探析鋼筋混凝土軸心受拉構件的受力特點

王 煦

河北建設集團，河北 保定 071000

1 鋼筋混凝土軸心受拉構件

當軸向拉力作用線與構件截面形心軸線重合時，即為軸心受拉構件。在實際工程中，近似按軸心受拉計算的鋼筋混凝土構件有：承受節點荷載的屋架或托架的受拉弦桿和腹桿、拱的拉桿、圓形水池池壁和圓形簡倉壁的環向不分等。

2 鋼筋混凝土軸心受拉構件的受力特點

當采用逐級加荷方式對鋼筋混凝土軸心受拉構件進行試驗時，構件從開始受力到破壞的全過程可以分為3個階段。

2.1 混凝土開裂前

構件開始受荷時，軸向拉力很小，由于鋼筋混凝土之間的粘結力，截面上各應變值相等，混凝土和鋼筋都處于彈性受力狀態，應力與應變成正比。即

式中εs、σs、Es——縱身受拉鋼筋的應變、應力和彈性模量；

εc、σc、Ec——混凝土的應變、應力和彈性模量。

根據靜力平衡條件，有

式中N——施加于構件上的軸向拉力；AS——縱向受拉鋼筋截面面積；

AC——混凝土截面面積。

將式（1）---式（3）代入式（4），可得

式中σC=ES/EC，為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量之比。

可見，在鋼筋和混凝土都處于彈性受力狀態時，若將構件截面面積A0看作是混凝土面積AC與相當的混凝土面積σeAS之和，則軸心受拉構件可視為由單一混凝土材料所組成的具有截面面積A0的構件，并可用材料力學的方法進行分析：

式中，A0—換算截面面積，A0=σEAS+AC

隨著荷載的增加，混凝土受拉塑性變形開始出現并隨荷載的增大而發展，混凝土拉應力的增長速度小于應變的增長速度，應力與應變不成比例，而鋼筋則仍然處于彈性受力狀態，式（5）應改為：

式中(σE—鋼筋彈性模量與混凝土變形模量（割線模量）/EC之比 ，σE=ES/EC；ECσC/εC，隨σc的增大而變小。

若將換算截面面積A0取為σEAS+AC，仍可采用材料力學方法進行分析。

當荷載繼續增加，混凝土的應力σc達到抗拉強度時ftk時，構件即將開裂；此時混凝土變形模量EC'約為其彈性量/EC的一半。構件的開裂荷載Ncr可由式（3-7）得到：

2.2 混凝土開裂后的正常使用階段

當構件上最薄弱截面的混凝土應力達到抗拉強度（混凝土拉應變相應達到極限拉應變）時，該截面開裂，裂縫截面與構件軸線垂直，裂縫貫穿于整個截面。在裂縫截面處，混凝土退出工作，即不能承擔拉力，所有外力由鋼筋承受，而在未開裂截面，外力仍可由鋼筋和混凝土共同承受。在開裂前和開裂后瞬間，裂縫截面處的鋼筋應力將發生突變，其突變值為：

式中σs---縱向受力鋼筋配率，為縱向受力鋼筋截面面積AS與構件截面面積A的比值。

顯然，鋼筋配筋率較低時，鋼筋應力的突變值較大；配筋率較高時，鋼筋應力突變值較小。

由于鋼筋的抗拉強度很高，故構件開裂并不意味著構件喪失承載力（此時鋼筋應力僅為2σEftk）,荷載還可繼續增加，新的裂縫也將產生。

當裂縫之間的混凝土拉應力不能達到其抗拉強度時，裂縫間距基本穩定。隨著荷載繼續增加，裂縫寬度增大。裂縫間距和裂縫寬度與截面配筋、縱向鋼筋的直徑和形狀、混凝土保護層厚度、鋼筋的應力水平等多種因素有關。裂縫間距和裂縫寬度的一般情況理：裂縫間距較小時，裂縫寬度較細；裂縫間距較大時，裂縫寬度較寬。

2.3 破壞階段

當軸向拉力使裂縫截面處的鋼筋應力達到鋼筋的抗拉強度時，構件進入破壞階段。當構件采用有明顯屈服點鋼筋配筋時，構件的變形還會有較大的發展，但裂縫寬度將大到不適于繼續承載的狀態；當采用無明顯屈服點的鋼筋配筋時，構件則可能被拉斷。構件破壞時所能承受的軸向力為：

式中fyk—鋼筋抗拉強度標準值。

總之，通過理論和實驗分析得出的裂縫間距和裂縫寬度計算公式反應了裂縫的特點和影響裂縫寬度的主要因素。