分析钢筋混凝土受弯构件受力过程

姚洁香

摘要：在土木工程中受弯构件的应用非常广泛，如钢筋混凝土楼盖的梁，楼梯，工业厂房中的吊车梁等。受弯构件同时承受剪力和弯矩，对于钢筋混凝土梁，随着梁高的增大，其抗弯承载力显著提升。本次试验主要是一次理论的验证，通过试验，直观的反映梁裂缝随着荷载的增加的延伸趋势，从试验现象究其本质，对所学理论有一个更深的理解。并且从中体会理论与实践紧密连接的重要性。

关键词：受弯构件；适筋梁；裂缝

引言

本实验是为了让学生掌握混凝土受弯构件的试验方法及荷载、应变、挠度、裂缝宽度等数据的测试技术和有关仪器的使用方法，直观了解少筋梁，适筋梁，超筋梁的受力过程和破坏特征，从而理解配筋率对破坏特征的影响，并验证钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算理论和计算公式。试验梁采用两点对称加载方式，忽略自重。

据理论研究，适筋梁先是受拉钢筋屈服，最终以受压区混凝土压碎结束，是有明显征兆的延性破坏。而超筋梁因为钢筋配置过多，承载力会有一定的提高，但这是以牺牲延性为代价的，其最后的破坏是脆性的。通过本试验这一理论会得到验证。

一、试验材料

混凝土：C30混凝土，轴心抗压强度设计值：fc=14.3MPa；轴心抗拉强度设计值：

ft=1.43MPa；弹性模量Ec=3.0X104N/mm2

钢筋：箍筋HPB300；纵筋HRB400，fy=fy=360MPa

二、试验装置

2.1试件特征和仪器布置

梁的尺寸为2400mm×300mm，配筋如图1所示。在梁的跨中截面布置应变片，具体位置如图2所示。梁上布置百分表5塊，以测定跨中挠度。试验梁放置于静力试验台座上，通过加载架用千斤顶施加荷载。

2.2加载制度

采用两点对称加载的方式，在0KN到80KN之间，每隔2分钟加载一次。在80KN到220KN，每隔5分钟加载一次。

三、试验现象分析

3.1试验现象

（1）刚开始加载，由于荷载较小，肉眼几乎看不到梁的变化，支座处百分表的示数几乎无变化，跨中表的示数变化较大。当荷载增加至80KN时，梁的跨中截面从梁的底部出现了一条细微裂缝，宽度为0.08mm。接着相继有两条斜裂缝出现，离支座很近。随着荷载的进一步加大。

（2）在加载区间为80KN到120KN的过程中，跨中的裂缝宽度稍微加大，并且纯弯段又有新的裂缝出现。

（3）在120KN到160KN的加载过程中，有些斜裂缝不再继续向上延伸，但同时也有新的裂缝出现。旧裂缝的宽度增加不明显，最大的宽度为0.1mm。

（4）在160KN到240KN的加载过程中，几乎再无新的裂缝形成，旧裂缝继续向上延伸，宽度也稍微有所扩大，但扩大的不明显，有通缝形成。最大裂缝宽度达到1mm。见图11。

（5）加至240KN，受压区混凝土被压碎，混凝土梁破坏。

3.2分析原因

超筋梁的裂缝宽度要远小于适筋梁和少筋梁，因为多配的钢筋会限制裂缝的发展，中和轴向上移动也比较缓慢，最后破坏时受拉区裂缝很小，而受压区的混凝土被压碎，梁失去了承载力，由于这种破坏是没有明显征兆的，属于脆性破坏，所以在设计中应该避免。但由于受压区面积的增大，超筋梁的承载力相较于适筋梁承载力有了很大的提高。

4.1荷载—挠度曲线

分析：曲线的延性平台几乎没有，刚开始随着荷载的增加，挠度的变化较为缓慢，当荷载加载到50KN以后，挠度随荷载的变化比较大。这是因为50KN以前，梁近似成弹性变形，在此之后，梁逐渐进入塑性变形阶段。

4.2沿梁长度方向的挠度变化曲线。

分析：随着荷载的增大，梁的挠度不断增大，跨中挠度变化最明显。

4.3荷载—钢筋应力曲线

分析：混凝土的应变随截面高度成线性变化，符合平截面假设。图中读得混凝土的极限压应变为0.0005mm，与理论值差距较大。可能的原因是加载到最后，上部应变片已坏。

五、结语

（1）本小组主要观察超筋梁的受力过程，可以看到，超筋梁的裂缝多而细，且延伸高度较低，中和轴上升缓慢，受压区混凝土高度较高，这种现象出现的本质是因为梁底部受拉区钢筋配置较多，很好的限制了裂缝的开展，使得混凝土受压区高度相较于适筋梁来讲有很大的增加，从而提高了梁的承载力。但这种设计有一个致命的缺点就是在破坏之前不能给使用者以很好的警示作用，它的破坏往往是突然的，会对人的生命财产造成威胁，设计时应当予以避免。但相较于少筋梁，它又是相对安全的，因为就算它失去承载力了，因其受拉区钢筋还未屈服，所以超筋梁不会突然垮塌，但少筋梁就不是了，通常它的断裂是瞬间的，破坏时只有一条大通缝，这种设计是工程上坚决不允许的。

（2）梁的破坏形态和它的配筋率密切相关。配筋不可过少，但也不能过多。钢筋配的越多，构件的延性越差。尤其是在一些抗震设计中，更是不能过多的配置钢筋，因为在地震中，结构是通过变形来耗能的。

（3）理论和实际是有一定的差距的。在计算中，我们得到的开裂荷载是22.6KN。但是实际上，本组试验的开裂荷载是80KN。造成这种差距的原因有以下几点：1） 实验室混凝土的振捣不是机器完成的吗，是实验室的老师手工操作的，在这个过程中，人为因素的作用太多，可能是水灰比相对来讲比较高，振捣比较密实。2）开裂弯矩的理论公式的推导有近似和简化处理的地方。3）混凝土是既非理想弹性材料也非理想塑性材料，力学的公式并非完全适用。

（4）若已经配成了超筋梁，改善措施有以下三种：1）加大截面尺寸。我们知道截面尺寸，但这会减小净空高度。2）提高混凝土强度等级。3）改用双筋截面。

（5）在少筋梁和适筋梁中间存在着一个界限——最小配筋率，以最小配筋率配出的钢筋的延性是最好的。在超筋梁和适筋梁之间有一个界限配筋率，用此配筋率配的梁，在受拉区钢筋屈服的时候，受压区混凝土正好被压碎。

参考文献：

[1]刘立新，叶燕华.混凝土结构原理.武汉理工大学出版社

[2]赵军，王新玲等.混凝土结构基本原理英文版.中国建筑工业出版社.