淺談鋼筋混凝土受彎構(gòu)件中鋼筋用量對(duì)承載力的影響

【摘要】混凝土梁的承載力與鋼筋的配置面積密切相關(guān)，本文從“少筋梁”、“適筋梁”、“超筋梁”三方面分析鋼筋與承載力之間的關(guān)系，從而簡(jiǎn)述了一種高效的配筋比例。

【關(guān)鍵詞】混凝土構(gòu)件；受彎承載力；配筋率；梁的破壞形式

鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力與構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、截面尺寸，配筋的強(qiáng)度和面積有著密切的關(guān)系，當(dāng)構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度已確定時(shí)，增加配筋量能夠提高構(gòu)件的承載力。但認(rèn)為無(wú)論任何情況只要增加鋼筋的用量就一定能提高構(gòu)件承載力，這樣的想法是有局限性的。

在鋼筋混凝土梁設(shè)計(jì)中，只在受拉區(qū)配置縱向受力筋，這樣的梁叫單筋梁，鋼筋混凝土梁矩形截面發(fā)生破壞形式及承載力與梁中縱向受力鋼筋的數(shù)量有關(guān)，單筋梁中縱向受力筋的配置截面面積的大小在力學(xué)上用配筋率ρ表示。

當(dāng)配筋率發(fā)生變化時(shí)，梁的破壞形式和承載能力都會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)梁的破壞形式，我們把梁分為少筋梁、適筋梁和超筋梁三種方式，下面我們來(lái)探討一下這三種梁的破壞情況、承載力和鋼筋用量之間的關(guān)系。

1、少筋梁

受彎構(gòu)件在彎矩的作用下，可以分為受拉區(qū)和受壓區(qū)兩部分，當(dāng)彎矩較小時(shí)，產(chǎn)生的壓力由受壓區(qū)混凝土承擔(dān)，拉力由混凝土和鋼筋共同承擔(dān)。當(dāng)彎矩達(dá)到一定值時(shí)，受拉的混凝土上先破壞，這時(shí)在截面的受拉一側(cè)的混凝土出現(xiàn)直裂縫，原來(lái)由它所承擔(dān)的拉力就要轉(zhuǎn)移到受拉鋼筋上，使鋼筋的應(yīng)力突然增加。這時(shí)梁中的受力鋼筋配置的太少，鋼筋承受不了突然增加的那一部分拉力，鋼筋的應(yīng)力就會(huì)超過(guò)屈服強(qiáng)度甚至被拉斷，梁也斷為兩截而破壞，這樣的梁叫少筋梁。

當(dāng)梁的受拉區(qū)配筋量很小時(shí)，承載能力很小，其抗彎能力及破壞特征與不配筋的素混凝土構(gòu)件類似，受拉區(qū)混凝土一旦開(kāi)裂，則裂縫區(qū)的鋼筋拉應(yīng)力迅速達(dá)到屈服強(qiáng)度并進(jìn)入強(qiáng)化段。受拉區(qū)混凝土裂縫很寬、構(gòu)件撓度加大，而受壓混凝土并未達(dá)到極限壓應(yīng)變。這種破壞是“一裂即壞”型，破壞彎矩往往低于構(gòu)件開(kāi)裂時(shí)的彎矩，屬于脆性破壞，破壞沒(méi)有明顯的預(yù)兆，具有很大的危險(xiǎn)性，少筋梁無(wú)法滿足設(shè)計(jì)荷載狀態(tài)下所需的承載力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)禁出現(xiàn)少筋梁。各混凝土構(gòu)件在滿足計(jì)算要求的前提下，還要使配筋率大于或等于最小配筋率。

2、適筋梁

如果梁中的縱向受力鋼筋的數(shù)量適量，在荷載的作用下，梁的受拉區(qū)混凝土剛出現(xiàn)裂縫時(shí)，這時(shí)產(chǎn)生的拉力近似的認(rèn)為完全由鋼筋承受。由于鋼筋數(shù)量充足，實(shí)際鋼筋中產(chǎn)生的應(yīng)力還很小，梁仍能繼續(xù)承擔(dān)很大的荷載。當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí)，梁中的縱向受拉鋼筋首先達(dá)到屈服，這時(shí)梁仍沒(méi)有達(dá)到承載能力極限，它所承擔(dān)的荷載還能繼續(xù)增加，但由于鋼筋屈服后應(yīng)變急劇增加，引起梁的裂縫迅速增長(zhǎng)，使得受壓區(qū)混凝土的面積越來(lái)越小，最后受壓區(qū)混凝土超過(guò)極限承載能力而被壓碎，這時(shí)梁也達(dá)到了最大的承載能力，這樣的梁就是適筋梁。

同樣的截面尺寸、跨度和同樣材料強(qiáng)度的梁由于配筋量的不同，會(huì)發(fā)生本質(zhì)不同的破壞。在適筋梁范圍內(nèi)，梁的承載力和鋼筋的用量有關(guān)，它隨著配筋率的增加而增加。適筋梁的破壞有一個(gè)明顯的破壞過(guò)程，破壞時(shí)產(chǎn)生的變形和裂縫都比較大，破壞有明顯的破壞預(yù)兆，屬于延性破壞。

梁如果設(shè)計(jì)成適筋梁是很安全的，可以提前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載力失效的隱患，而且梁達(dá)到最大承載力時(shí)，鋼筋和混凝土都能達(dá)到各自的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，這兩種材料的性能都得到充分發(fā)揮，從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)說(shuō)也能更好的控制成本，提升設(shè)計(jì)的合理性，所以在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行復(fù)核，把梁設(shè)計(jì)成適筋梁。

適筋梁的抗彎能力Mu和梁的配筋率之間有下列關(guān)系：

Mu=ρfy bh02（1-0.5fy/fnm）

式中：Mu—梁所能抵抗的彎矩；fy-—鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

h0—梁有效計(jì)算高度

3、超筋梁

當(dāng)梁的截面尺寸、材料的強(qiáng)度一定時(shí)，提高梁內(nèi)鋼筋強(qiáng)度和配筋率可以一定程度的提高梁的抗彎能力。但梁中的縱向受力鋼筋配置太多，在荷載的作用下，受拉區(qū)出現(xiàn)直裂縫時(shí)，由于梁內(nèi)縱筋面積太大，相對(duì)來(lái)說(shuō)鋼筋中產(chǎn)生的拉應(yīng)力應(yīng)會(huì)很小，鋼筋的變形和梁的裂縫寬度也會(huì)很小，當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，受壓區(qū)的混凝土固達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度而破壞，這時(shí)鋼筋中的應(yīng)力可能還很小，這時(shí)梁稱為超筋梁。按照經(jīng)驗(yàn)，單筋矩形梁的經(jīng)濟(jì)配筋率約為0.6%～1.6%。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)超筋梁，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)計(jì)算荷載時(shí)已經(jīng)考慮了實(shí)際荷載可能的超出范圍，并且在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)依據(jù)規(guī)范采用各種分項(xiàng)系數(shù)予以了安全保證。如果一旦出現(xiàn)了實(shí)際荷載超過(guò)設(shè)計(jì)荷載而使結(jié)構(gòu)破壞，屬極其偶然的事件，這是設(shè)計(jì)所無(wú)法保證的（除非設(shè)計(jì)者的荷載計(jì)算發(fā)生了錯(cuò)誤），否則設(shè)計(jì)也就無(wú)法進(jìn)行了。超筋梁破壞時(shí)沒(méi)有明顯的預(yù)兆，破壞形式同少筋梁一樣屬于脆性破壞，破壞時(shí)鋼筋的強(qiáng)度還沒(méi)有充分發(fā)揮最大最用。超筋梁的弊端，首先從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)存在浪費(fèi)資源的情況。其次，從施工的角度來(lái)說(shuō)配筋率過(guò)大、鋼筋直徑大、根數(shù)多也不便于混凝土的澆筑，導(dǎo)致有混凝土澆筑難以達(dá)到密實(shí)的程度，鋼筋與混凝土結(jié)合不好，難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。其與少筋梁相比在施工環(huán)節(jié)保證質(zhì)量、設(shè)計(jì)荷載在允許范圍內(nèi)的前提下，使用還是滿足承載力要求的，況且現(xiàn)行規(guī)范也規(guī)定了設(shè)計(jì)者必須保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用過(guò)程中不發(fā)生破壞現(xiàn)象。

那么抗彎能力和鋼筋的數(shù)量之間到底有什么關(guān)系呢？經(jīng)過(guò)分析，適筋梁和超筋梁之間有一個(gè)界限的配筋率ρmax，如果梁的實(shí)際配筋率滿足ρmin≤ρ≤ρmax，時(shí)梁為適筋梁，它的抗彎能力會(huì)隨鋼筋數(shù)量的增加而增加，如果ρ>ρmax時(shí)，梁為超筋梁，設(shè)計(jì)時(shí)為了安全，它的抗彎能力可按下式計(jì)算：

Mu=f0mbh02 b（1-0.5b） b—受壓區(qū)混凝土界限相對(duì)高度

從上式可以看出，當(dāng)ρ>ρmax時(shí)，梁的承載能力與鋼筋的數(shù)量多少無(wú)關(guān)，若再增大配筋率無(wú)疑是一種浪費(fèi)，單從脆性破壞的角度分析也會(huì)給建筑物帶來(lái)安全隱患。

綜上所述，可知在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一味的增加鋼筋面積，并不能高效的提高梁的受彎承載力。設(shè)計(jì)初期合理的方案、適當(dāng)?shù)恼{(diào)整梁的截面面積、配合恰當(dāng)?shù)呐浣盥什攀窃O(shè)計(jì)的重點(diǎn)，從而才能高效的提高梁的承載能力，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈蒲生，譚宇昂.鋼筋混凝土受彎構(gòu)件粘貼加固時(shí)加固材料最大用量研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（06）.

作者簡(jiǎn)介：

楊曦，大連市中心醫(yī)院，遼寧大連。