钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算Word文档格式.docx

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图4-6矩形截面受弯构件

构件的破坏特征取决于配筋率、混凝土的强度等级、截面形式等诸多因素，但是以配筋率对构件破坏特征的影响最为明显。

试验表明，随着配筋率的改变，构件的破坏特征将发生质的变化。

下面通过图4-7所示承受两个对称集中荷载的矩形截面简支梁说明配筋率对构件破坏特征的影响。

图4-7简支试验梁

※

（1）当构件的配筋率低于某一定值时，构件不但承载能力很低，而且只要其一开裂，裂缝就急速开展，裂缝截面处的拉力全部由钢筋承受，钢筋由于突然增大的应力屈服，构件立即发生破坏（图4-7a）。

这种破坏称为少筋破坏。

※

（2）当构件的配筋率不是太低也不是太高时，构件的破坏首先是由于受拉区纵向受力钢筋屈服，然后受压区混凝土被压碎，钢筋和混凝土的强度都得到充分利用。

这种破坏称为适筋破坏。

适筋破坏在构件破坏前有明显的塑性变形和裂缝预兆，破坏不是突然发生的，呈塑性性质（图4-7b）。

※（3）当构件的配筋率超过某一定值时，构件的破坏特征又发生质的变化。

构件的破坏是由于受压区的混凝土被压碎而引起，受拉区纵向受力钢筋不屈服，这种破坏称为超筋破坏。

超筋破坏在破坏前虽然也有一定的变形和裂缝预兆，但不象适筋破坏那样明显，而且当混凝土压碎时，破坏突然发生，钢筋的强度得不到充分利用，破坏带有脆性性质（图4-7c）。

由上所述可见，少筋破坏和超筋破坏都具有脆性性质，破坏前无明显预兆，破坏时将造成严重后果，材料的强度得不到充分利用。

因此应避免将受弯构件设计成少筋构件和超筋构件，只允许设计成适筋构件。

在后面的讨论中，我们将所讨论的范围限制在适筋构件范围以内，并且将通过控制配筋率和相对受压区高度等措施使设计的构件成为适筋构件。

4.2.2适筋受弯构件截面受力的几个阶段

试验表明，对于配筋量适中的受弯构件，从开始加载到正截面完全破坏，截面的受力状态可以分为下面三个大的阶段：

图4-8适筋梁工作全过程的应力—应变图

◆第一阶段——截面开裂前的阶段

当荷载很小时，截面上的内力很小，应力与应变成正比，截面的应力分布为直线（图4-8a），这种受力阶段称为第I阶段。

当荷载不断增大时，截面上的内力也不断增大，由于受拉区混凝土出现塑性变形，受拉区的应力图形呈曲线。

当荷载增大某一数值时，受拉区边缘的混凝土可达其实际的抗拉强度和抗拉极限应变值。

截面处在开裂前的临界状态（图4-8b），这种受力状态称为第Ia阶段。

◆第二阶段——从截面开裂到受拉区纵向受力钢筋开始屈服的阶段

截面受力达Ⅰa阶段后，荷载只要稍许增加，截面立即开裂，截面上应力发生重分布，裂缝处混凝土不再承受拉应力，钢筋的拉应力突然增大，受压区混凝土出现明显的塑性变形，应力图形呈曲线（图4-8c），这种受力阶段称为第Ⅱ阶段。

荷载继续增加，裂缝进一步开展，钢筋和混凝土的应力不断增大。

当荷载增加到某一数值时，受拉区纵向受力钢筋开始屈服，钢筋应力达到其屈服强度（图4-8d），这种特定的受力状态称为Ⅱa阶段。

◆第三阶段——破坏阶段

受拉区纵向受力钢筋屈服后，截面的承载能力无明显的增加，但塑性变形急速发展，裂缝迅速开展，并向受压区延伸，受压区面积减小，受压区混凝土压力应力迅速增大，这是截面受力的第Ⅲ阶段（图4-8e）。

在荷载几乎保持不变的情况下，裂缝进一步急剧开展，受压区混凝土出现纵向裂缝，混凝土被完全压碎，截面发生破坏（图4-8f），这种特定的受力状态称为第Ⅲa阶段。

试验同时表明，从开始加载到构件破坏的整个受力过程中，变形前的平面，变形后仍保持平面。

进行受弯构件截面受力工作阶段的分析，不但可以使我们详细地了解截面受力的全过程，而且为裂缝、变形变形以及承载能力的计算提供了依据。

往后将会看到，截面抗裂验算是建立在第Ⅰa阶段的基础之上，构件使用阶段的变形和裂缝宽度验算是建立在第Ⅱ阶段的基础之上，而截面的承载能力计算则是建立在第Ⅲa阶段的基础之上的。

点击观看动画：

图4-8梁在各受力阶段的应力、应变图

4-3建筑工程受弯构件正截面承载能力计算方法

4.3.1基本假定

◆建筑工程在进行受弯构件正截面承载能力计算时，引入了如下几个基本假定：

※截面应变保持平面；

※不考虑混凝土的抗拉强度；

※混凝土受压的应力与应变关系曲线（图4-9按下列规定取用：

图4-9混凝土的应力—应变计算曲线

当εc≤εo时

（4-2

当εo<

εc≤εcu时

（4-3

（4-4

（4-5

（4-6

式中：

σc——对应于混凝土应变为εc时的混凝土压应力；

εo——对应于混凝土压应力刚达到fc时的混凝土压应变，当计算的εo值小于0.002时，应取为0.002；

εcu——正截面处于非均匀受压时的混凝土极限压应变，当计算的εcu值大于0.0033时，应取为0.0033；

fcu,k——混凝土立方体抗压强度标准值；

n——系数，当计算的n大于2.0时，应取为2.0。

n、εo和εcu的取值见表4-1。

n、εo和εcu的取值表4-1

≤C50

C55

C60

C65

C70

C75

C80

n

2

1.917

1.833

1.750

1.667

1.583

1.500

ξo

0.00200

0.002025

0.002050

0.002075

0.002100

0.002125

0.002150

ξcu

0.00330

0.00325

0.00320

0.00315

0.00310

0.00305

0.00300

※钢筋的应力取等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，但其绝对值不应大于相应的强度设计值。

受拉钢筋的极限拉应变取0.01。

4.3.2单筋矩形截面承载能力计算

矩形截面通常分为单筋矩形截面和双筋矩截面两种形式。

只在截面的受拉区配有纵向受力钢筋的矩形截面，称为单筋矩形截面（图4-10）。

不但在截面的受拉区，而且在截面的受压区同时配有纵向受力钢筋的矩形截面，称为双筋矩形截面。

需要说明的是，为了构造上的原因（例如为了形成钢筋骨架），受压区通常也需要配置纵向钢筋。

这种纵向钢筋称为架立钢筋。

架立钢筋与受力钢筋的区别是：

架立钢筋是根据构造要求设置，通常直径较细、根数较少；

而受力钢筋则是根据受力要求按计算设置，通常直径较粗、根数较多。

受压区配有架立钢筋的截面，不是双筋截面。

图4-10单筋矩形截面

根据4.3.1的基本假定，单筋矩形截面的计算简图如图4-11所示。

图4-11单筋矩形截面计算简图

为了简化计算，受压区混凝土的应力图形可进一步用一个等效的矩形应力图代替。

矩形应力图的应力取为α1fc（图4-12），fc为混凝土轴心抗压强度设计值。

所谓“等效”，是指这两个图不但压应力合力的大小相等，而且合力的作用位置完全相同。

图4-12受压区混凝土等效矩形应力图

按等效矩形应力计算的受压区高度x与按平截面假定确定的受压区高度xo之间的关系为:

（4-7

系数α1和β1的取值见表4-2。

系数α1和β1的取值表表4-2

α1

1.00

0.99

0.98

0.97

0.96

0.95

0.94

β1

0.80

0.79

0.78

0.77

0.76

0.75

0.74

◆基本计算公式

由于截面在破坏前的一瞬间处于静力平衡状态，所以，对于图4-12的受力状态可建立两个平衡方程：

一个是所有各力的水平轴方向上的合力为零，即

（4-8

式中b——矩形截面宽度；

As——受拉区纵向受力钢筋的截面面积。

另一个是所有各力对截面上任何一点的合力矩为零，当对受拉区纵向受力钢筋的合力作用点取矩时，有：

（4-9a

当对受压区混凝土压应力合力的作用点取矩时，有：

（4-9b

式中M——荷载在该截面上产生的弯矩设计值；

ho——截面的有效高度，按下计算ho=h-as。

h为截面高度，as为受拉区边缘到受拉钢筋合力作用点的距离。

按构造要求，对于处于室内正常使用环境的梁和板，当混凝土的强度等级不低于C20时，梁内钢筋的混凝土保护层最小厚度（指从构件边缘至钢筋边缘的距离）不得小于25mm，板内钢筋的混凝土保护层不得小于15mm（当混凝土的强度等级小于和等于C20时，梁和板的混凝保护层最小厚度分别为30mm和20mm）。

因此，截面的有效高度在构件设计时一般可按下面方法估算（图4-13）。

图4-13梁板的计算高度

梁的纵向受力钢筋按一排布置时，ho=h-35mm；

梁的纵向受力钢筋按两排布置时，ho=h-60mm；

板的截面有效高度ho=h-20mm。

对于处于其它使用环境的梁和板，保护层的厚度见表4-8。

式（4-8）和式（4-9）是单筋矩形截面受弯构件正截面承载力的基本计算公式。

但是应该注意，图4-12b的受力情况只能列两个独立方程，式（4-9a）和式（4-9b）不是相互独立的，只能任意选用其中一个与式（4-8）一起进行计算。

◆基本计算公式的适用条件

式（4-8）和式（4-9）是根据筋构件的破坏简图推导出的。

它们只适用于适筋构件计算，不适用于少筋构件和超筋构件计算。

在前面的讨论中已经指出，少筋构件和超筋构件的破坏都属于脆性破坏，设计时应避免将构件设计成这两类构件。

为此，任何设计的受弯构件必须满足下列两个适用条件：

▲为了防止将构件设计成少筋构件，要求构件的配筋率不得低于其最小配筋率

最小配率是少筋构件与适筋构件的界限配筋率，它是根据受弯构件的破坏弯矩等于其开裂弯矩确定的。

受弯构件的最小配筋率ρmin按构件全截面面积扣除位于受压边的翼缘面积（bf'

-bhf'

后的截面面积计算，即

（4－10）

式中A——构件全截面面积；

bf'

hf'

----分别为截面受压边缘的宽度和翼缘高度；

As,min——按最小配筋率计算的钢筋面积。

ρmin取0.2%和45ft/fy（%中的较大值。

ρmin（%）的值如表4-3所示。

建筑工程受弯构件最小配筋率ρmin值（%）表4-3

C15

C20

C25

C30

C35

C40

C45

C50

HPB235

0.200

0.236

0.272

0.306

0.336

0.386

0.405

0.420

0.437

0.448

0.459

0.467

HRB335

0.215

0.257

0.270

0.284

0.292

0.314

0.321

0.327

0.333

HRB400

RRB400

0.214

0.225

0.245

0.255

0.261

0.268

0.273

0.278

▲为了防止将构件设计成超筋构件，要求构件截面的相对受压区高度ξ不得超过其相对界限受压区高度ξb即

（4-11

相对界限受压区高度ξb是适筋构件与超筋构件相对受压区高度的界限值，它需要根据截面平面变形等假定求出。

下面分别推导有明显屈服点钢筋和无明显屈服点钢筋配筋受弯构件相对界限受压区高度ξb的计算公式。

※有明显屈服点钢筋配筋的受弯构件破坏时，受拉钢筋的应变等于钢筋的抗拉强度设计值fy与钢筋弹性量Es之比值，即ξs=fy/Es，由受压区边缘混凝土的应变为ξcu与受拉钢筋应变ξs的几何关系（图4-14）。

可推得其相对界限受压区高度ξb的计算公式为

（4－12

图4-14截面应变分布

为了方便使用，对于常用的有明显屈服点的HPB235、HRB335、HRB400和RRB400钢筋，将其抗拉强度设计值fy和弹性模量Es代入式（4-12）中，可算得它们的相对界限受压区高度ξb如表4-4所示，设计时可直接查用。

当ξ≤ξb时，受拉钢筋必定屈服，为适筋构件。

当ξ>

ξb时，受拉钢筋不屈服，为超筋构件。

建筑工程受弯构件有屈服点钢筋配筋时的ξb值表4-4

0.614

0.606

0.594

0.584

0.575

0.565

0.555

0.550

0.541

0.531

0.522

0.512

0.503

0.493

0.518

0.508

0.499

0.490

0.481

0.472

0.463

※无明显屈服点钢筋配筋受弯构件的相对界限受压区高度ξb

对于碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋以及冷轧带肋钢筋等无明显屈服点的钢筋，取对应于残余应变为0.2%时的应力σ0.2作为条件屈服点，并以此作为这类钢筋的抗拉强度设计值。

对应于条件屈服点σ0.2时的钢筋应变为（图4-15）：

图4-15无明显屈服点钢筋的应力—应变曲线

（4－13

式中fy——无明显屈服点钢筋的抗拉强度设计值；

Es——无明显屈服点钢筋的弹性模量。

根据截面平面变形等假设，可以求得无明显屈服点钢筋受弯构件相对界限受压区高度ξb的计算公式为：

（4－14

截面相对受压区高度ξ与截面配筋率ρ之间存在对应关系。

ξb求出后，可以求出适筋受弯构件截面最大配筋率的计算公式。

由式（4-8）可写出：

（4－15

（4－16

式（4-16）即为受弯构件最大配筋率的计算公式。

为了使用上的方便起见，将常用的具有明显屈服点钢筋配筋的普通钢筋混凝土受弯构件的最大配筋率ρmax列在表4-5中。

建筑工程受弯构件的截面最大配筋率ρmax（%）表4-5

钢筋等级

混凝土的强度等级

2.10

2.81

3.48

4.18

4.88

5.58

6.19

6.75

7.23

7.62

8.01

8.36

8.64

8.92

1.32

1.76

2.18

2.62

3.07

3.51

3.89

4.24

4.52

4.77

5.01

5.21

5.38

5.55

1.03

1.38

1.71

2.06

2.40

2.74

3.05

3.32

3.53

3.74

3.92

4.08

4.21

4.34

当构件按最大配筋率配筋时，由（4-9a）可以求出适筋受弯构件所能承受的最大弯矩为：

（4-17

式中αsb——截面最大的抵抗矩系数，αsb=ξb（1-ξb/2。

对于具有明显屈服点钢筋配筋的受弯构件，其截面最大的抵抗矩系数见表4-6。

建筑工程受弯构件截面最大的抵抗矩系数αsb表4-6

钢筋种类

0.4255

0.4224

0.4176

0.4135

0.4096

0.4054

0.4010

0.3988

0.3947

0.3900

0.3858

0.3809

0.3765

0.3715

0.3838

0.3790

0.3745

0.3700

0.3653

0.3606

0.3558

由上面的讨论可知，为了防止将构件设计成超筋构件，既可以用式（4-11）进行控制，也可以用：

（4-18

（4-19

进行控制。

式（4-11）、式（4-18）和式（4-19）对应于同一配筋和受力状况，因而三者是等效的。

设计经验表明，当梁、板的配筋率为：

实心板:

ρ=0.4%~0.8%

矩形梁:

ρ=0.6%~1.5%

T形梁:

ρ=0.9%~1.8%

时，构件的用钢量和造价都较经济，施工比较方便，受力性能也比较好。

因此，常将梁、板的配筋率设计在上述范围之内。

梁、板的上述配筋率称为常用配筋率，也有人称它们为经济配筋率。

由于不考虑混凝土抵抗拉力的作用，因此，只要受压区为矩形而受拉区为其它形状的受弯构件（如倒T形受弯构件），均可按矩形截面计算。

◆计算例题

在受弯构件设计中，通常会遇见下列两类问题：

一类是截面选择问题，即假定构件的截面尺寸、混凝土的强度等级、钢筋的品种以及构件上作用的荷载或截面上的内力等都是已知的（或各种因素虽然暂时未知，但可根据实际情况和设计经验假定），要求计算受拉区纵向受力钢筋所需的