梁的破坏特征。

5.安全措施

在实验过程中，要服从统一指挥．随时注意观察加载装臵和仪表运转是否正常，如发现偏差过大，应立即停止试验，待纠正后再继续加载．试件接近破坏、时，应在试件下面安装安全支承，避免测试人员及仪表遭受不必要的损失，当加载超过80％的破坏荷载后，应将易损仪表拆除。

6.人员分工

加载1人，读百分表3人、挠度记录1人，操作电阻应变仪1人、应变记录1人，寻找裂缝并量测裂缝宽度1～3人；负责安全兼计时1人，总协调1人。

五、注意事项

1.进入试验室后，要服从担任本次实验指导教师的统一指挥，认真完成本次实验所要求的内容，注意分工协作。

2.注意安全，尤其是加载阶段后期。

实验三 矩形截面对称配筋偏心受压短柱正载面承载力实验

一、实验目的

验证钢筋混凝土偏心受压构件正截面的受力特点和两种破坏形态以及破坏特征；验证承载力计算公式；观察偏心受压构件的变形和裂缝发展过程。

二、实验内容和要求

每班分二组，一组做大偏心受压破坏(又称受拉破坏)试验，另一组做小偏心受压破坏(又称受压破坏)试验。本组实验结束后观察另一组的试验结果（主要是破坏形态）。

1.量测纵向受力钢筋's A ，s A 的应变，分析其应力变化情况。

2.观察裂缝出现和裂缝开展过程，记录抗裂荷载。

3.量测柱跨中区段的混凝土变形，分析中和轴位臵变化，验证平截面假定。

4.测量构件挠度值，并画出挠度图。

5.观察短柱的破坏情况，记录正截面破坏荷载值。计算偏心受压构件正截面

承载力的理论值u N 并且与实验值0u N 进行比较。

三、试件和材料力学性能实验

1.试件：混凝土强度等级为C25，主筋保护层为20mm 。尺寸及配筋如图6所示。

2.材料力学性能实验

图 7 偏心受压试件在压力试验机上布置示意图1、试件；2、刀口；3、垫板；4、试验机下压板；；5试验机上压板；6、调节试验机压板的弹簧

（1）混凝土：混凝土立方体强度0

cu

f。

（2）钢筋：纵向受力钢筋的屈服强度0

y

f。

（由于时间限制，这项工作在试验前由老师完成）

四、实验方法

1.实验设备和仪器布臵

（1）用2000kN压力试验机或5000kN压力试验机加荷(见图7)。

（2）用百分表观测挠度。

（3）用TST3822静态应变采集仪测量钢筋应力。

（4）用手持式引伸仪测定截面应变。

测点及仪表布臵如图8、9所示。

2.实验步骤和人员分工

1）实验准备

(1)试件设计，制作以及混凝土和钢筋力学性能试验。

(2)用石灰水（或涂料）刷白试件，并在试件上面画出必要的尺寸线如各截面中心线。测点位臵线，偏心荷载加荷点等。

（限于时间，这两项工作已由教师完成）

2）实验步骤

(1)安装试件

试件在压力机上就位时，要求试件垂直、稳定、荷载加荷点的位臵正确、接触良好，并要做到试件为偏心受力点对准试验机上下承压板的中心，以保护试验机。

(2)安装仪表并检查(见仪表布臵图)

Ⅱ

Ⅱ-Ⅱ

电阻应变片

Ⅲ-Ⅲ

手持应变仪脚标

(3)预载

在正式加压力实验前，应进行预加载，对已就位的试件施加少量的压力(相当于一级荷载值)以检查各仪表的工作情况以及测读人员的读数和操作能力。试件传力接触点均应完全接触，若发现异常，立即报告解决；一切正常，方可开始实验。

(4)正式实验

在实验准备阶段，先估算实验试件的开裂荷载cr N 和破坏荷载u N 。在实验前，用钢卷尺或钢尺量取实验梁的实际尺寸。

测读初读数2次，然后逐级施加荷载。每级加荷后，应持荷五分钟，测读各仪表读数。临近开裂时，荷载减半，直至开裂，记下开裂荷载；开裂后，逐级加荷，直至破坏，记下破坏荷载。

每级加荷值一般取10％的破坏荷载u N 。每次加载后持续稳定5分钟后，按实验内容和要求量测数据，并认真做好记录，数据校核无误后，方可进行下一级加载。

3）人员分工 操作试验机 2人 静态应变采集仪

2人 测读手持式引伸仪（应变仪） 2人 测读百分表 2人 观察裂缝 2人 安全兼计时 1人 实验组织协调 1人

4）记录表格 见实验报告。

五、注意事项

1.注意安全。为防止出现意外，试件要有保护措施，如用绳子捆住，用木楔

垫好等等。实验时，读好数据后，人员应远离试件，尤其是临近破坏荷载时。

2.服从命令，听指挥，并保持安静。读数口令由指挥人员统一下达，服从指挥，如有问题应立即报告。

3.实验研究工作，是个实践性很强，责任心更强的工作，一定要有实事求是的精神，数据要认真细致的测读，不能错读，大家分工协作，互相校对。

实验四在轴心受压荷载作用下钢结构柱整体压杆稳定实验

一、实验目的

1.通过环形截面钢柱的轴心受压试验，加深认识受压杆件由于受长细比影响，通常由整体稳定控制其承载力。

2.验证轴心受压钢柱整体稳定承载力计算公式。

二、实验内容和要求

1.量测在各级荷载下的钢柱中间断面的应力—应变值；

2.量测在各级荷载下钢柱中间挠度值；

3.观察钢柱由于弯曲失稳而丧失承载力的过程和特征：

4.记下钢柱失稳破坏荷载，并将试验值与理论值进行比较。

三、试件与原材料力学性能实验

1.采用圆形无缝钢管制作，直径为60mm，壁厚为

2.5mm，总高度为1500/1800mm，如图10所示。（其他规格尺寸的试件，以实验前指导老师公布的尺寸、材料力学性能为准）

2.钢材为Q235BF。

3.设计整体失稳承载力为110—135kN范围内。

四、实验方法与步骤

1.加载设备；

1)5000kN或2000kN压力试验机，直接加载实验。也可以用钢结构反力架、320kN油压千斤顶加载。

2)应变片、电阻应变仪测量钢柱中间应力—应变值。

3)百分表或位移计测量钢柱中间挠度。

2.实验方法与实验步骤

1)试件安装：严格几何对中，试件初弯曲，初偏心不大于3mm；

2)分级加载：按设计承载力的10%为一级，加至80%时，减至5%为一级加荷；

3)每级荷载下测量其杆件中间挠度和应力—应变值；

4)观察压杆整体失稳过程，记录失稳荷载。

五、实验结果与实验数据分析

六、实验注意事项

1.认真阅读实验指导书及相关参考资料，明确本次实验的目的和要求。熟悉加载装臵和试件安装方法，了解实验方法和测试内容。

2.认真听实验指导老师讲解，在老师指导下完成每一个实验步骤，服从指挥，注意安全。

实验五砌体结构在短期荷载下的抗压强度实验

一、实验目的

通过标准砌体试件的力学性能试验，了解砌体结构的抗压性能以及破坏形态。

二、实验内容和要求

1．观察砌体试件在均匀受压状态下的裂缝产生及发展过程，并记下开裂荷载。

2．量测试件在各级荷载作用下的轴向变形和横向变形。绘制应力与轴向变形的关系曲线。

3．计算弹性模量和泊松比。

4．观察和描绘试件的破坏情况和特征，计算抗压强度，并与理论值进行比较。

三、试件和实验方法

1、试件制作

本次试验制作的标准砌体试件尺寸为：240mm×370mm×720mm。同时制作一组砂浆试件，以测试砂浆强度（M5）；采用普通烧结砖，外形尺寸为240mm×115mm ×53mm（Mu10）。试件在室内制作，自然养护28天。

砌体抗压试件砌筑在带吊钩的10mm厚刚性垫板上，试件的顶部采用厚度为10mm的1：3水泥砂浆找平，可用水平尺检查平整度。

2、试验前准备

①外观检查，并作记录。

②在试件四个侧面上，画出竖向中线。

③在试件高度的1/4、1/2和3/4处。分别测量试件的宽度和厚度，测量精确到1mm，测量结果取平均值。试件的高度以垫板的顶面为基准，量至找平层的顶面。

④将试件臵于试验机的下压板上，上面垫平，让试件四个侧面的竖向中线对准试验机上、下压板的轴线。

⑤在试件宽侧面的竖向中线上，粘贴铜头，测点间距为1/3高且为一个块体厚度加一条缝厚的倍数，取250mm。

⑥ 横向变形的测量，在宽侧面的水平中线上粘贴铜头，测点与试件边缘的距离不应小于50mm ，取250mm 。

⑦ 施加预估破坏荷载的5%时，检查仪表灵敏性和牢固性。

⑧ 物理对中，分级加荷，在预估破坏荷载值的5%～20％区间内，反复预压3～5次。两个宽侧面轴向变形值的相对误差不应超过10％，超过时，重新调整试件。

四、 实验步骤

③ 预压后，卸荷至0，读试验中仪表的初读数，然后分级加载。

④ 每级荷载为预估破坏值的10％，并应在1～1.5min 内加完；恒荷1～2min 后，加下一级荷载，不得冲击。继续加载后，查看试件是否产生裂缝，若刚产生裂缝，可记下开裂荷载。每级荷载下，需测读试件的轴向变形和横向变形，描绘裂缝走向，记录试验机读数。按原分级速度加到80％后，撤除仪表，然后，连续加荷直至试件破坏，记下破坏荷载和破坏特征。

⑤ 判断试件破坏时，以试件裂缝急剧扩展和增多，试验机的测力计指针明显回退时，可判定为该试件丧失承载能力而达到破坏状态，最大荷载即为破坏荷载。

备注：预估破坏值，可按试探性试验确定，也可按《砌体结构设计规范》公式计算。 五、 实验结果 1．抗压强度： A

N

f m c =

, （精确至0.1N/mm 2） A ——按测得的平均宽度和平均厚度计算

2．试件的弹性模量E 、泊松比υ实测值 ① 逐级荷载轴向应变：ε＝

l l

? ；横向变形：tr

tr tr l l ?=ε l ，tr l 分别为轴向和横向测点间的间距（mm ）；

② 弹性模量： E ＝

4

.0,4.0εm

c f

③ 泊松比： ε

ενtr

= 取σ＝0.4m c f ,时的泊松比ν0.4的值。