鋼筋混凝土梁配筋計算與靜荷載作用下抗彎試驗研究

李思思 楊敬林 孫濤 梁松虎

摘 要：鋼筋混凝土梁的配筋采用理論計算與工程經驗相結合方式施工，缺少理論計算與試驗驗證相結合的施工方法。對此，依據設計規范對凈跨度為2.4m的梁進行設計和配筋計算，按照計算結果設置不同配筋率混凝土梁試件進行抗彎試驗。試驗結果表明不同配筋率混凝土梁在荷載作用下發生破壞時荷載大小不同，配筋率高其抵抗荷載破壞值大。低配筋率混凝土梁受彎破壞時裂縫少，高配筋率裂縫數增加，配筋率可影響梁破壞的延緩性。設計的混凝土梁試件中配筋率為0.5%時梁所能承受的抗彎性最好。

關鍵詞：鋼筋混凝土梁；配筋；裂縫；抗彎試驗；

中圖分類號：TU241 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）32-0155-03

1 概 述

鋼筋混凝土梁是現代建筑中常見的建筑構件，是將混凝土抗壓性能強和鋼筋抗拉強度高等特征結好起來，因此鋼筋混凝土梁能夠承受荷載作用下內部產生的拉應力和壓應力。房屋建筑工程中鋼筋混凝土梁一般承受由上部構件傳來的靜荷載作用[1-3]。在進行鋼筋混凝土結構設計時根據建筑上部傳給梁的荷載，按梁所能承受該荷載作用下極限狀態進行配筋。鋼筋混凝土梁承受荷載作用達到極限破壞狀態與梁橫截面類型、大小、混凝土強度、鋼筋強度等多因素相關[4-6]。鋼筋混凝土梁的破壞形式有少筋破壞、適筋破壞和超筋破壞。其中少筋破壞是一種脆性破壞，在破壞前無裂縫出現等征兆，超筋破壞是構件因混凝土承載達到極限鋼筋未達到屈服的一種脆性破壞[7]。鋼筋混凝土梁進行配筋計算的目的是在極限荷載以下時避免構件發生破壞，設計計算的原理是構件所受荷載達到極限狀態時構件屬于適筋破壞，由于適筋破壞是一種徐變，可在一定程度上保護生命財產安全。本文對鋼筋混凝土梁配筋計算的一般方法進行試件設計，并根據所計算的結果，按不同配筋情況進行試驗研究[8-10]。用試驗結果驗證理論計算，以期為鋼混凝土梁配筋提供合理的參考依據。

2 試件設計

試件高度依據混凝土結構設計規范《GB50010-2010》梁高度為跨度的1/8～1/14L。試驗設計的梁凈跨度L為2.4 m，則梁高度h按最大值設計為300 mm，梁寬度b按1/3～1/2 h設計為

150 mm，梁的鋼筋保護層厚度為20 mm。試件設計梁所能承受的均布靜力總荷載為14 kN/m。

4 抗彎試驗

根據混凝土梁試件設計及配筋計算結果，采用不同抗拉配筋面積進行抗彎試驗。表1為配筋梁的各項設計參數。混凝土按C30強度標準進行設計配合比，每根梁澆筑時取部分混凝土做成150 mm標準試塊，養護28 d后放入萬能壓力機進行實際抗壓強檢測。試件梁的凈跨度為2.4 m，考慮支座的支撐作用，梁的實際長度為2.6 m。支座處防止混凝土局部受損采用寬度

100 mm，厚10 mm的鐵板墊塊。試件梁進行受壓時需觀察梁破壞情況，因此中間跨度長為0.8 m處不設置箍筋。

試件梁的大小、支座及及箍筋布置如圖1所示，試件制作時采用變形較小在硬塑膠板拼接制模。澆筑混凝土時先在模板中澆筑20mm厚作為鋼筋保護層厚度，然后將鋼筋骨架放入模板中，將剩余混凝土澆鑄完畢搗實。梁澆鑄完成后，一周內須每天灑水進行養護，28 d后進行抗彎試驗檢測。

4.1 試件抗彎測量方法

本次試驗采用200 kN液壓千斤頂進行加載，通過工字型鋼梁將一點集中力分成兩點集中力，兩點集中力相隔間距為

0.8 m。同樣為防止混凝土受集中作用力下的局部破壞，在混凝土上每個作用點加上鋼板保護墊塊。加載過程中，初始階段以每秒3至5KN的速度進行加載，隨后加載速度度減緩至1 KN/S以下的加載速度，以便觀察混凝土梁受彎破壞時裂縫變化。

4.2 試件抗彎測量結果與分析

不同配筋率的混凝土梁試件進行受彎破壞時第1裂縫出現時荷載值，如圖2所示。L-1梁的配筋率是0.22%，通過計算得出的最少配筋率為0.28%，所以L-1梁是設計梁當中的少筋梁，其余4類梁均超過最低配筋率。5類梁中出現第1 條裂縫時表明該梁已開始發生破壞，通過圖2可知，混凝土梁配筋率逐漸增大，其出現第1條裂縫的荷載值越大。L-1梁是少筋梁，當荷載為23.6 KN時，L-1混凝土梁試件中的鋼筋開始出現變形，梁內部應力發生重分布，抗拉區混凝土承受的拉應力增加，中間混凝土開始出現第1條裂縫。而此時梁中間部分的彎矩值為

13.44 KN·m，已超出設計荷載作用下彎矩最大值10.08 KN·m。這也證明了按規范設計的配筋是具有一定的安全系數，在低于設計極限配筋率情況下混凝土梁仍可達到設計荷載作用下抗彎性能。隨著配筋率的增加，L-2、L-3、L-4、L-5混凝土梁試件出現第1條裂縫的荷載值相應增加。通過觀察L-4和L-5出現第1條裂縫時上部混凝土已有部分壓碎，說明L-4和L-5屬于超筋梁。混凝土梁上部受壓區混凝土壓碎，受拉鋼筋雖未屈服，此時梁已失去原有的作用，表明該梁已經破壞。L-1、L-2、L-3梁為少筋和適筋梁，對應的配筋率分別為0.22%、0.35、0.50%。其中L-1的配筋率比設計最低極限配筋率低21.4%，而L-3梁比設計最低極限配筋率高78.6%。說明本次設計的混凝土梁試件在最低極限配筋率-21.4%和最低極限配筋率78.6%這一范圍內的配筋率均發適筋破壞。為了保證結構實際工作中的安全，對梁進行配筋設計時不能低于最低極限配筋率，也不宜高出配最低極限配筋率的78.6%。

混凝土梁試件出現第1條裂縫時表明混凝土受拉鋼筋開始屈服，但此時梁具有一定的承載力并未完全破壞，因此試驗繼續對其進行加載。不同配筋率混凝土梁試件破壞時裂縫數，如圖3所示，本次試驗僅對裂縫長度大于100 mm的裂縫進行統計。由圖3中的折線圖趨勢可知，隨著配筋率的增加，梁表面出現的裂縫越來越多。當配筋率達到0.5%時，繼續增加配筋率，混凝土破壞時裂縫數并未增加，略有所下降。已有研究中不加鋼筋或少筋的混凝土梁，受彎破壞時只會出現1到3條裂縫，屬于脆性破壞。本研究最低配筋率0.22%，鋼筋混凝土梁試件破壞時出現9條裂縫，表明試件破壞并不是脆性破壞。混凝土梁試件設計在未達到超筋配置鋼筋時，配筋率高混凝土梁出現的裂縫數就多。說明配筋率能提高混凝土梁受彎破壞的延緩性能，使更多的混凝土截面產生抵抗彎矩能力，減少應力集中在某一截面上。超筋配置的混凝土梁，破壞時混凝土梁上部先壓碎，混凝土出現的裂縫數趨于穩定。通過對裂縫形狀進行觀察，L-1和L-2梁出現的裂縫呈豎直狀態，L-3、L-4和L-5梁中間裂縫呈豎直狀態，兩邊裂縫呈傾斜狀態。

最后試驗對不同配筋率混凝土梁完全破壞時荷載值進行統計，L-1、L-2、L-3、L-4、L-5梁所對應的破壞荷載分別為37.29 kN、44.16 kN、49.21 kN、48.43 kN、47.85 kN。其中L-1和L-2梁下部受拉鋼筋全部拉斷，而L-3、L-4、L-5下部受拉鋼筋沒有拉斷，但梁上部混凝土局部壓碎嚴重失去承載能力。梁L-1破壞是沿一條裂縫從下至上開裂破壞，L-2是上部出現局部混凝土壓碎，下部有裂縫，破壞時不沿裂縫從下至上形成通縫破壞。L-3梁下部受拉區有多處寬度較大裂縫且分散，上部局部混凝土壓碎。L-4和L-5梁下部混凝土裂縫較密集，上部多處混凝土壓碎。通過對L-1和L-2梁破壞處的裂縫分析，中間沖毀分受彎荷載相同時，梁破壞時并不一定是沿正中間縫隙開裂斷開，而是沿中間0.8 m處隨機產生的裂縫斷開。因為混凝土梁試件受壓時中間0.8 m處梁內部每一個截面抵抗彎矩作用是相同的，所以每個截面均可能出現斷裂破壞。通過以上不同配筋率混凝土梁試件的破壞試驗，配筋率為0.50%時，鋼筋混凝土梁承受荷載作用最大。

5 結 語

本文通過對設計梁截面為150×300 mm，凈跨度為2.4 m鋼筋混凝土梁的配筋計算進行析，計算出梁下部受拉區最低配筋率為0.28%。按設計梁尺寸和計算結果制作鋼筋混凝土梁試件，其中梁的混凝土材料和鋼筋材料以及外形尺寸均一致但設置受拉區的配筋面積不同。不同配筋率混凝土梁試件開始出現破壞時荷載不同，隨配筋率的增加第1條裂縫出現時荷載值增加。通過低于極限荷載配筋率的混凝土梁試件設計并進行抗彎破壞試驗，發現其仍能達到設計荷載作用下所承受的最大彎矩值。說明規范中設計的最低極限荷載是有一定富余安全系數。對試件進行完全抗彎破壞過程中裂縫數和裂縫形態分析，配筋率增加，混凝土梁破壞時裂縫數增多，配筋率大于0.5%后其裂縫數不隨配筋率增加而增加。配筋率可影響到混凝土破壞時的延緩性。低配筋率的混凝土梁產生的裂縫呈豎直態，高配筋率則在由中間向兩邊，裂縫由豎直擴散呈傾斜狀。低配筋率混凝土梁下部受拉區鋼筋屈服斷裂后，受彎矩作用相同的混凝土截面均可能出現斷裂破壞。配筋率較高混凝土梁破壞時梁上部混凝土被壓碎，受拉鋼筋未拉斷。以上不同配筋率混凝土梁設計試件受彎破壞時所能承受最大荷載的配筋率為0.5%，選擇適宜配筋率可提高鋼筋混凝土梁抗彎能力。

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