鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件正截面承載力的教學(xué)思考

黃海林 祝明橋 曾垂軍

摘要：《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010，在鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件正截面承載力計(jì)算中，只給了1個(gè)公式，且條文說明中未作解釋，給學(xué)生理解和本科教學(xué)帶來了困難。本文結(jié)合本科教學(xué)中的個(gè)人體會(huì)，分別從基本概念、教學(xué)思路、試驗(yàn)教學(xué)、設(shè)計(jì)方法教學(xué)以及算例教學(xué)5個(gè)方面，指出教學(xué)中具體應(yīng)注意的事項(xiàng)，為本科教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；軸心受拉構(gòu)件；正截面承載力；本科教學(xué)

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

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》GB50010-2010，在鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件正截面承載力計(jì)算中，延用了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》GB50010-2002、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》GBJ10-89的規(guī)定，只給了1個(gè)公式，且條文說明中未作解釋，給學(xué)生理解和本科教學(xué)帶來了困難[1]。本文主要針對這部分內(nèi)容，結(jié)合本科教學(xué)中的個(gè)人體會(huì)，分別從基本概念、教學(xué)思路、試驗(yàn)教學(xué)、設(shè)計(jì)方法教學(xué)以及算例教學(xué)5個(gè)方面，指出教學(xué)中的注意事項(xiàng)，為本科教學(xué)提供參考。

一、基本概念

為了更好的讓學(xué)生理解規(guī)范，教學(xué)中首先要闡述清楚以下基本概念。

1.軸線。構(gòu)件截面形心線的連線，即為構(gòu)件的軸線。

2.正截面。與構(gòu)件的軸線相垂直的截面，稱為正截面。

3.軸心受拉構(gòu)件。縱向拉力作用線與構(gòu)件軸線重合的構(gòu)件，稱為軸心受拉構(gòu)件。

4.理想的鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件幾乎不存在。實(shí)際工程中，由于荷載不可避免的偏心和構(gòu)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(gòu)件幾乎不存在。

5.工程中可近似按鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算的典型構(gòu)件。由于軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算簡單，因此拱和桁架結(jié)構(gòu)中的拉桿，以及圓形水池的池壁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可近似按鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算。

6.鋼筋骨架。鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)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(gòu)件制作的過程中不發(fā)生變形和錯(cuò)位。

二、教學(xué)思路

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》作為土木工程專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容主要涉及鋼筋混凝土基本構(gòu)件的力學(xué)性能，是一門半理論半經(jīng)驗(yàn)課程，有較強(qiáng)的實(shí)踐性[2，3]。教學(xué)時(shí)應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)基本概念，結(jié)合試驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)軸心受拉構(gòu)件的受力性能與破壞形態(tài)，幫助學(xué)生掌握軸心受拉構(gòu)件的破壞機(jī)理，基于試驗(yàn)得到的破壞機(jī)理，建立軸心受拉構(gòu)件正截面承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，同時(shí)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到：軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計(jì)，除了應(yīng)進(jìn)行計(jì)算外，尚應(yīng)滿足構(gòu)造要求。

三、試驗(yàn)教學(xué)

試驗(yàn)教學(xué)的目的就是脫離抽象教學(xué)，使學(xué)生獲得混凝土軸心受拉構(gòu)件受力性能的直觀認(rèn)識(shí)，最終深刻理解其破壞機(jī)理，為推導(dǎo)建立設(shè)計(jì)計(jì)算方法打下基礎(chǔ)。

具體教學(xué)時(shí)，可通過構(gòu)件試驗(yàn)視頻或數(shù)值模擬演示軸心受拉構(gòu)件正截面受力全過程，使學(xué)生深刻理解受力全過程的三個(gè)階段，總結(jié)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(yīng)力與應(yīng)變大致成正比，拉力N與截面平均拉應(yīng)變?chǔ)拧鰐基本呈線性關(guān)系，如圖1（a）中的OA段所示。此階段一般作為構(gòu)件抗裂驗(yàn)算的依據(jù)。

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(chǎn)生第1條裂縫，隨著荷載增加，先后在一些截面上出現(xiàn)裂縫，逐漸形成圖1（b）中（Ⅱ）所示的裂縫分布形式。此時(shí)，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(dān)。拉力增加時(shí)，縱向鋼筋的應(yīng)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(gòu)件裂縫寬度和變形驗(yàn)算的依據(jù)。

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

四、設(shè)計(jì)方法教學(xué)

基于試驗(yàn)教學(xué)給學(xué)生所揭示的破壞機(jī)理可以得出：對于軸心受拉構(gòu)件正截面承載力的計(jì)算而言，以構(gòu)件第Ⅲ階段的受力情況為基礎(chǔ)，但是要考慮可靠度的要求，軸心受拉構(gòu)件計(jì)算簡圖如圖2所示。此時(shí)，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(qiáng)化段，鋼筋的屈服就成為軸心受拉構(gòu)件的極限狀態(tài)，故軸心受拉構(gòu)件正截面承載力應(yīng)滿足：N≤N■u=f■yA■s （1）

式中：N為軸心拉力組合設(shè)計(jì)值；N■u為軸心受拉承載力設(shè)計(jì)值；f■y為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A■s為受拉鋼筋的全部截面面積，受拉鋼筋尚應(yīng)滿足規(guī)范最小配筋率的要求。

教學(xué)當(dāng)中，通過分析式（1），務(wù)必強(qiáng)調(diào)軸心受拉構(gòu)件正截面受拉承載力的計(jì)算是不是考慮混凝土受拉貢獻(xiàn)的。

五、算例教學(xué)

算例教學(xué)應(yīng)立足工程實(shí)踐，嚴(yán)格按照“公式、數(shù)據(jù)、答案”三步式解題，使學(xué)生在全面掌握基本原理的基礎(chǔ)上得到有關(guān)設(shè)計(jì)的基本訓(xùn)練。算例可著重圍繞公式（1）的兩類應(yīng)用進(jìn)行講解。

1.既有構(gòu)件的承載力計(jì)算，屬于結(jié)構(gòu)復(fù)核問題。這類問題一般是已知矩形截面尺寸（寬b×高h(yuǎn)）、配筋A(yù)■s和材料強(qiáng)度f■y，求軸心受拉構(gòu)件的正截面受拉承載力N。

2.構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)，屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。這類問題一般是已知矩形截面尺寸（寬b×高h(yuǎn)）、材料強(qiáng)度f■y以及截面所受的軸心拉力N，求配筋A(yù)■s。

下面通過某鋼筋混凝土屋架下弦，簡要說明構(gòu)件截面設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)值為288kN，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋為HRB400，求截面配筋。

解：HRB400級(jí)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(shí)際教學(xué)當(dāng)中，建議首先從基本概念出發(fā)，借助試驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生深刻理解軸心受拉構(gòu)件正截面破壞機(jī)理，使學(xué)生掌握軸心受拉構(gòu)件正截面承載力計(jì)算公式建立的試驗(yàn)基礎(chǔ)，最后通過算例教學(xué)加深鞏固對軸心受拉構(gòu)件正截面受力性能與計(jì)算方法的理解。

參考文獻(xiàn)：

[1]祝明橋，黃海林.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2015.

[2]祝明橋，謝獻(xiàn)忠，皇曉東，等.深化土木工程本科專業(yè)教學(xué)改革 加強(qiáng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2015，（10）：56-59.

[3]祝明橋，霍海強(qiáng)，趙文武，等.基于學(xué)校工程環(huán)境實(shí)現(xiàn)土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)信息化[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2009，（04）：71-73.