分析鋼筋混凝土受彎構件受力過程

姚潔香

摘要：在土木工程中受彎構件的應用非常廣泛，如鋼筋混凝土樓蓋的梁，樓梯，工業(yè)廠房中的吊車梁等。受彎構件同時承受剪力和彎矩，對于鋼筋混凝土梁，隨著梁高的增大，其抗彎承載力顯著提升。本次試驗主要是一次理論的驗證，通過試驗，直觀的反映梁裂縫隨著荷載的增加的延伸趨勢，從試驗現象究其本質，對所學理論有一個更深的理解。并且從中體會理論與實踐緊密連接的重要性。

關鍵詞：受彎構件；適筋梁；裂縫

引言

本實驗是為了讓學生掌握混凝土受彎構件的試驗方法及荷載、應變、撓度、裂縫寬度等數據的測試技術和有關儀器的使用方法，直觀了解少筋梁，適筋梁，超筋梁的受力過程和破壞特征，從而理解配筋率對破壞特征的影響，并驗證鋼筋混凝土受彎構件正截面承載力計算理論和計算公式。試驗梁采用兩點對稱加載方式，忽略自重。

據理論研究，適筋梁先是受拉鋼筋屈服，最終以受壓區(qū)混凝土壓碎結束，是有明顯征兆的延性破壞。而超筋梁因為鋼筋配置過多，承載力會有一定的提高，但這是以犧牲延性為代價的，其最后的破壞是脆性的。通過本試驗這一理論會得到驗證。

一、試驗材料

混凝土：C30混凝土，軸心抗壓強度設計值：fc=14.3MPa；軸心抗拉強度設計值：

ft=1.43MPa；彈性模量Ec=3.0X104N/mm2

鋼筋：箍筋HPB300；縱筋HRB400，fy=fy=360MPa

二、試驗裝置

2.1試件特征和儀器布置

梁的尺寸為2400mm×300mm，配筋如圖1所示。在梁的跨中截面布置應變片，具體位置如圖2所示。梁上布置百分表5塊，以測定跨中撓度。試驗梁放置于靜力試驗臺座上，通過加載架用千斤頂施加荷載。

2.2加載制度

采用兩點對稱加載的方式，在0KN到80KN之間，每隔2分鐘加載一次。在80KN到220KN，每隔5分鐘加載一次。

三、試驗現象分析

3.1試驗現象

（1）剛開始加載，由于荷載較小，肉眼幾乎看不到梁的變化，支座處百分表的示數幾乎無變化，跨中表的示數變化較大。當荷載增加至80KN時，梁的跨中截面從梁的底部出現了一條細微裂縫，寬度為0.08mm。接著相繼有兩條斜裂縫出現，離支座很近。隨著荷載的進一步加大。

（2）在加載區(qū)間為80KN到120KN的過程中，跨中的裂縫寬度稍微加大，并且純彎段又有新的裂縫出現。

（3）在120KN到160KN的加載過程中，有些斜裂縫不再繼續(xù)向上延伸，但同時也有新的裂縫出現。舊裂縫的寬度增加不明顯，最大的寬度為0.1mm。

（4）在160KN到240KN的加載過程中，幾乎再無新的裂縫形成，舊裂縫繼續(xù)向上延伸，寬度也稍微有所擴大，但擴大的不明顯，有通縫形成。最大裂縫寬度達到1mm。見圖11。

（5）加至240KN，受壓區(qū)混凝土被壓碎，混凝土梁破壞。

3.2分析原因

超筋梁的裂縫寬度要遠小于適筋梁和少筋梁，因為多配的鋼筋會限制裂縫的發(fā)展，中和軸向上移動也比較緩慢，最后破壞時受拉區(qū)裂縫很小，而受壓區(qū)的混凝土被壓碎，梁失去了承載力，由于這種破壞是沒有明顯征兆的，屬于脆性破壞，所以在設計中應該避免。但由于受壓區(qū)面積的增大，超筋梁的承載力相較于適筋梁承載力有了很大的提高。

4.1荷載—撓度曲線

分析：曲線的延性平臺幾乎沒有，剛開始隨著荷載的增加，撓度的變化較為緩慢，當荷載加載到50KN以后，撓度隨荷載的變化比較大。這是因為50KN以前，梁近似成彈性變形，在此之后，梁逐漸進入塑性變形階段。

4.2沿梁長度方向的撓度變化曲線。

分析：隨著荷載的增大，梁的撓度不斷增大，跨中撓度變化最明顯。

4.3荷載—鋼筋應力曲線

分析：混凝土的應變隨截面高度成線性變化，符合平截面假設。圖中讀得混凝土的極限壓應變?yōu)?.0005mm，與理論值差距較大。可能的原因是加載到最后，上部應變片已壞。

五、結語

（1）本小組主要觀察超筋梁的受力過程，可以看到，超筋梁的裂縫多而細，且延伸高度較低，中和軸上升緩慢，受壓區(qū)混凝土高度較高，這種現象出現的本質是因為梁底部受拉區(qū)鋼筋配置較多，很好的限制了裂縫的開展，使得混凝土受壓區(qū)高度相較于適筋梁來講有很大的增加，從而提高了梁的承載力。但這種設計有一個致命的缺點就是在破壞之前不能給使用者以很好的警示作用，它的破壞往往是突然的，會對人的生命財產造成威脅，設計時應當予以避免。但相較于少筋梁，它又是相對安全的，因為就算它失去承載力了，因其受拉區(qū)鋼筋還未屈服，所以超筋梁不會突然垮塌，但少筋梁就不是了，通常它的斷裂是瞬間的，破壞時只有一條大通縫，這種設計是工程上堅決不允許的。

（2）梁的破壞形態(tài)和它的配筋率密切相關。配筋不可過少，但也不能過多。鋼筋配的越多，構件的延性越差。尤其是在一些抗震設計中，更是不能過多的配置鋼筋，因為在地震中，結構是通過變形來耗能的。

（3）理論和實際是有一定的差距的。在計算中，我們得到的開裂荷載是22.6KN。但是實際上，本組試驗的開裂荷載是80KN。造成這種差距的原因有以下幾點：1） 實驗室混凝土的振搗不是機器完成的嗎，是實驗室的老師手工操作的，在這個過程中，人為因素的作用太多，可能是水灰比相對來講比較高，振搗比較密實。2）開裂彎矩的理論公式的推導有近似和簡化處理的地方。3）混凝土是既非理想彈性材料也非理想塑性材料，力學的公式并非完全適用。

（4）若已經配成了超筋梁，改善措施有以下三種：1）加大截面尺寸。我們知道截面尺寸，但這會減小凈空高度。2）提高混凝土強度等級。3）改用雙筋截面。

（5）在少筋梁和適筋梁中間存在著一個界限——最小配筋率，以最小配筋率配出的鋼筋的延性是最好的。在超筋梁和適筋梁之間有一個界限配筋率，用此配筋率配的梁，在受拉區(qū)鋼筋屈服的時候，受壓區(qū)混凝土正好被壓碎。

參考文獻：

[1]劉立新，葉燕華.混凝土結構原理.武漢理工大學出版社

[2]趙軍，王新玲等.混凝土結構基本原理英文版.中國建筑工業(yè)出版社.