本发明涉及土木工程模型试验研究领域，尤其涉及一种小比例钢筋混凝土梁柱模型及其制作方法。
背景技术：
结构试验研究是工程结构科学研究的重要手段，结构试验一般采用足尺试验和模型试验两种方法。结构足尺试验是按照结构实际尺寸制作模型，该试验方法能完全真实地反映结构或构件受力性能，缺点是耗资较大、试验周期长，一般仅能用于单一构件或节点试验研究。结构模型试验是在相似理论的基础上，对实际结构原形按照一定比例缩尺制作结构模型，模型应具有原型结构的全部或部分特征。根据不同的结构形式和研究对象，模型试验比例一般在1:4-1:20之间。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：考虑到对于整体结构性能的试验研究，采用小比例的缩尺模型试验，其整体空间性能、耗资与试验周期均远优于大比例模型试验研究。钢筋混凝土结构模型试验比例一般在1:4-1:8之间，模型制作一般采用工程常规施工方法。对比例在1:10-1:15范围内的结构模型制作与试验研究，因对模型制作工艺要求较高，目前尚属空白。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供一种小比例钢筋混凝土梁柱模型及其制作方法，以解决没有比例在1:10-1:15范围内的结构梁柱模型制作方法的问题。
为实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种小比例钢筋混凝土梁柱模型的制作方法，包括：
分别制作模具和钢筋笼，将所述钢筋笼固定在模具中；
在所述模具内浇筑混凝土；
对模具与凝固后的混凝土进行脱模，养护脱模后的混凝土，以得到小比例钢筋混凝土梁柱模型。
可选地，分别制作模具和钢筋笼，将所述钢筋笼固定在模具中，包括：
分别制作底模、侧模和端模，将所述底模和侧模组合，以得到模具；
分别制作纵筋和箍筋，将箍筋套接在纵筋外并将两者固定；
将钢筋笼的纵筋两端穿过端模上的钻孔，然后将钢筋笼与端模一起固定到模具中。
可选地，制作纵筋的步骤包括：
首先按设计长度截取铁丝，然后用铁锤将铁丝调直，最后用锉刀打磨铁丝，从而得到纵筋。
可选地，制作箍筋的步骤包括：
采用方形缠绕模具作为箍筋模具，按设计长度截取铁丝，将铁丝按照不同的间距缠绕在方形缠绕模具外，以使铁丝呈矩形螺旋状，调整铁丝的形状和间距，然后将铁丝从方形缠绕模具上取下来，得到箍筋。
可选地，在所述模具内浇筑混凝土，包括：
将钢筋笼和模具置于木板上，将混凝土放入模具中，同时用胶皮锤锤击木板，模拟震动台，得到混凝土构件。
可选地，用胶皮锤锤击木板，包括：
第一阶段，在木板下面插入一根直径为4-6cm的铁丝，以翘起木板，锤击木板的两端，使混凝土摇晃均匀；
第二阶段，拔出木板下的铁丝，继续锤击木板的两端，使后续加入的混凝土均匀分布，同时排出气泡；其中，第二阶段的振动幅度小于第一阶段的振动幅度；
第三阶段，将振捣完的混凝土置于一边，继续等待气泡排出，再放于木板上振动，抹平混凝土表面；其中，第三阶段的振动幅度小于第二阶段的振动幅度。
可选地，第一阶段和第二阶段振动时间之和控制在20-40秒以内。
可选地，对模具与凝固后的混凝土进行脱模，养护脱模后的混凝土，以得到小比例钢筋混凝土梁柱模型，包括：
在混凝土浇筑后20-28小时，对模具与凝固后的混凝土进行脱模，并养护脱模后的混凝土，以得到小比例钢筋混凝土梁柱模型。
可选地，养护脱模后的混凝土的步骤包括：
混凝土浇筑后用塑料薄膜覆盖在混凝土表面，避光放置；
混凝土脱模后，将混凝土置于养护室养护，养护10-18天即可达到设计强度。
另外，根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种小比例钢筋混凝土梁柱模型，所述小比例钢筋混凝土梁柱模型根据上述任意一个实施例中所述的小比例钢筋混凝土梁柱模型的制作方法得到。
本发明实施例提供的小比例钢筋混凝土梁柱模型的制作方法具有以下有益效果：
1)试验耗资少、试验周期短，可在短期内重复多组试验；
2)制作工艺精细，对构件浇筑、模板拆除等关键步骤进行了严格控制，大大提高了模型成功率；
3)模板端模制作工艺，可准确固定纵筋位置，提高了钢筋位置的精度；
4)箍筋制作工艺简便快捷，提高了钢筋制作效率；
5)制作得到的钢筋混凝土梁柱模型既适合组建规则结构模型，也适合组建由基本构件组成的复杂结构模型。
通过本发明实施例提供的小比例钢筋混凝土梁柱模型的制作方法得到的小比例钢筋混凝土梁柱模型经力学构件试验测试，符合常规尺寸混凝土构件受力和变形特点，由小比例钢筋混凝土梁柱模型组合成的空间框架结构模型经试验测试，符合空间框架结构的破坏模式和特征。
上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是根据本发明实施例的小比例钢筋混凝土梁柱模型的制作方法的主要流程的示意图；
图2是根据本发明实施例的小比例钢筋混凝土梁模型的受弯试验示意图；
图3是根据本发明实施例的小比例钢筋混凝土柱模型的受压试验示意图；
图4是通过本发明实施例的小比例钢筋混凝土柱模型组成的空间框架结构的示意图；
图5是空间框架结构在边坡失稳诱发条件下的破坏模式示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
图1是根据本发明实施例的小比例钢筋混凝土梁柱模型的制作方法的主要流程的示意图。作为本发明的一个实施例，如图1所示，所述小比例钢筋混凝土梁柱模型的制作方法可以包括：
步骤101，分别制作模具和钢筋笼，将所述钢筋笼固定在模具中。
作为本发明的又一个实施例，制作模具的步骤可以包括：
1)分别制作底模、侧模和端模：
具体地，在该步骤中，可以采用利用钩刀、钢尺等，按设计尺寸切割材料板，分别制作底模、侧模和端模。所述材料板可以是亚克力板。每一个模具一般需要一块底模、两块侧模和两块端模，其中两块侧模分别固定于底模的相对两侧，两块端模分别固定于底模的另外两个侧面。
进一步地，为准确固定钢筋笼的位置，位于模具两端的端模兼做钢筋笼的支架，因此对端模上的固定点位进行钻孔。具体地，可以用记号笔在端模上画出固定点位，然后6用户电钻在固定点位处钻孔，→用热熔胶固定在模板指定位置。
2)将所述底模和侧模组合，以得到模具。
具体地，将一块底模和两块侧模平放于桌面上，先用热胶枪固定边上几点，待溶胶冷却后折起；用胶枪沿拼接缝上胶粘合，保持两块侧模垂直于底模直到固定。
需要指出的是，两块端模可以在该步骤中固定在底模和侧模上，然后再安装钢筋笼，也可以先将钢筋笼与端模固定，再将钢筋笼与端模固定到模具中。
作为本发明的又一个实施例，制作钢筋笼的步骤可以包括：
1)分别制作纵筋和箍筋：
制作纵筋的步骤可以包括：首先按设计长度截取铁丝，然后用铁锤将铁丝调直，最后用锉刀打磨铁丝，以增加与混凝土间的粘结强度，从而得到纵筋。
制作箍筋的步骤可以包括：采用方形缠绕模具作为箍筋模具(方形缠绕模具尺寸根据箍筋设计尺寸选取或自制)，按设计长度截取铁丝，将铁丝按照不同的间距(加密区与非加密区)缠绕在方形缠绕模具外，以使铁丝呈矩形螺旋状，调整铁丝的形状和间距，达到要求后将铁丝从方形缠绕模具上取下来，得到箍筋。
可选地，纵筋和箍筋可以用直径3mm的铁丝来制作，根数按设计计算确定。所述方形缠绕模具可以是方形钢管。
2)将箍筋套接在纵筋外并将两者固定：将螺旋状的箍筋套于主筋上，进一步调整箍筋加密区与非加密区的间距，用绑丝将箍筋与纵筋固定，得到钢筋笼。
作为本发明的再一个实施例，将所述钢筋笼固定在模具中的步骤包括：将钢筋笼的纵筋两端穿过端模上的钻孔，然后将钢筋笼与端模一起固定到模具中，再将纵筋固定于钻孔中，以确保混凝土保护层的厚度，并保证在混凝土浇筑过程中钢筋位置不变。端模与底模、侧模之间通过热熔胶固定在指定位置。
步骤102，在所述模具内浇筑混凝土。
具体地，将钢筋笼和模具置于木板上，将混凝土放入模具中，同时用胶皮锤锤击木板，模拟震动台，得到混凝土构件。
可选地，振捣过程可以分三个阶段进行：
第一阶段，大幅度振动，在木板下面插入一根直径为4-6cm的铁丝，以翘起木板，锤击木板的两端，使混凝土摇晃均匀；
第二阶段，拔出木板下的铁丝，减小振动幅度，继续锤击木板的两端，使后续加入的混凝土均匀分布，同时排出气泡；
第三阶段，将振捣完的混凝土置于一边5-10分钟，等气泡排出，再放于木板上稍微振动，抹平混凝土表面。这样做出来的构件表面光滑平整。
可选地，第一阶段和第二阶段振动时间之和控制在20-40秒以内，以防止在气泡未完全排出前，混凝土固化。可选地，第一阶段和第二阶段振动时间之和控制在30秒以内。可选地，第一阶段和第二阶段振动时间之和控制在35秒以内
步骤103，对模具与凝固后的混凝土进行脱模，养护脱模后的混凝土，以得到小比例钢筋混凝土梁柱模型。
在混凝土浇筑后20-28小时，对模具与凝固后的混凝土进行脱模，并养护脱模后的混凝土，以得到小比例钢筋混凝土梁柱模型。
可选地，脱模时间在混凝土浇筑后24小时左右最合适，既能保证混凝土的强度，又便于脱模。
脱模时从两端往中间脱，不仅工艺比较省力，而且不会使混凝土构建发生破裂，从而提高脱模的效率。端模待构件强度达到一定程度(一般是20-28小时)后再拆除，这样可以减少混凝土构件在脱模时破坏的数量，提高良品率。
作为本发明的再一个实施例，养护脱模后的混凝土的步骤包括：
混凝土浇筑后用塑料薄膜覆盖在混凝土表面，避光放置；
混凝土脱模后，将混凝土置于养护室养护，养护14-28天即可达到设计强度。
当夏季室温较高，可直接将混凝土置于水槽中养护。
可选地，所述养护室的条件为室温20°±5℃，相对湿度90％rh以上。可选地，所述养护室的条件为室温20°±2℃，相对湿度95％rh以上。可选地，所述养护室的条件为室温20°±4℃，相对湿度92％rh以上。
以下对上述实施例中得到的小比例钢筋混凝土梁柱模型进行缩尺模型试验，所述小比例钢筋混凝土梁柱模型适用于钢筋混凝土结构的整体空间性能、空间失效模式等结构性能试验研究。
模型试验实例
1、梁、柱模型试验
1)模型尺寸及配筋：
按照几何相似原则，缩尺比例为1:15制作模型。
模型柱尺寸300mm×30mm×30mm；
模型梁尺寸270mm×20mm×30mm；
柱配筋：主筋6根3mm钢丝，箍筋1mm钢丝间距非加密区13.3mm，加密区6.7mm。
梁配筋：下部3根3mm钢丝，上部2根3mm钢丝，箍筋1mm钢丝间距非加密区13.3mm，加密区6.7mm。
2)模板尺寸：
柱子模板：侧模3块，3cm×34cm
梁模板：侧模2块，2cm×31cm，底模3cm×31cm，，端模3cm×3cm
3)材料及强度测试：
材料：用标准砂和水泥配比制作试验混凝土，用3mm、1mm铁丝代替钢筋。考虑到试验材料性能匹配，实验室混凝土设计强度c10。经试验标准试块抗压强度试验，经计算得混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k＝13.2n/mm2,计算得轴心抗压强度标准值fc,k＝8.7n/mm2。3mm铁丝抗拉强度经试验测定，取铁丝抗拉强度标准值fy,k＝85n/mm2。
4)模型构件强度理论计算
根据混凝土柱轴心受压承载力计算公式得：
柱轴心受压承载力：n0＝0.9φ(fc,ka+fy,kas)＝9930n
简支梁跨中承受集中荷载抗弯承载力：
根据
计算得mu0＝26433n·mm
反算得梁在250mm计算跨度承受的集中力p＝4m/l＝380n。
5)试验测试结果
单柱轴心受压极限承载力：nu＝1800n
安全系数：nu/nu0＝1.8
简支梁在单点集中力作用下承受的集中荷载破坏值：pu＝590n，
安全系数：pu/pu0＝1.6
受压柱和梁变形和破坏特点均符合常规尺寸混凝土构件受力和变形特点，构件破坏如图2和图3所示。
2、空间框架模型试验
将上述构件组合，按照3×2跨制作三层空间框架结构模型，基础为独立基础。模型结构层高330mm、柱距300mm×300mm，柱截面尺寸30mm×30mm，梁截面尺寸20mm×30mm，基础尺寸为100mm×100mm×20mm，模型构件配筋参照计算配筋率配置。用标准砂和水泥配比制作试验混凝土，用3mm、1mm铁丝代替钢筋，用钢丝网代替钢筋混凝土楼板。
通过设定支护结构失效引发临近边坡的框架结构倒塌试验，研究突发边坡坍塌事故下空间框架结构的倒塌模式和倒塌机制，如图4和5所示。试验结果表明：空间框架结构失效的主要原因是基础出现不均匀沉降和水平位移，导致结构出现整体倾斜和空间扭转，在重力二阶效应作用下，结构首层柱顶节点失效，形成空间几何机动体系；结构出现整体倒塌遵从层屈服机制，从边坡失效加剧到结构倒塌时间极短，结构破坏具有突然性。该破坏模式符合空间框架结构破坏模式和特征，与真实场景下此类结构的破坏特征相符。
由此可见，通过本发明实施例提供的小比例钢筋混凝土梁柱模型的制作方法得到的小比例钢筋混凝土梁柱模型经力学构件试验测试，符合常规尺寸混凝土构件受力和变形特点，由小比例钢筋混凝土梁柱模型组合成的空间框架结构模型经试验测试，符合空间框架结构的破坏模式和特征。
因此，本发明实施例提供的小比例钢筋混凝土梁柱模型的制作方法具有以下有益效果：
1)试验耗资少、试验周期短，可在短期内重复多组试验；
2)制作工艺精细，对构件浇筑、模板拆除等关键步骤进行了严格控制，大大提高了模型成功率；
3)模板端模制作工艺，可准确固定纵筋位置，提高了钢筋位置的精度；
4)箍筋制作工艺简便快捷，提高了钢筋制作效率；
5)制作得到的钢筋混凝土梁柱模型既适合组建规则结构模型，也适合组建由基本构件组成的复杂结构模型。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。