任务二　受弯构件正截面受弯承载力的试验研究

目　　标：（1）掌握适筋梁正截面破坏特征。

（2）熟悉适筋梁的界限。

提交成果：适筋梁正截面破坏试验报告。

由于钢筋混凝土材料具有非单一性、非均质性和非线弹性的特点，所以，按照材料力学方法对其进行强度计算，不符合钢筋混凝土受弯构件的实际情况。为了建立受弯构件正截面承载力的计算公式，我们必须通过试验了解钢筋混凝土受弯构件正截面的应力分布及破坏过程。

钢筋混凝土梁正截面的破坏形式主要与纵向受拉钢筋的配筋率有关，根据配筋率的不同，可以把梁分为少筋梁、适筋梁和超筋梁，三种梁的破坏特征不同（图3-3）。

配筋率ρ可用式（3-2）求得：

一、适筋梁

由于所研究的是梁正截面承载力计算问题，因此，在试验中应该避免剪力的影响，通常是在简支梁上加两个对称的集中荷载（图3-4）。这样在两个集中荷载之间的一段就形成了只有弯矩而没有剪力的“纯弯段”。我们所测得的数据就是从“纯弯段”得到的。试验时，荷载从零分级增加，每加一级荷载后，除观察梁的外形变化外，还需用仪表测量梁的挠度、混凝土纵向纤维以及钢筋的应变，一直到梁破坏。

试验研究表明：受弯构件自加载开始至破坏的过程中，随着荷载的增加及混凝土塑性变形的发展，对于适筋梁来说，其正截面上的应力分布和应变发展过程可分为以下三个阶段。

1.第Ⅰ阶段——未裂阶段

当荷载很小时，纯弯段的弯矩很小，此时截面上的应力也很小，混凝土处于弹性工作阶段，截面上的应力与应变成正比，受拉区与受压区混凝土的应力呈线性分布。此时，受拉区的拉力由钢筋和混凝土共同承担。

随着荷载不断增加，由于混凝土抗拉性能较差，在受拉区边缘处混凝土将表现出塑性，其应力图形呈曲线变化，构件受拉区边缘应变达到混凝土受拉极限应变时，相应的边缘应力达到混凝土的抗拉强度，构件处于将裂未裂的临界状态，此时受压区混凝土仍属弹性工作阶段。此即第一阶段末尾阶段，用Ⅰa表示［图3-5（b）］。构件相应所能承受的弯矩以Mcr表示，Ⅰa阶段的截面应力图形是受弯构件抗裂验算的依据。

2.第Ⅱ阶段——裂缝阶段

如图3-5所示，随着荷载继续增加，混凝土受拉区边缘的应变超过受拉极限应变，受拉区混凝土开始出现裂缝，裂缝迅速扩大并向上延伸，中和轴也逐渐上移，裂缝所在截面的受拉区混凝土几乎完全脱离工作，拉力基本上由钢筋独自承担，钢筋的应力比起第Ⅰ阶段来突然增大。同时受压区混凝土也有了一定的塑性变形，应力图形呈平缓的曲线型。继续加载，钢筋应力将达到其屈服强度，此为第Ⅱ阶段的末尾，用Ⅱa表示，其应力图形是受弯构件正常使用阶段变形和裂缝宽度验算的依据。

3.第Ⅲ阶段——破坏阶段

如图3-5所示，钢筋屈服后，其应力不增加而应变迅速增大，促使裂缝急剧开展并向上延伸，中和轴迅速上移，受压区高度减小，混凝土的压应力增大，受压区应力图形呈显著曲线型，最终，截面受压区边缘纤维应变达到混凝土极限压应变，混凝土被压碎，构件破坏，此时为第Ⅲ阶段末尾，用Ⅲa表示，其应力图形为受弯构件正截面承载力的计算依据。

综上所述，适筋梁破坏时受拉钢筋应力先达到屈服强度，产生很大的塑性变形，而后受压区混凝土达到极限压应变被压碎，构件破坏。在破坏前，构件有明显的破坏预兆，这种破坏属于塑性破坏（也称为延性破坏）。由于适筋梁受力合理，钢筋与混凝土两种材料的强度都得到了充分发挥，且破坏前有明显的预兆，故正截面承载力计算是建立在适筋梁基础上的。

二、超筋梁

超筋梁是指受拉钢筋配置过多的梁。由于受拉钢筋配置过多，加载后受拉钢筋应力尚未达到屈服强度，受压区混凝土已先达到其极限压应变而被压碎，致使整个构件突然破坏。因为承载力由受压区混凝土控制，所以受拉区虽然配置了很多钢筋，但是也不能增加截面的承载力，这时钢筋未能发挥其应有的作用。由于超筋梁在破坏时无明显预兆，属于脆性破坏，对结构的安全不利，而且浪费钢材，因此，在实际工程中必须避免采用超筋梁。

三、少筋梁

少筋梁是指受拉钢筋配置过少的梁。由于受拉钢筋配置过少，加载后受拉区混凝土一旦出现裂缝，裂缝截面的钢筋应力就会很快地达到其屈服强度，并可能经过流幅段而进入强化阶段，甚至被拉断。此种情况下，其破坏时往往只出现一条裂缝，但裂缝开展较宽，挠度也增长较大，虽然受压区混凝土还未被压碎，但梁将产生严重下沉或断裂破坏。少筋梁的破坏主要取决于混凝土的抗拉强度，其破坏性质也属于脆性破坏。由于少筋梁在破坏时受压区混凝土没有得到充分的利用，其破坏性质属于脆性破坏，且构件的承载力又低，所以实际工程中也应避免采用少筋梁。

四、适筋梁、超筋梁、少筋梁的界限

1.适筋梁与超筋梁的界限——界限相对受压区高度ξb

比较适筋梁和超筋梁的破坏过程，可发现，前者始于受拉钢筋屈服，后者始于受压区混凝土被压碎。理论上，两者之间存在一种界限状态：当受拉钢筋达到屈服强度时，受压区混凝土的边缘同时达到极限压应变，我们称为界限破坏状态。

定义相对受压区高度为

适筋梁界限破坏时，其相对界限受压区高度为

式中　xb——适筋梁界限破坏时等效矩形应力图形的受压区高度。

ξb是用来衡量构件破坏时钢筋能否充分利用的一个特征值。若ξ＞0.85ξb，构件破坏时受拉钢筋不能屈服，表明构件的破坏为超筋破坏；若ξ≤0.85ξb，构件破坏时受拉钢筋已经达到屈服强度，表明构件发生的不是超筋破坏。

对有屈服点普通钢筋，相对界限受压区高度应按下式计算：

式中　Es——钢筋弹性模量。

常用钢筋的ξb值见表3-4。

2.适筋梁与少筋梁的界限——截面最小配筋率ρmin

最小配筋率ρmin为少筋梁与适筋梁的界限，是根据钢筋混凝土梁所能承担的极限弯矩Mu与相同截面素混凝土所能承担的极限弯矩Mcr相等的原则，并考虑温度及收缩应力的影响，以及过去的设计经验而确定的。（GB 50010—2002）规定的纵向受力钢筋最小配筋率见表3-5。