土木工程教学改革的实施步骤.doc

由于目前全国设置土木工程本科专业的各高校的实验室设备条件参差不齐,国家土木工程专业本科教学指导委员会制定的“建筑抗震设计”和“土木工程测试技术”课程教学大纲中均未要求土木工程专业本科教学开设建筑抗震实验,结果有条件的高校实验室的抗震设备仅仅用于科研和研究生试验,本科教学内容中仅采取让本科生观看录像或到实验室参观或请高校实验教师做报告等措施来弥补教学中该实践性环节的不足。我学院与校设备管理处经过多年努力,于2002年购置了电液伺服加载系统,并首先在土木工程专业建筑工程方向本科教学中开设了建筑抗震实验的尝试。实验教学证明,在土木工程专业本科教学中开设建筑抗震实验取得了较好的教学效果。
　　1　实验项目
　　2　实验装置二质点钢结构体系的模拟振动台的水平滑台实验装置如图1所示,钢筋混凝土框架梁的低周反复实验装置如图2所示。 液压加载系统包括液压系统和荷载支承系统,液压系统由液压控制系统和液压加载器组成,液压控制系统由油箱、高压油泵、测力装置及各种阀门组成。电液伺服作动器的电液控制系统,包括液压系统及微机控制系统。液压系统由油泵站及电液伺服作动器组成。微机控制系统包括:装有模数(A/D)及数模(D/A)转换卡的微机、应变仪及信号放大器组成。由电阻应变片、位移传感器和拉压力传感器与数据采集系统组成闭环控制,如图3所示。
　　电液伺服加载系统具有频响快、灵敏度高、控制精度好、适应性 强等优点,在建筑结构试验中应用范围较广。电液伺服作动器和控制系统可以完成结构静荷试验、结构动荷试验、结构低周疲劳和模拟地震试验等。
　　3　低周反复水平加载制度地震时的地面运动是一种复杂的随机过程,极不规则;为了使加载制度可以模拟不同的地震模式,特别是地震作用达到峰值后的下降过程,以研究构件在不同地震作用模式下的抗震性能,必须制定相应的加载制度。根据抗震试验规程(JGJ101-96)的一般规定,正式试验前先施加反复荷载两次,大小为开裂荷载的30%,以检查试验装置及各测量仪表的工作是否正常。在试件达到屈服荷载前,力与变形的关系基本上是线性的,而且变形增量增大不多,故采用力控制加载。当试件屈服后,力的增量变小,而变形的增量却很大,这时采用变形控制加载,变形值取屈服时试件的最大水平位移值,并以该位移值的倍数即Δy,2Δy,3Δy……分级进行控制加载,每级荷载反复2~3次,直至构件破坏。这种变幅等幅混合加载制度,可以综合地研究构件的性能,其中包括等幅部分的强度和刚度变化,以及在变幅部分特别是大变形增长下的强度和耗能能力的变化。加载方案多样,由学生查参考资料自行选定。
　　(1)截面开裂点的确定　以试验过程中放大镜观察梁根部裂缝首次出现,并参照伺服加载仪实时记录曲线出现第一次曲线斜率变化点的数据,确定开裂荷载。路桥技术网
　　(2)构件屈服点的确定　一般有3种控制法确定试验中结构的屈服点:第1种方法是观察荷载—变形曲线,找出其明显的拐点,确定为结构的屈服点,即拐点法;第2种方法是监控受力钢筋应变,当某一控制截面受力钢筋应变多数达到由材性试验测得的屈服应变时,认为构件达到屈服点;第3种方法是用等能量法,即图4所示的方法确定。第3种方法只能在荷载加到最大值后方能确定构件屈服点,而且由于在实际试验中应变片不一定正好贴在钢筋实际受力最大的截面处,再由于同一截面上的几根受力钢筋不一定同时达到屈服应变;因此,以整个结构或构件的荷载-变形曲线出现拐点作为屈服的判别准则是比较合适的,也是比较容易掌握的,并且在试验中监控控制截面的钢筋应变来确定结构的屈服点。试验完成后,用第3种方法进行校核。预先对屈服荷载进行估算,并在试验过程中根据加载系统的P-Δ曲线的同步记录,采用拐点法确定结构的屈服荷载和屈服位移。
　　(3)构件破坏点的确定　对于单调加载,在以下3路桥技术网 种情况出现时可认为结构破坏:①受拉钢筋拉断;②试件临界截面上受压边缘混凝土达到最大压应变,混凝土压碎;③从荷载-变形曲线上观察,当试件达到最大承载能力并下降到一定幅度时,一般取0.85Pmax,认为构件破坏,如图5所示。
　　在低周反复加载时,构件在同一位移延性系数下,进行等幅循环加载时,一般初始几个循环作用下,刚度下降是比较有规律的。当构件循环刚度发生突降时,认为构件破坏。

　　4　数据量测、记录和计算采用低周反复加载试验来研究混凝土框架梁在地震荷载作用下的恢复力特性,建立结构构件恢复力的计算模型,通过试验所得的滞回曲线衡量结构的延性、耗能性能,求得结构的刚度和承载能力退化等参数,分析研究构件的破坏特征和机理。具体有以下几个方面:①构件的承载力,包括单调荷载下截面的开裂、屈服、极限承载力、循环荷载下承载力的退化;②耗能性能,包括滞回环的形状、滞回环的面积及刚度退化;③构件的破坏,单调荷载下的破坏及不同曲率处循环荷载下的破坏。
　　(1)钢筋应变的量测　通过电阻应变片测定钢筋的应变。在梁可能出现塑性铰区域的纵筋上分段布置了电阻应变片。采用胶水将钢筋应变片粘贴于磨平的钢筋表面,涂上环氧树脂防潮;为防止构件浇注时破坏普通钢筋应变片,用薄铝皮包裹以保证绝大部分的应变片在试验时正常工作。
　　(2)混凝土应变的量测　根据梁在水平推力作用下的弯矩图可知,梁端的弯矩最大,混凝土可能最先从端部位置开裂;虽然采用贴应变片的办法的精度较高,但是量测的范围比较有限,只能在小变形的情况下适用;为了测得混凝土在构件屈服后的变形情况,采用机械量测的方法,在梁端部路桥技术网 分段安装千分表和百分表,小变形时使用量程较小精度较高的千分表,变形较大时采用量程较大的百分表,保证整个试验过程中获得有效的数据。
　　(3)构件顶部和底部位移的量测　为了得到试件在荷载作用下的变形规律,在构件梁端除了安装了高精度的系统自带的位移传感器,还安装了电子位移计以测量梁端的水平位移,其量程为200mm,精度达到0.01mm。(4)梁端塑性铰区域的转动测量　塑性铰区域的转动可以用截面的平均曲率来表示。如图6所示截面的平均曲率是指一定范围内A-A、B-B两个截面的相对转动与该段长度的L的比值,即单位长度的平均转角。测得左侧伸长(或缩短)Δ1和右侧的缩短(或伸长)Δ2以后,截面的转动曲率为:
　　(5)裂缝的观测和裂缝宽度的量测　在梁塑性铰区域可能出现裂缝的混凝土表面刷一层稀释的白灰,然后画上50mm×50mm的方格网。用目测结合放大镜观察裂缝的出现,用刻度放大镜观测裂缝宽度。在每级荷载下描绘裂缝的延伸和发展,在裂缝端记上相应的荷载,在每级循环荷载作用下用数码像机拍摄裂缝情况。

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