预应力提高结构承载能力的实验与研究
一、实验目的
1、 了解预应力结构提高承载能力的原理；
2、 通过实验，在保证原刚度条件下，研究预应力提高结构承载能力的方法。
二、实验设备及实验模型
1、实验设备
（1）矩形截面实验梁一根（梁跨中上下表面沿纵向贴有应变计），有关参数见梁上标签；
（2）数字电阻应变仪一台；
（3）WYS-1试验台一台；
（4）φ6拉杆（在中部轴对称位置各贴有一枚轴向应变计并串联在一起，两端螺纹M6）及加载螺母一付。
2、实验模型及受力图
3、实验条件
（1）梁的许用拉应力[σ+]=100MPa，允许±5%误差；使用状态跨中最大挠度
注：梁跨距l=6a，a=100mm、截面积A=18×30mm2，弹性模量E=202.4GPa为已知。W、I平面几何特性需计算。
（2）拉杆的最大拉力不允许超过许用拉力[FN]，其值见下表。
| 直径 d/㎜ | 材料 | 拉杆面积 A1/㎜2 | 螺纹有效 面积/㎜2 | 屈服强度 Rel/MPa | 许用应力 [σ]/ MPa | 许用最大 拉力[FN]/kN | 弹性模量 El/GPa |
| 6 | Q235 | 28.27 | 20.1 | 280 | 195 | 3.92 | 206.5 |
4、设计要求
（1）根据实验条件计算梁未施加预应力前的最大许用载荷，计算后取整。并依跨中控制挠度≤0.50mm要求，算出梁底的控制应力和应变。
1
可提供跨中控制挠度的计算式（或由学生自己推导）
代入有关参数，由式可算出[F]并取整[F]=1000N。同时，该式又可用于计算在载荷F作用下挠度的计算，即当F=2.5[F]时，计算梁跨中的最大挠度。
（2）根据提高承载能力F=2.5要求，分析加入拉杆预加载系统后，梁载荷F和拉杆拉力X的关系。（实验前预发实验指导书，要求分组学生课前完成，并提出拉杆预加载X0或预加应变ε0方案）
（3）要求学生事先推导出拉杆拉力FN或应变和跨中挠度f2的解析式，用于核算在梁载荷F和拉杆拉力FN同时作用下，梁跨中挠度f是否满足控制刚度的要求,即f = f1 - f2 应小于或等于0.5mm。
（计算式可提供也可由学生自己推导）
三、实验步骤（学生自己拟定）
如果学生解超静定有困难，建议用直接实验的方法，分两步进行：1、拉杆处于松懈状态，梁上分别加上载荷1000N及2500N测量梁底及梁顶应变，按资料式（1)计算梁底挠度；2、拉杆预应变分别由ε0=40μμ开始，每递增Δε=20με测一次F=2500N时拉杆及梁顶及梁底应变，并计算FN产生的反拱度，直到某级ε0产生的梁中点挠度小于0.5mm为止。这样，学生从实验过程中也就了解了通过拉杆、梁应变测量，计算计算梁跨中挠度的方法以及预应力提高结构承载能力的原理、方法。
四、实验结果及报告
自己设计实验记录表格。报告格式不限，可要求写出实验总结及体会，包含预应力加载及调整过程的原因分析，梁最后应力分布的验证等。建议以论文格式撰写报告。
五、实验注意事项
（1）载荷未卸载时，施加预拉力比较困难，故施加预应力时都得先卸除载荷；
（2）在对拉杆施加预拉力或预应变时，会移动预应力梁，所以在梁上加载时，要注意使梁复位并保持加力梁与实验梁在同一平面内；
（3）控制挠度达标的最后一次预加应变ε0，要经历至少3次调整，即加到载荷F后立即卸载F→0，这时会发现ε0变小了，重新把应变调至ε0再第二次加载到F，再一次卸载F→0，进行第三次调整ε0至所需值，最后加载到F，读取拉杆、梁上、下测点应变，依此作为计算依据。
（4）拉杆施加预应力要避免超载，以免拉断拉杆；
2
六、预习及思考题
（1）预习简支梁在各种典型载荷（包括力偶）下，跨中挠度、应变的计算方法。
（2）预习一次超静定结构求构件内力的理论。
（3）预应力提高结构承载能力方法，在工程上有什么意义？其原理是什么？
（4）测拉杆应变时，采用何种应变接桥方法，为什么要采用串联半桥测量方法？这时，电桥桥臂电阻是多少欧姆？
（5）加有预应力拉杆的实验梁，属于什么受力构件？中性轴位置有没有变化？
（6）进行预应力加载过程中，拉杆的预加载荷（X0或ε0）为什么需要进行调整才能满足提高承载能力而达到各项指标不超标的要求，原因有那些？
（此指导书仅供参考）
3
