鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件正截面承載力的教學思考

黃海林 祝明橋 曾垂軍

摘要：《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010，在鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件正截面承載力計算中，只給了1個公式，且條文說明中未作解釋，給學生理解和本科教學帶來了困難。本文結(jié)合本科教學中的個人體會，分別從基本概念、教學思路、試驗教學、設(shè)計方法教學以及算例教學5個方面，指出教學中具體應(yīng)注意的事項，為本科教學提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；軸心受拉構(gòu)件；正截面承載力；本科教學

中圖分類號：TU37；G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）39-0241-02

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》GB50010-2010，在鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件正截面承載力計算中，延用了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》GB50010-2002、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》GBJ10-89的規(guī)定，只給了1個公式，且條文說明中未作解釋，給學生理解和本科教學帶來了困難[1]。本文主要針對這部分內(nèi)容，結(jié)合本科教學中的個人體會，分別從基本概念、教學思路、試驗教學、設(shè)計方法教學以及算例教學5個方面，指出教學中的注意事項，為本科教學提供參考。

一、基本概念

為了更好的讓學生理解規(guī)范，教學中首先要闡述清楚以下基本概念。

1.軸線。構(gòu)件截面形心線的連線，即為構(gòu)件的軸線。

2.正截面。與構(gòu)件的軸線相垂直的截面，稱為正截面。

3.軸心受拉構(gòu)件?？v向拉力作用線與構(gòu)件軸線重合的構(gòu)件，稱為軸心受拉構(gòu)件。

4.理想的鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件幾乎不存在。實際工程中，由于荷載不可避免的偏心和構(gòu)件制作過程中的不均勻性，使得理想的鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件幾乎不存在。

5.工程中可近似按鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件設(shè)計計算的典型構(gòu)件。由于軸心受拉構(gòu)件設(shè)計計算簡單，因此拱和桁架結(jié)構(gòu)中的拉桿，以及圓形水池的池壁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可近似按鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件設(shè)計計算。

6.鋼筋骨架。鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件中的鋼筋骨架包括縱向鋼筋和箍筋，縱向鋼筋承受軸心拉力，箍筋固定縱向鋼筋，使得縱向鋼筋在構(gòu)件制作的過程中不發(fā)生變形和錯位。

二、教學思路

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》作為土木工程專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容主要涉及鋼筋混凝土基本構(gòu)件的力學性能，是一門半理論半經(jīng)驗課程，有較強的實踐性[2，3]。教學時應(yīng)著重強調(diào)基本概念，結(jié)合試驗教學，讓學生深刻認識軸心受拉構(gòu)件的受力性能與破壞形態(tài)，幫助學生掌握軸心受拉構(gòu)件的破壞機理，基于試驗得到的破壞機理，建立軸心受拉構(gòu)件正截面承載力的設(shè)計計算方法，同時使學生認識到：軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計，除了應(yīng)進行計算外，尚應(yīng)滿足構(gòu)造要求。

三、試驗教學

試驗教學的目的就是脫離抽象教學，使學生獲得混凝土軸心受拉構(gòu)件受力性能的直觀認識，最終深刻理解其破壞機理，為推導(dǎo)建立設(shè)計計算方法打下基礎(chǔ)。

具體教學時，可通過構(gòu)件試驗視頻或數(shù)值模擬演示軸心受拉構(gòu)件正截面受力全過程，使學生深刻理解受力全過程的三個階段，總結(jié)如下。

1.第Ⅰ階段：從開始加載到混凝土受拉開裂前?？v向鋼筋與混凝土共同承受拉力，應(yīng)力與應(yīng)變大致成正比，拉力N與截面平均拉應(yīng)變ε■t基本呈線性關(guān)系，如圖1（a）中的OA段所示。此階段一般作為構(gòu)件抗裂驗算的依據(jù)。

2.第Ⅱ階段：混凝土開裂后至縱向鋼筋屈服前。首先在截面最薄弱處產(chǎn)生第1條裂縫，隨著荷載增加，先后在一些截面上出現(xiàn)裂縫，逐漸形成圖1（b）中（Ⅱ）所示的裂縫分布形式。此時，裂縫處的混凝土不再承受拉力，所有拉力均由縱向鋼筋來承擔。拉力增加時，縱向鋼筋的應(yīng)變顯著增大，反映在圖1（a）中的AB段斜率比第Ⅰ階段的OA段斜率要小。此階段可作為構(gòu)件裂縫寬度和變形驗算的依據(jù)。

3.第Ⅲ階段：鋼筋屈服后的破壞階段。此過程出現(xiàn)屈服平臺和強化，拉力有少許增加，變形顯著增大，裂縫不斷加寬，直至構(gòu)件破壞，如圖1（a）中的BC段所示。此階段可作為構(gòu)件正截面承載力計算的依據(jù)。

四、設(shè)計方法教學

基于試驗教學給學生所揭示的破壞機理可以得出：對于軸心受拉構(gòu)件正截面承載力的計算而言，以構(gòu)件第Ⅲ階段的受力情況為基礎(chǔ)，但是要考慮可靠度的要求，軸心受拉構(gòu)件計算簡圖如圖2所示。此時，裂縫截面上混凝土因開裂不能承受拉力，全部拉力由縱向鋼筋承受，直至鋼筋受拉屈服。如果不考慮鋼筋的強化段，鋼筋的屈服就成為軸心受拉構(gòu)件的極限狀態(tài)，故軸心受拉構(gòu)件正截面承載力應(yīng)滿足：N≤N■u=f■yA■s （1）

式中：N為軸心拉力組合設(shè)計值；N■u為軸心受拉承載力設(shè)計值；f■y為鋼筋的抗拉強度設(shè)計值；A■s為受拉鋼筋的全部截面面積，受拉鋼筋尚應(yīng)滿足規(guī)范最小配筋率的要求。

教學當中，通過分析式（1），務(wù)必強調(diào)軸心受拉構(gòu)件正截面受拉承載力的計算是不是考慮混凝土受拉貢獻的。

五、算例教學

算例教學應(yīng)立足工程實踐，嚴格按照“公式、數(shù)據(jù)、答案”三步式解題，使學生在全面掌握基本原理的基礎(chǔ)上得到有關(guān)設(shè)計的基本訓(xùn)練。算例可著重圍繞公式（1）的兩類應(yīng)用進行講解。

1.既有構(gòu)件的承載力計算，屬于結(jié)構(gòu)復(fù)核問題。這類問題一般是已知矩形截面尺寸（寬b×高h）、配筋A(yù)■s和材料強度f■y，求軸心受拉構(gòu)件的正截面受拉承載力N。

2.構(gòu)件的截面設(shè)計，屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。這類問題一般是已知矩形截面尺寸（寬b×高h）、材料強度f■y以及截面所受的軸心拉力N，求配筋A(yù)■s。

下面通過某鋼筋混凝土屋架下弦，簡要說明構(gòu)件截面設(shè)計問題。

例：已知某鋼筋混凝土屋架下弦，截面尺寸b×h=200mm×150mm，其所受的軸心拉力設(shè)計值為288kN，混凝土強度等級為C30，鋼筋為HRB400，求截面配筋。

解：HRB400級鋼筋，f■y=360N/mm2，代入式（1）得：

A■s=N/fy=288×103/360=800mm2，選用4 16，A■s=804mm2。

通過以上分析可知，在實際教學當中，建議首先從基本概念出發(fā)，借助試驗教學讓學生深刻理解軸心受拉構(gòu)件正截面破壞機理，使學生掌握軸心受拉構(gòu)件正截面承載力計算公式建立的試驗基礎(chǔ)，最后通過算例教學加深鞏固對軸心受拉構(gòu)件正截面受力性能與計算方法的理解。

參考文獻：

[1]祝明橋，黃海林.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].長沙：中南大學出版社，2015.

[2]祝明橋，謝獻忠，皇曉東，等.深化土木工程本科專業(yè)教學改革 加強創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].當代教育理論與實踐，2015，（10）：56-59.

[3]祝明橋，霍海強，趙文武，等.基于學校工程環(huán)境實現(xiàn)土木工程專業(yè)實踐教學信息化[J].當代教育理論與實踐，2009，（04）：71-73.