鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面的破壞機(jī)理.doc

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面的破壞機(jī)理截面形式：梁、板常用矩形，T形，形，槽形等。下面以單筋矩形截面梁為例進(jìn)行分析，其余截面形狀梁可參考單筋矩形截面梁。單筋截面梁又分為適筋梁，超筋梁，少筋梁。適筋梁正截面受彎承載力的實(shí)驗(yàn)：一、實(shí)驗(yàn)裝置二、實(shí)驗(yàn)梁三、彎矩-曲率圖適筋梁正截面受彎的全過(guò)程劃分為三個(gè)階段未裂階段、裂縫階段、破壞階段。第一階段：從加載開(kāi)始至混凝土開(kāi)裂瞬間，也叫整體工作階段。 荷載很小時(shí)，彎矩很小，各纖維應(yīng)變也小，混凝土基本處于彈性階段，截面變形符合平截面假設(shè)。（垂直于桿件軸線的各平截面（即桿的橫截面）在桿件受拉伸、壓縮或純彎曲而變形后仍然為平面，并且同變形后的桿件軸線垂直。根據(jù)這一假設(shè)，若桿件受拉伸或壓縮，則各橫截面只作平行移動(dòng)，而且每個(gè)橫截面的移動(dòng)可由一個(gè)移動(dòng)量確定；若桿件受純彎曲,則各橫截面只作轉(zhuǎn)動(dòng),而且每個(gè)橫截面的轉(zhuǎn)動(dòng)可由兩個(gè)轉(zhuǎn)角確定。利用桿件微段的平衡條件和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即可求出上述移動(dòng)量和轉(zhuǎn)角，進(jìn)而可求出桿內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力。如果桿上不僅有力矩，而且還有剪力，則橫截面在變形后不再為平面。但對(duì)于細(xì)長(zhǎng)桿，剪力引起的變形遠(yuǎn)小于彎曲變形，平截面假設(shè)近似可用。）荷載-撓度曲線（彎矩-曲率曲線）基本接近直線。拉力由鋼筋和混凝土共同承擔(dān)，變形相同，鋼筋應(yīng)力很小。受拉受壓區(qū)混凝土均處于彈性工作階段，應(yīng)力、應(yīng)變分布均為三角形。 繼續(xù)加載，彎矩增大，應(yīng)變也隨之增大?；炷潦芾吘壋霈F(xiàn)塑性變形，受拉應(yīng)力圖呈曲線，中性軸上移。繼續(xù)加載，受拉區(qū)邊緣混凝土達(dá)到極限拉應(yīng)變，即將開(kāi)裂。第二階段：從混凝土開(kāi)裂到受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，又稱(chēng)帶裂工作階段。 在彎矩作用下受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂，退出工作，開(kāi)裂前混凝土承擔(dān)的拉力轉(zhuǎn)移到鋼筋上，鋼筋承擔(dān)的應(yīng)力突增，中性軸大幅度上移。隨著荷載不斷增大，裂縫越來(lái)越到，混凝土逐步退出工作，截面抗彎剛度降低，彎矩-曲率曲線有明顯的轉(zhuǎn)折。 荷載繼續(xù)增加，鋼筋拉應(yīng)力、撓度變形不斷增大，裂縫寬度也不斷開(kāi)展，受壓區(qū)混凝土面積不斷減小，應(yīng)力和應(yīng)變不斷增加，受壓區(qū)混凝土彈塑性特性表現(xiàn)得越來(lái)越顯著，受壓區(qū)應(yīng)力圖形逐漸呈曲線分布。當(dāng)鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，梁的受力性能將發(fā)生質(zhì)變。 正常工作的梁一般都處于第二階段，該階段的應(yīng)力狀態(tài)為正常使用階段和裂縫寬度計(jì)算的依據(jù)。第三階段：從受拉筋屈服至受壓區(qū)混凝土被壓碎，又稱(chēng)為破壞階段。 此時(shí)，撓度，截面曲率和鋼筋應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折。對(duì)于適筋梁，鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服時(shí)，受壓區(qū)混凝土一般尚未壓壞。繼續(xù)加載，鋼筋繼續(xù)變形但是應(yīng)力不變，只是應(yīng)變急劇增加，裂縫顯著開(kāi)展，中性軸上升，壓區(qū)面積減小，從而使壓區(qū)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變迅速增大，混凝土受壓的塑性特征表現(xiàn)的更充分，截面彎矩略有增加。繼續(xù)加載，最終混凝土壓應(yīng)變達(dá)到極限，超過(guò)極限應(yīng)變值，混凝土開(kāi)始?jí)簤?，梁達(dá)到承載力極限。 第三階段荷載增加的少，但是鋼筋拉應(yīng)變和受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)變都發(fā)展很快，截面曲率和梁的撓度變形也迅速增大。第三階段末為正截面承載能力極限狀態(tài)的計(jì)算依據(jù)。以上實(shí)驗(yàn)為適筋破壞實(shí)驗(yàn)，除了適筋梁，還有少筋梁和超筋梁破壞。少筋梁破壞： 受拉區(qū)配筋過(guò)少，當(dāng)加載至開(kāi)裂時(shí)，裂縫處截面拉力全部由鋼筋承擔(dān)，鋼筋應(yīng)力劇增，因?yàn)殇摻顢?shù)量少，應(yīng)力很快達(dá)到屈服，甚至迅速進(jìn)入強(qiáng)化階段，往往只出現(xiàn)一條裂縫并迅速上升，撓度增長(zhǎng)很快，構(gòu)件不再適用。 破壞特點(diǎn)：瞬時(shí)受拉破壞。破壞前無(wú)征兆，屬脆性破壞，破壞時(shí)壓區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度未能充分利用。破壞強(qiáng)度接近于開(kāi)裂荷載，承載力很低，其大小取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度及截面大小。少筋梁既不經(jīng)濟(jì)也不安全，在工程中不允許使用。適筋梁破壞：受拉區(qū)配筋適中，當(dāng)加載至開(kāi)裂時(shí)，裂縫處截面鋼筋應(yīng)力增加，繼續(xù)加載，裂縫撓度逐漸開(kāi)展，鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服，隨著鋼筋塑形變形的開(kāi)展，裂縫向上延伸，撓度劇增，最后壓區(qū)混凝土邊緣壓應(yīng)變達(dá)到受彎時(shí)的極限壓應(yīng)變而被壓碎。 破壞特點(diǎn)：破壞前裂縫和撓度都急劇開(kāi)展，有明顯的預(yù)兆，稱(chēng)為延性破壞或者塑性破壞，壓壞時(shí)鋼筋和混凝土的強(qiáng)度都得到充分利用。超筋梁破壞： 受拉區(qū)配筋過(guò)多，破壞是由于壓區(qū)混凝土邊緣壓應(yīng)變達(dá)到極限壓應(yīng)變被壓碎而引起的。此時(shí)鋼筋應(yīng)力還未達(dá)到屈服，裂縫和撓度沒(méi)有充分發(fā)展。 破壞特點(diǎn)：受壓破壞。破壞前裂縫較密但不開(kāi)展，撓度很小，沒(méi)有明顯預(yù)兆，屬脆性破壞。破壞時(shí)鋼筋強(qiáng)度沒(méi)有充分利用。梁的承載力取決于混凝土的抗壓強(qiáng)度。超筋梁在工程中一般也不采用。影響鋼筋混凝土受彎構(gòu)件破壞的因素：正截面破壞形式與配筋率、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、截面形式等有關(guān)，影響最大的是配筋率。鋼筋混凝土梁正截面可能出現(xiàn)適筋、超筋、少筋等三種不同性質(zhì)的破壞。適筋破壞為塑性破壞，適筋梁鋼筋和混凝土均能充分利用，既安全又經(jīng)濟(jì)，是受彎構(gòu)件正截面承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算的依據(jù)。超筋破壞和少筋破壞均為脆性破壞，既不安全又不經(jīng)濟(jì)。為避免工程中出現(xiàn)超筋梁或少筋梁，規(guī)范對(duì)梁的最大和最小配筋率均作出了明確的規(guī)定。適筋梁與超筋梁的界限經(jīng)推導(dǎo)得最大配筋率公式，具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)課本。又最大配筋率公式可知，適筋梁的最大配筋率與鋼筋級(jí)別，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)。適筋梁與少筋梁的界限 受彎構(gòu)件、偏心受拉、軸心受拉構(gòu)件，其一側(cè)縱向受拉鋼筋的配筋率不應(yīng)小于02和0.45ft/fy中的較大值。除了配筋率外，理論上可以通過(guò)改變混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼筋等級(jí)來(lái)解決超筋和少筋問(wèn)題，可以通過(guò)提高混凝土等級(jí)來(lái)解決一部分超筋問(wèn)題，盡量不通過(guò)提高鋼筋等級(jí)來(lái)解決少筋問(wèn)題，若低強(qiáng)度混凝土中選用高強(qiáng)度鋼筋，則鋼筋應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力可能破壞，拉區(qū)產(chǎn)生很大裂縫。實(shí)驗(yàn)與理論分析對(duì)比單筋矩形截面梁的實(shí)際受力情況是相當(dāng)復(fù)雜的，理論分析中使用了五個(gè)基本假定，使鋼筋混凝土梁趨于理想化，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程和方法?；炯俣?：平面假定。鋼筋混凝土構(gòu)件受力以后，截面各點(diǎn)的混凝土和鋼筋縱向應(yīng)變沿截面高度方向呈直線變化?；炯俣?：忽略中和軸一下混凝土的抗拉作用?；炯俣?：采用拋物線上升段和水平段的混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，但曲線方程隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的不同而有所變化，壓應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)的應(yīng)變和幾下壓應(yīng)變的取值隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同而不同。對(duì)于正截面處于非均勻受壓時(shí)的混凝土，極限壓應(yīng)變的最大取值不超過(guò)0.0033.基本假定4：把縱向受拉鋼筋的極限拉應(yīng)變規(guī)定為0.01。實(shí)際上是給出了正截面達(dá)到承載力極限狀態(tài)的另一個(gè)標(biāo)志。這個(gè)規(guī)定，對(duì)有屈服點(diǎn)的鋼筋，它相當(dāng)于鋼筋應(yīng)變進(jìn)入了屈服臺(tái)階因變形太大而不適用于繼續(xù)承載；對(duì)沒(méi)有屈服點(diǎn)的鋼筋，則是限制它的強(qiáng)化程度。另一方面，這個(gè)規(guī)定也要求縱向受拉