土木工程综合实验指导书确定.doc

土木工程专业综合实验指导书 （建筑工程方向用） 建筑与土木工程学院实验中心 土木工程（房屋建筑方向）综合性教学实验目的和规定1、教学实验的目的土木工程专业是一门实用性很强的学科，其发展遵循着“理论实践理论实践”的路线而成熟发展，要掌握这门学科，除有理论知识的武装外，还必须加强实践环节。只有加强了实践环节，才干更加深化理论知识的学习，也才干学得深、学的透，掌握的更牢固。结构教学实验，是土木工程实践环节的一个重要部分。通过四个基本实验，达成以下目的：（1）通过实验，应使同学们了解和初步掌握结构实验的规定及实验全过程，加强同学们的实践动手能力。（2）通过对实验过程中出现的各种现象的观测，对实验结果的分析和理论计算的比较，可使同学们对所学的结构理论知识与感性结识更好地结合起来，巩固和深化所学的理论知识。（3）通过实验，使同学们对结构实验所用仪器、仪表和设备有所了解，并初步掌握其使用原理，为此后从事土木工程专业的学习、科研、设计和施工打下坚实的基础。2、实验注意事项及规定为达预期目的，必须做好实验前的准备工作和实验后的分析，具体规定如下：（1）预习有关的实验技术和结构设计理论，熟悉实验指导书内容，明的确验目的、规定、方法和环节。（2）对实验采用的仪表和设备的工作原理和安装调试方法都有一定的了解后才干使用。（3）实验实践是培养学生动手能力的一个重要环节，因此，每个学生都必须亲自动手，分工协作，共同努力完毕实验。（4）实验过程中，要以科学的态度仔细观测和分析实验现象，如有异常现象，应及时报告指导老师。（5）严格遵守实验室有关设备仪器使用的操作规程，按照使用规定使用实验用仪表及设备。（6）及时整理实验数据，准时完毕实验报告。目 录实验一 静态电阻应变仪原理及桥路连接实验 实验二 钢筋混凝土受弯构件正截面破坏实验实验三 建筑物动力特性測試实验四 简支钢桁架静载实验实验一 静态电阻应变仪原理及桥路连接实验 一、实验目的1、熟悉静态电阻应变仪的操作规程；2、掌握电阻应变仪单点测量方法；3、学会电阻应变仪半桥及全桥接法。4、测定等强度梁上下表面的应力，验证梁的弯曲理论。二、实验仪器设备和工具1、等强度梁实验台2、CM-1L系列静态电阻应变仪3、等强度梁（已粘贴好应变片）梁的高度h5mm，弹性模量E=206GPa，泊松比0.284、游标卡尺、钢板尺三、实验原理和方法将试件固定在实验台架上，梁在纯弯曲时，同一截面上表面产生压应变，下表面产生拉应变，上下表面产生的拉压应变绝对值相等。计算公式如下：式中： P 梁上所加的载荷； L 载荷作用点到测试点的距离 E 弹性模量；b 测试点处梁的宽度 ；h 测试点处的厚度在梁的上下表面分别粘贴上应变片R1 、R2 ；如图1-1所示，当对梁施加载荷P时，梁产生弯曲变形，在内引起应力。图1-1 等强度梁外形图及布片图四、实验环节 1、开箱后将实验台搬出放到事先准备好的桌子上。2、把实验台的调节腿拧到实验台上，然后调平。3、将砝码托盘挂到加载杆上。4、把砝码准备好放到砝码托盘旁边，准备就绪。5、将仪器开关置开，预热10分钟，并检查该装置是否处在正常实验状态6、将应变片按1/4桥路、1/2桥路或全桥，接至应变仪，灵敏度设立对的，具体参考应变仪说明书；如图1-2所示，等强度梁上五片分别为R1、R2、R3、R 4、R5（又称为工作应变片）和补偿块上补偿应变片R在应变仪的测量电桥中接线方法不同，则组成的测量电桥也不同，通过本实验可进一步巩固对测量电桥基本特性的理解。(a) (b)(c) (b)图1-2 测量电桥图1-2为测量电桥，通过导线和静态电阻应变仪相连，根据电桥基本特性，当测量电桥四臂均为应变片时，静态电阻应变仪的读数仪与各桥臂应变片的应变值有下列关系： （1-1）式中、分别为相应为测量电桥上四臂电阻R1、R2、R3、R4所感受的应变值。由式（1-1）可知，测量电桥具有两相邻臂桥电阻所感受的应变代数和相减、两相对桥臂电阻所感受的应变代数和相加的特性。测量电桥有以下几种接线方法。半桥接线与测量A单臂半桥接线法 单臂半桥接线法是用一个工作应变片和一个补偿应变片接成半桥。取等强度梁上任一片应变片作为工作应变片与一补偿应变片按图1-2（a）接成半桥，即为单臂半桥接线法。应变片R1接于桥路AB接线柱，温度补偿应变片R补接于BC接线柱，则构成半桥，如图1-2（a）。另内半桥由应变仪内部两个无感绕线电阻构成。应变仪读出的应变值为： （1-2）B、 双臂半桥接线法若取等强度梁上同一截面处的拉区和压区应变片R1和R2（或 R3 和 R4），接于AB和BC接线柱，则构成双臂半桥接线，如图1-2（b），两电阻应变片既属工作片又互为补偿，应变仪读出应变值为： （1-3）又因1=-2，所以有： （1-4）全桥接线与测量 全桥接线有对臂全桥接线法和四臂全桥接线法,是用四个工作应变片（或补偿片）接成全桥。A、对臂全桥接线法假如梁上的拉区（或压区）应变片R1、R3接于桥路AB、CD接线柱，补偿应变片R补1、R补2接于BC、DA接线柱，构成全桥，如图1-2（c）。应变仪读出应变值为： （1-5）因1=3，故有： （1-6）B、四臂全桥接线法取等强度梁上应变片R1 、R2、R3、R4按图1-2（d）接成全桥，即为全桥接法。即梁上拉区应变片R1、R3仍接于AB和CD接线柱，而压区贴应变片R2、R4并接于BC和DA接线柱组成全桥，如图1-2（d）。则应变仪读出应变值为： （1-7）因，故有： （1-8）7、对每片应变片用零读法，预调平衡或记录下各应变片的初读数； 8、测量梁的宽度b 和高度h、载荷作用点到测试点距离L 及各应变片到中性层的距离yi。9、拟定加载方案一方面相应变片的读数进行清零。然后分级加载，以每级1000g（10N），加至4000g（40N），记录各级载荷。10、按实验规定接好线，调整好仪器，检查整个测试系统是否处在正常工作状态。11、加载应轻拿轻放，然后分级等量加载，每增长一级载荷，待数值稳定后，依次记录各点电阻应变片的应变值 ，直到最终载荷。实验至少反复三次。12、作完实验后，卸掉载荷，关闭电源，整理好所用仪器设备，清理实验现场，将所用仪器设备复员，实验资料交指导老师检查签字。五、实验报告1、分析在操作过程中发生的故障因素及排除方法。2、测量梁的宽度b 和高度h、载荷作用点到测试点距离L 及各应变片到中性层的距离yi。填入下表中。表1-1 梁上应变片编号项目R1R2R3R4R5测点处梁宽度b测点处梁高度h载荷作用点到测试点距离L应变片到中性层的距离yi3、按实验规定整理出各种测量数据，将实验结果填入表1-2，表1-3中。并作应变仪按半桥和全桥接线测量的比较。表1-2 实验数据登记表接 法半桥接法（1）单补半桥接法（2）互补砝码重量 （g）次数0100020233000400001000202330004000123平 均表1-3 实验数据登记表接 法全桥接法（1）单补全桥接法（2）互补 砝码重量 （g）顺序0100020233000400001000202330004000123平 均4、讨论不同桥路接法的优缺陷和使用条件。5、按实验等强度标准梁的参数和支承条件作出理论计算，填入下表，并分析计算值与实测值的差异因素。表1-4测点处应力值R1R2R3R4实测值理论值实测/理论实验二 钢筋混凝土受弯构件正截面破坏实验一、实验目的1、直观结识钢筋混凝土简支梁在集中荷载作用下变形发展过程的三个工作阶段、正截面破坏过程及最终破坏特性。3、测量受弯构件正截面的开裂荷载和极限承载力，验证梁正截面承载力计算公式。3、测量钢筋混凝土受弯构件的挠度，并和计算值进行比较。4、通过实验，验证梁正截面设计理论中的平截面假定。二、量测内容1量测各级荷载作用下实验梁的截面应变。2观测裂缝的出现，实测实验梁的开裂荷载。3量测实验梁各级荷载下裂缝的宽度和间距，记录实验梁破坏时裂缝的分布情况。4量测实验梁在各级荷载作用下的挠度。5观测实验梁的破坏形态，实测实验梁的破坏荷载。三、试件设计1、设计依据混凝土结构实验方法标准GB50152-92；混凝土结构设计规范GB50010-2023；普通混凝土力学性能实验方法标准GB/T50081-2023。2、试件设计试件为一钢筋混凝土简支梁。截面尺寸为120mm250，梁长2300mm,实验跨度为2023mm，混凝土等级为C30，主筋HRB335，箍筋、架立筋为HPB235，箍筋直径为8mm，架立筋直径为12mm，纵向受力钢筋的混凝土净保护层厚度为25mm。试件分别设计为少筋梁、适筋梁和超筋梁，其尺寸及配筋分别如图2-1图2-3所示。为了得到实测混凝土立方强度,需与梁同时制作3组立方体标准试样，同样为了得到受拉钢筋的实测力学性能，受拉钢筋取3个试样(长500mm)。根据材性实验将重要参数列入表2-1。图2-1 少筋实验梁配筋图图2-2 适筋实验梁配筋图图2-3 超筋实验梁配筋图表2-1 实验梁参数表试件类别截面尺寸混凝土受 拉 钢 筋bmmhmmh0mmfcuN/mm2EcN/mm2公称直径Asmm2fyN/mm2tN/mm2EsN/mm210%少筋梁适筋梁超筋梁表中：b截面宽度；h截面高度；ho有效截面高度；fcu砼立方体抗压强度实测值；fc砼轴心抗压强度；Ec砼弹性模量；As受拉区钢筋面积；fy钢筋实测屈服强度；t钢筋实测抗拉强度；Es钢筋弹性模量；10钢筋延伸率。 （2-1）四、实验设备装置与测量仪器实验设备装置：实验反力刚架、支墩、支座、千斤顶、分派梁、荷载传感器、量测仪器：CM-1L系列电阻应变仪、千分表、百分表、读数放大镜及电筒、钢板尺、钢卷尺、应变仪等。实验梁支承于支座上，支座支承于支墩上，通过千斤顶和分派梁施加荷载，千斤顶的反力由实验反力刚架承受，用荷载传感器和电阻应变仪量测荷载，用千分表量测实验梁纯弯段的截面应变，用百分表量测实验梁跨中挠度，用放大镜观测裂缝的出现，用读数放大镜量测裂缝宽度，用钢板尺及钢卷尺量测裂缝间距。实验装置如图3-4所示图2-4 钢筋混凝土梁实验装置图五、实验过程在进行实验前应认真阅读本实验指导书，复习材料力学实验中的有关知识；了解各种测试设备和测试仪表的性能、原理、操作方法及使用时的注意事项。实验按以下环节进行：1由教师预先安装或在教师指导下由学生安装实验梁，布置安装实验仪表。2记录实验梁编号、量测并记录实验梁尺寸、记录实验梁配筋数量、所用材料的强度指标、千分表安装位置和标距以及经标定的电阻应变仪读数和荷载传感器的转换关系等有关数据，记录试件与加荷装置重量。3检查实验仪表并调整仪表初读数。电阻应变仪预热至少15分钟再调零，注意应变仪灵敏系数指示值与电阻应变片灵敏系数应相同。百分表、千分表要检查预压值是否对的，长短针指示位置应配合一致。4根据实验梁的截面尺寸、配筋数量和实测的材料基本力学性能值，按有关公式估算出裂弯矩、破坏弯矩，相应地计算出裂载荷2、破坏荷载2。出裂弯矩按公式（2-2）计算 （2-2）其中：为梁截面高度，当截面高度时，取，当截面高度时，取；为混凝土抗拉强度标准值；为换算截面受拉边沿的弹性抵抗矩。5、拟定承载力极限状态设计荷载。根据混凝土、钢筋的设计强度，计算受弯承载力极限状态设计抵抗弯矩，并计算出相应的设计荷载2P。6、一方面进行预加载。进行1-3次预加载，预荷载值取出裂荷载2的30%。预载时，测读数据，注意观测试件、加荷装置、仪表工作是否正常，然后卸去预荷载，排除故障，仪表重新调零或记录初读数。应特别注意：预载值中应涉及试件的自重和加荷设备重量。7正式实验，分级加荷。运用荷载传感器进行控制，取设计荷载的20%为第一级荷载，试件的自重和加荷设备重量等应作为第一级荷载的一部分；在接近出裂荷载时应加密，取设计荷载的5%为荷载增量；试件块破坏时，亦应适当加密。每次都要读数。开始加荷，每级荷载加到后，持荷约3-5分钟后读数。在实验梁上发现第一条裂缝后，在实验梁表面对裂缝进行标记，记录裂缝出现前一级荷载下的电阻应变仪读数。在每级加载后的间歇时间内，认真观测实验梁上原有裂缝的发展和新裂缝的出现等情况并进行标记，记录电阻应变仪、百分表和千分表读数。8继续加载，当所加荷载约为破坏荷载值的60%70%时，用读数放大镜测读最大裂缝宽度和用直尺量测裂缝间距并记录。9加载至实验梁破坏，千分表及百分表梁破坏前拆除，防止损坏，抢时间记录电阻应变仪读数。10卸载。记录实验梁破坏时裂缝的分布情况。六、实验结果分析及实验报告（一）实验基本情况及有关参数用图、表说明自己所在小组实验梁的尺寸、配筋、混凝土和钢筋的力学性能、h0、加荷简图，梁正截面实验仪表布置图。试件编号: ，制作日期: ，实验日期: 表2-2 实验梁参数表试件类别截面尺寸混凝土受 拉 钢 筋bmmhmmh0mmfcuN/mm2EcN/mm2公称直径Asmm2fyN/mm2tN/mm2EsN/mm210%少筋梁适筋梁超筋梁加荷简图：加荷装置及梁自重：梁正截面实验仪表布置图：（二）实验分级加载值实验前按从小到大的顺序计算好2P值的各级荷载值，每个数值减去梁自重和加荷装置的重量，即为千斤顶应加的每级荷载值。实验机应加的荷载值=2P荷载等级-加荷设备重量表2-3分类加载方案荷载等级0.200.250.300.350.400.450.502P荷载等级实验机应加的荷载值续表2-3分类加载方案荷载等级0.550.600.801.001.201.401.452P荷载等级实验机应加的荷载值续表2-3分类加载方案荷载等级1.501.551.601.651.701.751.802P荷载等级实验机应加的荷载值续表2-3分类加载方案荷载等级1.851.902.002P荷载等级实验机应加的荷载值（三）、实验记录1、电阻应变仪量测得到的受拉钢筋应变实测记录表2-4 电阻应变仪测定应变登记表（10-6）序号测点读数荷载1234平均值读数读数读数读数0123456789101112131415161718192021222、实验梁整体挠度测试记录运用百分表测定梁整体挠度，数据记录填入表2-5。表2-5 百分表测定挠度登记表（单位：mm）序号荷载kN百分表1百分表2百分表3支座沉陷跨中挠度读数差值读数差值读数差值01234567891011121314151617181920213、千分表登记表表2-6 千分表登记表（单位：mm）序号测点 读数荷载千分表1千分表2千分表3千分表4千分表5千分表6读数差值读数差值读数差值读数差值读数差值读数差值012345678910111213141516171819202122续表2-6 千分表登记表（单位：mm）序号测点 读数荷载千分表7千分表8均值均值均值均值读数差值读数差值0123456789101112131415161718192021224、试件裂缝分布图 梁正面梁 底梁背面用裂缝展开图表达实验梁裂缝出现及展开过程，裂缝间距等。 图 2-5 裂缝分布图表2-7 裂缝过程登记表序号荷载（KN）裂缝最大宽度（mm）梁正面梁正面梁底1234567891011121314155、实验数据汇总表 表2-8 数据汇总表序号荷载混凝土应变（10-6）混凝土顶面纤维应变ts（10-6）受压区高度x(mm)受拉钢筋应变ts（10-6）跨中挠度（mm）1234012345678910111213141516171819202122出裂荷载 2Pc= 出裂弯矩Mc= 破坏荷载 2Pu= 破坏弯矩Mu= （四）、实验数据分析1、绘制梁的荷载挠度曲线在整理挠度实测值时，应计入梁的自重和加荷设备（千斤顶、荷载传感器及分派量）重量。（1）梁的挠度实测值f1）加载设备产生的挠度 =2）=3) 各级荷载下梁的跨中挠度实测值=（2）绘制荷载挠度曲线 P-ff(mm)P(kN)0 图2-6 荷载挠度曲线图2、挠度分析将0.72P荷载下的挠度实测值与短期刚度下挠度的公式计算值进行比较，分析计算结果并得出结论。注：公式符号含义参见混凝土结构设计规范GB50010-2023第8.2节“受弯构件挠度验算。3、绘制受拉钢筋应变与荷载曲线F-s。绘制受拉钢筋应变（或应力）与弯矩曲线。图2-7 受拉钢筋应变-荷载曲线图 图2-8 受拉钢筋应力-弯矩曲线图5、平截面假定验证（自备米格纸绘图）绘制各级荷载下沿梁截面高度混凝土应变分布及受拉钢筋应变图，验证平截面假定，并对此图进行分析（如平截面情况、中和轴随荷载变动情况等）格式参看图2-9。图2-9 应变沿截面高度分布图（自备米格纸绘图，并粘贴于相应位置）6、描述实验梁的整个加荷过程直至破坏。如P等于多少时，出现第一条裂缝，此时测得的混凝土平均拉应变、钢筋的应变为多少?破坏时钢筋是否达成流限，混凝土边沿纤维压应变达成多少等。7、强度验算将计算所得实验梁的破坏荷载（按混凝土与钢筋实测值计算）与实验结果进行比较。 (1)判断是超筋还是适筋梁(2) 梁正截面破坏强度的公式计算值对于适筋梁对于超筋梁(3) 计算实验破坏弯矩(4) 计算，并展开讨论（五）思考题、裂缝出现前跨中应变是否成比例？、裂缝出现后有何变化，为什么？、中和轴变化情况？实验三 建筑物动力特性测试一、实验目的与规定1、学习用脉动法测量建筑物动力特性的仪器布置和测量程序；2、学习用主谐量法分析建筑物的低阶固有频率和振型；3、学习传感器、测振放大器以及数据采集系统的操作和使用。二、实验所用的仪器和设备1.传感器：CD-7S（水平） 6只；2.放大器: GZ5 1台；3.数据采集系统 1套；4.万用表 1台；5. 指南针 1只；6.温度计 1只；7.风速风向仪 1台；8.导线 6条。三、实验方案及方法运用环境随机激振测定结构动力特性的方法称为脉动法。这种方法不用专门的激振设备,而是通过测量建筑物由于外界不规则的干扰而产生的微小震动,即”脉动”来拟定建筑物的特性。用仪器将建筑物的脉动记录下来,通过一定的分析工作,可以拟定出建筑物的基本频率和振型。四、实验对象本实验以道桥馆五层办公楼为测试对象,并根据结构特性进行布点。五、实验环节1、若测振系统尚未标定过,为测量振型、可采用系统相对标定。即把拾振器集中放于同一位置,同时记录下各点信号。由于各通道的放大倍数不同样,故各波形幅值不同。而在同一瞬间时记下的信号均代表同一位移值,故可由波形找出各通道间的放大倍数比例关系。2、实验装置和仪器系统方框图见图3-1和图3-2所示。612345传感器图3-1：传感器布置图将各个拾振器安顿在各层楼板上，地面和屋顶也要同时布置。2ch3ch4ch5ch6ch6ch5ch4ch3ch2ch1ch1# 传感器2# 传感器3# 传感器4# 传感器5# 传感器6# 传感器放大器数据采集系统1ch图3-2：仪器系统方框图3、根据房屋结构的特点,要分别考虑弯曲振动和扭转振动的作用。本实验测量横向弯曲振动,各个拾振器的拾振方向均要一致指向横向。4、分别把拾振器编号,相应于测振仪、记录仪相连。5、将拾振器调到工作状态。6、用记录仪进行记录,记录的时间要满足数据分析的规定。7、判读脉动记录图,拟定建筑物第一固有频率并汇出振型图。本实验规定采用主谐量法直接判读。建筑物基频谐量是脉动里最重要的成分,在脉动记录图中凡是振幅较大、波形较规则且光滑的部分,并多次反复出现,频率相等,量出这个频率就是建筑物的第一固有频率,即基频。此外,选各记录曲线都比较规律的区段,根据各线的放大倍数和衰减档数,量出各点振幅,在建筑物简图上按比例将相位相同的画在一边, 相位相反的画在另一边,连接起来即得出相应的振型曲线。六、传感器的位置及仪器设立参数请将传感器的位置及仪器设立参数填入表3-1文献名： 表3-11CH2CH3CH4CH5CH6CH传感器的放置位置传感器的旋钮位置小位移小位移小位移小位移小位移小位移传感器拾振方向东东东东东东放大器工作选择X1X1X1X1X1X1放大器衰减采样频率（HZ）100100100100100100文献名： 表3-21CH2CH3CH4CH5CH6CH传感器的放置位置传感器的旋钮位置小位移小位移小位移小位移小位移小位移传感器拾振方向南南南南南南放大器工作选择X1X1X1X1X1X1放大器衰减采样频率（HZ）100100100100100100七、实验结果整理与实验报告1.在实验过程中应记录好下列资料（1）实验日期 ；记录者 ；（2）建筑物名称： ；（3）温度 ；风向 ；风速 ；（4）结构特性及简图，并标出测点位置、拾振方向；2. 根据测试的原始曲线图，简朴标注每条曲线。3、用文字简述分析过程，将分析的数据填入下表。 表3-3 建筑物的固有频率、振型 楼层东方向的水平振动南方向的水平振动第一振型f= Hz第一振型f= Hz幅值振型幅值振型屋顶5层4层3层2层1层4. 根据测得的建筑物基频、振型等参数，对建筑物作出评述。5.当拾振器数量不够时，又如何完毕建筑物的振型测量呢？请自行设计一实验方案。实验四 简支钢桁架静载实验一、实验目的1.进一步学习和掌握几种常用仪器仪表的性能、安装和使用方法；2.通过对桁架的节点位移、杆件内力、支座处上弦杆转角的测量对桁架结构的工作性能作出