鋼筋混凝土軸心受拉構件正截面承載力的教學思考

黃海林 祝明橋 曾垂軍

摘要：《混凝土結構設計規范》GB50010-2010，在鋼筋混凝土軸心受拉構件正截面承載力計算中，只給了1個公式，且條文說明中未作解釋，給學生理解和本科教學帶來了困難。本文結合本科教學中的個人體會，分別從基本概念、教學思路、試驗教學、設計方法教學以及算例教學5個方面，指出教學中具體應注意的事項，為本科教學提供參考。

關鍵詞：鋼筋混凝土；軸心受拉構件；正截面承載力；本科教學

中圖分類號：TU37；G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）39-0241-02

《混凝土結構設計原理》GB50010-2010，在鋼筋混凝土軸心受拉構件正截面承載力計算中，延用了《混凝土結構設計原理》GB50010-2002、《混凝土結構設計原理》GBJ10-89的規定，只給了1個公式，且條文說明中未作解釋，給學生理解和本科教學帶來了困難[1]。本文主要針對這部分內容，結合本科教學中的個人體會，分別從基本概念、教學思路、試驗教學、設計方法教學以及算例教學5個方面，指出教學中的注意事項，為本科教學提供參考。

一、基本概念

為了更好的讓學生理解規范，教學中首先要闡述清楚以下基本概念。

1.軸線。構件截面形心線的連線，即為構件的軸線。

2.正截面。與構件的軸線相垂直的截面，稱為正截面。

3.軸心受拉構件。縱向拉力作用線與構件軸線重合的構件，稱為軸心受拉構件。

4.理想的鋼筋混凝土軸心受拉構件幾乎不存在。實際工程中，由于荷載不可避免的偏心和構件制作過程中的不均勻性，使得理想的鋼筋混凝土軸心受拉構件幾乎不存在。

5.工程中可近似按鋼筋混凝土軸心受拉構件設計計算的典型構件。由于軸心受拉構件設計計算簡單，因此拱和桁架結構中的拉桿，以及圓形水池的池壁等結構構件，可近似按鋼筋混凝土軸心受拉構件設計計算。

6.鋼筋骨架。鋼筋混凝土軸心受拉構件中的鋼筋骨架包括縱向鋼筋和箍筋，縱向鋼筋承受軸心拉力，箍筋固定縱向鋼筋，使得縱向鋼筋在構件制作的過程中不發生變形和錯位。

二、教學思路

《混凝土結構設計原理》作為土木工程專業本科生的專業基礎課，內容主要涉及鋼筋混凝土基本構件的力學性能，是一門半理論半經驗課程，有較強的實踐性[2，3]。教學時應著重強調基本概念，結合試驗教學，讓學生深刻認識軸心受拉構件的受力性能與破壞形態，幫助學生掌握軸心受拉構件的破壞機理，基于試驗得到的破壞機理，建立軸心受拉構件正截面承載力的設計計算方法，同時使學生認識到：軸心受拉構件的設計，除了應進行計算外，尚應滿足構造要求。

三、試驗教學

試驗教學的目的就是脫離抽象教學，使學生獲得混凝土軸心受拉構件受力性能的直觀認識，最終深刻理解其破壞機理，為推導建立設計計算方法打下基礎。

具體教學時，可通過構件試驗視頻或數值模擬演示軸心受拉構件正截面受力全過程，使學生深刻理解受力全過程的三個階段，總結如下。

1.第Ⅰ階段：從開始加載到混凝土受拉開裂前。縱向鋼筋與混凝土共同承受拉力，應力與應變大致成正比，拉力N與截面平均拉應變ε■t基本呈線性關系，如圖1（a）中的OA段所示。此階段一般作為構件抗裂驗算的依據。

2.第Ⅱ階段：混凝土開裂后至縱向鋼筋屈服前。首先在截面最薄弱處產生第1條裂縫，隨著荷載增加，先后在一些截面上出現裂縫，逐漸形成圖1（b）中（Ⅱ）所示的裂縫分布形式。此時，裂縫處的混凝土不再承受拉力，所有拉力均由縱向鋼筋來承擔。拉力增加時，縱向鋼筋的應變顯著增大，反映在圖1（a）中的AB段斜率比第Ⅰ階段的OA段斜率要小。此階段可作為構件裂縫寬度和變形驗算的依據。

3.第Ⅲ階段：鋼筋屈服后的破壞階段。此過程出現屈服平臺和強化，拉力有少許增加，變形顯著增大，裂縫不斷加寬，直至構件破壞，如圖1（a）中的BC段所示。此階段可作為構件正截面承載力計算的依據。

四、設計方法教學

基于試驗教學給學生所揭示的破壞機理可以得出：對于軸心受拉構件正截面承載力的計算而言，以構件第Ⅲ階段的受力情況為基礎，但是要考慮可靠度的要求，軸心受拉構件計算簡圖如圖2所示。此時，裂縫截面上混凝土因開裂不能承受拉力，全部拉力由縱向鋼筋承受，直至鋼筋受拉屈服。如果不考慮鋼筋的強化段，鋼筋的屈服就成為軸心受拉構件的極限狀態，故軸心受拉構件正截面承載力應滿足：N≤N■u=f■yA■s （1）

式中：N為軸心拉力組合設計值；N■u為軸心受拉承載力設計值；f■y為鋼筋的抗拉強度設計值；A■s為受拉鋼筋的全部截面面積，受拉鋼筋尚應滿足規范最小配筋率的要求。

教學當中，通過分析式（1），務必強調軸心受拉構件正截面受拉承載力的計算是不是考慮混凝土受拉貢獻的。

五、算例教學

算例教學應立足工程實踐，嚴格按照“公式、數據、答案”三步式解題，使學生在全面掌握基本原理的基礎上得到有關設計的基本訓練。算例可著重圍繞公式（1）的兩類應用進行講解。

1.既有構件的承載力計算，屬于結構復核問題。這類問題一般是已知矩形截面尺寸（寬b×高h）、配筋A■s和材料強度f■y，求軸心受拉構件的正截面受拉承載力N。

2.構件的截面設計，屬于結構設計問題。這類問題一般是已知矩形截面尺寸（寬b×高h）、材料強度f■y以及截面所受的軸心拉力N，求配筋A■s。

下面通過某鋼筋混凝土屋架下弦，簡要說明構件截面設計問題。

例：已知某鋼筋混凝土屋架下弦，截面尺寸b×h=200mm×150mm，其所受的軸心拉力設計值為288kN，混凝土強度等級為C30，鋼筋為HRB400，求截面配筋。

解：HRB400級鋼筋，f■y=360N/mm2，代入式（1）得：

A■s=N/fy=288×103/360=800mm2，選用4 16，A■s=804mm2。

通過以上分析可知，在實際教學當中，建議首先從基本概念出發，借助試驗教學讓學生深刻理解軸心受拉構件正截面破壞機理，使學生掌握軸心受拉構件正截面承載力計算公式建立的試驗基礎，最后通過算例教學加深鞏固對軸心受拉構件正截面受力性能與計算方法的理解。

參考文獻：

[1]祝明橋，黃海林.混凝土結構設計原理[M].長沙：中南大學出版社，2015.

[2]祝明橋，謝獻忠，皇曉東，等.深化土木工程本科專業教學改革 加強創新型人才培養[J].當代教育理論與實踐，2015，（10）：56-59.

[3]祝明橋，霍海強，趙文武，等.基于學校工程環境實現土木工程專業實踐教學信息化[J].當代教育理論與實踐，2009，（04）：71-73.