淺談鋼筋混凝土受彎構(gòu)件中鋼筋用量對承載力的影響

【摘要】混凝土梁的承載力與鋼筋的配置面積密切相關(guān)，本文從“少筋梁”、“適筋梁”、“超筋梁”三方面分析鋼筋與承載力之間的關(guān)系，從而簡述了一種高效的配筋比例。

【關(guān)鍵詞】混凝土構(gòu)件；受彎承載力；配筋率；梁的破壞形式

鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力與構(gòu)件的混凝土強度等級、截面尺寸，配筋的強度和面積有著密切的關(guān)系，當(dāng)構(gòu)件的截面尺寸和材料強度已確定時，增加配筋量能夠提高構(gòu)件的承載力。但認(rèn)為無論任何情況只要增加鋼筋的用量就一定能提高構(gòu)件承載力，這樣的想法是有局限性的。

在鋼筋混凝土梁設(shè)計中，只在受拉區(qū)配置縱向受力筋，這樣的梁叫單筋梁，鋼筋混凝土梁矩形截面發(fā)生破壞形式及承載力與梁中縱向受力鋼筋的數(shù)量有關(guān)，單筋梁中縱向受力筋的配置截面面積的大小在力學(xué)上用配筋率ρ表示。

當(dāng)配筋率發(fā)生變化時，梁的破壞形式和承載能力都會發(fā)生變化。根據(jù)梁的破壞形式，我們把梁分為少筋梁、適筋梁和超筋梁三種方式，下面我們來探討一下這三種梁的破壞情況、承載力和鋼筋用量之間的關(guān)系。

1、少筋梁

受彎構(gòu)件在彎矩的作用下，可以分為受拉區(qū)和受壓區(qū)兩部分，當(dāng)彎矩較小時，產(chǎn)生的壓力由受壓區(qū)混凝土承擔(dān)，拉力由混凝土和鋼筋共同承擔(dān)。當(dāng)彎矩達(dá)到一定值時，受拉的混凝土上先破壞，這時在截面的受拉一側(cè)的混凝土出現(xiàn)直裂縫，原來由它所承擔(dān)的拉力就要轉(zhuǎn)移到受拉鋼筋上，使鋼筋的應(yīng)力突然增加。這時梁中的受力鋼筋配置的太少，鋼筋承受不了突然增加的那一部分拉力，鋼筋的應(yīng)力就會超過屈服強度甚至被拉斷，梁也斷為兩截而破壞，這樣的梁叫少筋梁。

當(dāng)梁的受拉區(qū)配筋量很小時，承載能力很小，其抗彎能力及破壞特征與不配筋的素混凝土構(gòu)件類似，受拉區(qū)混凝土一旦開裂，則裂縫區(qū)的鋼筋拉應(yīng)力迅速達(dá)到屈服強度并進入強化段。受拉區(qū)混凝土裂縫很寬、構(gòu)件撓度加大，而受壓混凝土并未達(dá)到極限壓應(yīng)變。這種破壞是“一裂即壞”型，破壞彎矩往往低于構(gòu)件開裂時的彎矩，屬于脆性破壞，破壞沒有明顯的預(yù)兆，具有很大的危險性，少筋梁無法滿足設(shè)計荷載狀態(tài)下所需的承載力，設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)禁出現(xiàn)少筋梁。各混凝土構(gòu)件在滿足計算要求的前提下，還要使配筋率大于或等于最小配筋率。

2、適筋梁

如果梁中的縱向受力鋼筋的數(shù)量適量，在荷載的作用下，梁的受拉區(qū)混凝土剛出現(xiàn)裂縫時，這時產(chǎn)生的拉力近似的認(rèn)為完全由鋼筋承受。由于鋼筋數(shù)量充足，實際鋼筋中產(chǎn)生的應(yīng)力還很小，梁仍能繼續(xù)承擔(dān)很大的荷載。當(dāng)荷載達(dá)到一定值時，梁中的縱向受拉鋼筋首先達(dá)到屈服，這時梁仍沒有達(dá)到承載能力極限，它所承擔(dān)的荷載還能繼續(xù)增加，但由于鋼筋屈服后應(yīng)變急劇增加，引起梁的裂縫迅速增長，使得受壓區(qū)混凝土的面積越來越小，最后受壓區(qū)混凝土超過極限承載能力而被壓碎，這時梁也達(dá)到了最大的承載能力，這樣的梁就是適筋梁。

同樣的截面尺寸、跨度和同樣材料強度的梁由于配筋量的不同，會發(fā)生本質(zhì)不同的破壞。在適筋梁范圍內(nèi)，梁的承載力和鋼筋的用量有關(guān)，它隨著配筋率的增加而增加。適筋梁的破壞有一個明顯的破壞過程，破壞時產(chǎn)生的變形和裂縫都比較大，破壞有明顯的破壞預(yù)兆，屬于延性破壞。

梁如果設(shè)計成適筋梁是很安全的，可以提前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載力失效的隱患，而且梁達(dá)到最大承載力時，鋼筋和混凝土都能達(dá)到各自的設(shè)計強度，這兩種材料的性能都得到充分發(fā)揮，從經(jīng)濟的角度來說也能更好的控制成本，提升設(shè)計的合理性，所以在設(shè)計階段應(yīng)該對各構(gòu)件進行復(fù)核，把梁設(shè)計成適筋梁。

適筋梁的抗彎能力Mu和梁的配筋率之間有下列關(guān)系：

Mu=ρfy bh02（1-0.5fy/fnm）

式中：Mu—梁所能抵抗的彎矩；fy-—鋼筋的抗拉強度設(shè)計值；

h0—梁有效計算高度

3、超筋梁

當(dāng)梁的截面尺寸、材料的強度一定時，提高梁內(nèi)鋼筋強度和配筋率可以一定程度的提高梁的抗彎能力。但梁中的縱向受力鋼筋配置太多，在荷載的作用下，受拉區(qū)出現(xiàn)直裂縫時，由于梁內(nèi)縱筋面積太大，相對來說鋼筋中產(chǎn)生的拉應(yīng)力應(yīng)會很小，鋼筋的變形和梁的裂縫寬度也會很小，當(dāng)荷載增加到一定程度時，受壓區(qū)的混凝土固達(dá)到極限抗壓強度而破壞，這時鋼筋中的應(yīng)力可能還很小，這時梁稱為超筋梁。按照經(jīng)驗，單筋矩形梁的經(jīng)濟配筋率約為0.6%～1.6%。設(shè)計時應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)超筋梁，因為在設(shè)計計算荷載時已經(jīng)考慮了實際荷載可能的超出范圍，并且在結(jié)構(gòu)計算時依據(jù)規(guī)范采用各種分項系數(shù)予以了安全保證。如果一旦出現(xiàn)了實際荷載超過設(shè)計荷載而使結(jié)構(gòu)破壞，屬極其偶然的事件，這是設(shè)計所無法保證的（除非設(shè)計者的荷載計算發(fā)生了錯誤），否則設(shè)計也就無法進行了。超筋梁破壞時沒有明顯的預(yù)兆，破壞形式同少筋梁一樣屬于脆性破壞，破壞時鋼筋的強度還沒有充分發(fā)揮最大最用。超筋梁的弊端，首先從經(jīng)濟角度來說存在浪費資源的情況。其次，從施工的角度來說配筋率過大、鋼筋直徑大、根數(shù)多也不便于混凝土的澆筑，導(dǎo)致有混凝土澆筑難以達(dá)到密實的程度，鋼筋與混凝土結(jié)合不好，難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。其與少筋梁相比在施工環(huán)節(jié)保證質(zhì)量、設(shè)計荷載在允許范圍內(nèi)的前提下，使用還是滿足承載力要求的，況且現(xiàn)行規(guī)范也規(guī)定了設(shè)計者必須保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用過程中不發(fā)生破壞現(xiàn)象。

那么抗彎能力和鋼筋的數(shù)量之間到底有什么關(guān)系呢？經(jīng)過分析，適筋梁和超筋梁之間有一個界限的配筋率ρmax，如果梁的實際配筋率滿足ρmin≤ρ≤ρmax，時梁為適筋梁，它的抗彎能力會隨鋼筋數(shù)量的增加而增加，如果ρ>ρmax時，梁為超筋梁，設(shè)計時為了安全，它的抗彎能力可按下式計算：

Mu=f0mbh02 b（1-0.5b） b—受壓區(qū)混凝土界限相對高度

從上式可以看出，當(dāng)ρ>ρmax時，梁的承載能力與鋼筋的數(shù)量多少無關(guān)，若再增大配筋率無疑是一種浪費，單從脆性破壞的角度分析也會給建筑物帶來安全隱患。

綜上所述，可知在實際設(shè)計中，一味的增加鋼筋面積，并不能高效的提高梁的受彎承載力。設(shè)計初期合理的方案、適當(dāng)?shù)恼{(diào)整梁的截面面積、配合恰當(dāng)?shù)呐浣盥什攀窃O(shè)計的重點，從而才能高效的提高梁的承載能力，達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果。

參考文獻：

[1]沈蒲生，譚宇昂.鋼筋混凝土受彎構(gòu)件粘貼加固時加固材料最大用量研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（06）.

作者簡介：

楊曦，大連市中心醫(yī)院，遼寧大連。