学习任务二 梁的正截面受弯承载力的试验分析

试验表明，钢筋混凝土受弯构件正截面的破坏特征主要与纵向受力钢筋的配筋数量有关。截面尺寸和混凝土强度等级相同的梁，根据其正截面上配置纵向受拉钢筋的数量不同,可分为3种破坏形式，如图2-11所示。

一、适筋梁破坏

1.适筋梁正截面的受力过程

钢筋混凝土构件的计算理论是建立在大量试验的基础上的。因此，在计算钢筋混凝土受弯构件以前，应该对它从开始受力直到破坏整个工作过程中的应力—应变变化规律有充分的了解。

为了着重研究正截面的应力和应变规律，钢筋混凝土梁受弯试验常采用两点对称加荷，使梁的中间区段处于纯弯曲状态，按预计的破坏荷载分级加荷，如图2-12所示。

由试验可知，在受拉区混凝土开裂之前，截面在变形后仍保持为平面。在裂缝发生之后，对于特定的裂缝截面来说，截面不再保持为绝对平面，沿截面高度测得的各纤维层的平均应变值从开始加荷到接近破坏，基本上是按直线分布的，即可以认为始终符合平截面假定。另外，随着荷载的增加，受拉区裂缝向上延伸，中和轴不断上移，受压区高度逐渐减小。

试验表明，配筋适量钢筋混凝土梁从加荷到破坏，正截面的应力和应变不断变化，其整个过程可以分为3个阶段。

第Ⅰ阶段：也称未裂阶段，如图2-13(a)所示。在刚开始加载时，荷载较小，截面上应力不大，材料处在弹性状态，受拉区和受压区混凝土应力分布图形都是三角形，受拉区混凝土未开裂，混凝土和钢筋共同承担拉力。随着荷载的增加，受拉区混凝土表现出塑性性质，其拉应力逐渐呈曲线形分布，直到受拉边缘混凝土达到极限拉应变处于即将开裂的瞬间(弯矩为M_cr)，受拉区边缘混凝土的应力达到混凝土抗拉强度f_t，进入第Ⅰ阶段末。此时受压区混凝土仍处于弹性状态，应力分布图形仍呈三角形。第Ⅰ阶段末的应力状态是受弯构件抗裂验算的依据。

第Ⅱ阶段：也称裂缝阶段，如图2-13(b)所示。荷载继续增加，受拉区混凝土开裂且裂缝向上伸展，裂缝截面的受拉混凝土退出工作，拉力几乎全部由钢筋承担，受压区混凝土也已呈现一定的塑性特征，应力分布由三角形变为平缓的曲线形。随着荷载的增加，裂缝加宽加长，中和轴的位置也逐渐上移，钢筋应力不断增大，直到达到屈服强度f_y(弯矩为M_y)而进入第Ⅱ阶段末。第Ⅱ阶段末的应力状态是受弯构件正常使用阶段变形和裂缝宽度验算的依据。

第Ⅲ阶段：也称破坏阶段，如图2-13(c)所示。随着荷载的进一步增加，由于钢筋已经屈服，此时钢筋应力不增加而应变迅速增加，混凝土裂缝很快向上开展，中和轴继续上升，受压区高度不断缩小，混凝土压应力不断增大，受压区混凝土塑性表现得更为充分，压应力图形呈现显著的曲线形。当受压区边缘混凝土的压应变达到极限压应变时，混凝土被压碎，梁就随之破坏，此时为第Ⅲ阶段末。第Ⅲ阶段末的应力状态是按极限状态方法进行受弯构件正截面承载力计算的依据。

应当指出的是，上述应力阶段是对钢筋用量适中的梁来说的，对于钢筋用量过多或过少的梁，则并非如此。

2.适筋梁正截面的破坏特征

当截面配置受拉钢筋数量适中时，即发生适筋破坏［图2-11(a)］。适筋破坏的特征是：受拉钢筋应力首先达到屈服强度f_y，继而产生很大的塑性变形，梁的挠度变形和裂缝也随之增大，最后受压区边缘混凝土达到极限压应变被压碎而破坏。破坏前，构件上有明显主裂缝和较大挠度，属于塑性破坏(也称延性破坏)。因这种情况既安全可靠又经济合理，材料强度能够充分发挥，所以在实际工程中都设计成适筋梁。

二、超筋梁破坏

当截面配置受拉钢筋数量过多时，即发生超筋破坏［图2-11(b)］。超筋破坏的特征是：受拉钢筋应力尚未达到屈服强度，受压区混凝土压应变达到极限压应变而被压碎。破坏时受拉钢筋未能充分发挥作用，构件上裂缝细密，挠度都很小，无明显征兆，属于脆性破坏。超筋破坏不仅破坏突然，而且钢筋用量大，这种情况既不安全又不经济，所以设计中必须避免采用。

三、少筋梁破坏

当截面配置受拉钢筋数量过少时，即发生少筋破坏［图2-11(c)］。少筋破坏的特征是：构件受拉区混凝土一旦出现裂缝，裂缝截面钢筋拉应力很快达到屈服强度，并可能很快经过屈服阶段进入强化阶段，导致裂缝很宽、挠度很大。这时受压区混凝土虽然还未被压碎，但对于一般的梁而言，实际上已不能正常使用，因此也就认为构件破坏了，破坏时往往只有一条裂缝。因少筋破坏是突然发生的，也属于脆性破坏，构件的承载能力又很低，所以设计中应避免采用。

综上所述，受弯构件正截面的破坏特征随配筋量多少而变化的规律是：①当配筋量太少时，破坏弯矩接近于开裂弯矩，其大小取决于混凝土的抗拉强度及截面大小；②当配筋量过多时，配筋不能充分发挥作用，构件的破坏弯矩取决于混凝土的抗压强度及截面大小，呈脆性破坏。合理的配筋量应在两者之间，避免发生少筋破坏和超筋破坏，即钢筋混凝土梁设计必须采用适筋截面。梁的正截面承载力计算公式就是在适筋破坏的基础上推导的。