混凝土受彎構件強度影響因素研究

王亦恩，沈火明

(西南交通大學力學與工程學院，四川成都610031)

混凝土構件是工程實際中最常用的一種構件，其正截面承載力計算可分為軸心受力構件、受彎構件及偏心受力構件。本文所研究的是工程中大量碰到的受彎構件，如樓面、橋面的梁板結構等都屬于受彎構件。

正截面強度計算的發展經歷了容許應力的設計理論、破損階段理論和極限狀態理論三個階段。目前我國規范采用的是已為國際上所公認的極限狀態，用概率論的觀點來研究結構或者構件的失效概率。混凝土受彎構件正截面承載力計算采用的是承載力極限狀態設計法，結構或構件的作用效應要小于或等于結構(或構件)的抗力，從而使結構或構件能正常工作滿足使用要求［1］。

本文在極限狀態理論的基礎上，以單筋矩形截面為例對梁的正截面抗彎強度的影響因素進行深入探討。

1 基礎模型及參數

選定一個混凝土受彎構件為分析模型，每次只改變一種影響因素而保持混凝土構件的其它影響因素不變。采用這種方法討論相關參數對該受彎構件的抗彎承載能力的影響，并進行分析。算例中的有關參量值的選取，盡量滿足構件設計的一般要求。

鋼筋混凝土矩形截面示意圖如圖1所示。相關參數有:

圖1 矩形截面參數

2 混凝土本構模型對抗彎承載力影響

圖2是混凝土本構關系對構件抗彎承載力和影響分析圖。

圖2 混凝土本構關系對構件抗彎承載力和影響分析

由圖2可以看出，混凝土本構模型對構件抗彎承載力的影響不大。對應于0.0038的混凝土邊緣纖維極限應變，Hognestad模型得到的極限承載彎矩為120.15 kN·m，Rusch模型得到的極限承載彎矩為122.75 kN·m，二者相對誤差2.12%。

3 截面尺寸對抗彎承載力的影響

采用Hognestad模型，分別增加b，h的大小，改變截面尺寸。計算結果如圖3、圖4所示。

圖3 截面高度h對抗彎承載力M的影響

由圖3可知截面高度與抗彎承載力呈線性變化關系，截面高度增大一倍，抗彎承載力增大約2.47倍。這是因為增加截面高度將有效增加內力臂的長度，從而大幅增加極限承載彎矩。由圖4可知:增加截面寬度也能提高極限承載彎矩，但增幅較慢，截面寬度由200 mm增至400 mm，抗彎承載力僅增加了15.6%。

圖4 截面高度b對M的影響

4 配筋對抗彎承載力的影響

配筋的影響體現在所配鋼筋的強度用鋼筋數量上，二者是等效的。本文選用修改所使用鋼筋的面積進行比較，計算結果如圖5所示。

圖5 配筋對截面極限承載彎矩的影響

由圖5可知，初步提高配筋面積，在超筋之前可以提高極限承載彎矩，配筋面積由1 473 mm2增至2 473 mm2，配筋率增大1.6倍時，抗彎承載力增大21.5%，增幅不大。原因在于受壓區高度增加，內力臂同時減小。同時還可以觀察到，若一直增加配筋面積以致超筋，則無益于提高極限承載彎矩，這是因為混凝土強度及截面面積將不能平衡鋼筋對截面產生的拉力。

5 極限應變對抗彎承載力的影響

圖6、圖7分別是低配筋率和高配筋率時極限應變對構件抗彎承載力和彎矩的影響關系線。

圖6 低配筋率時極限應變對構件抗彎承載彎矩M的影響(As=1473)

圖7 高配筋率時極限應變對構件抗彎承載彎矩M的影響(As=3403)

由圖6可知:在低配筋率(ρ=0.0206)時混凝土極限破壞狀態所對應的極限應變的選取對構件抗彎承載力的影響不大，增幅0.01%左右。而由圖7知高配筋率(ρ=0.0477)時，較大極限應變則對應著較大的抗彎強度，比如極限應變由0.0031變至0.0034時，抗彎承載力的相對增幅達到2.29%。這是因為在高配筋率情況下，可以充分發揮混凝土的抗壓能力。我國規范采用的是混凝土極限壓應變為0.0033。

6 混凝土強度對抗彎承載力的影響

本文對混凝土強度的影響將分兩種情況討論，一是在適筋情況下，一是在超筋情況下即鋼筋由較多儲備承載力時。分析結果如圖8和圖9所示。

圖8 低配筋時混凝土強度對構件抗彎承載彎矩M的影響

圖9 高配筋時混凝土強度對構件抗彎承載彎矩M的影響

由圖8和圖9可知:在低配筋率(ρ=0.0206)情況下，提高混凝土強度對提高截面抗彎能力沒有較大的提高(C30至C50提高了134.4－120.1=14.3 kN·m，增幅 11.89%)，而在超筋情況下(ρ=0.0477)，因為鋼筋有較大的儲備能力，能夠有效地增加混凝土受壓區的壓力，故較大幅度提高了截面抗彎能力(C30至C50提高了199.2－145.9=54.3 kN·m，增幅36.52%)。

7 結論

本文對可能影響構件極限承載彎矩的相關因素進行了對比分析。通過計算與分析得到如下結論。

(1)混凝土受壓應力－應變曲線模型對截面承載能力大小有影響，采用Rusch計算模型將會過大估計截面抗彎強度，即人為的增大了其抗彎承載力，對于工程設計而言偏于不安全。

(2)增大構件的截面尺寸有利于提高構件的抗彎強度承載力，但效果不明顯。總體而言，增大構件截面的高度要比增大寬度效果更為顯著。

(3)增大混凝土強度可以提高受彎構件的抗彎承載力。其影響效果和配筋率、鋼筋強度以及混凝土強度存在一定的關系。

(4)增大配筋率可以顯著提高提高受彎構件的抗彎承載力。由于其影響作用明顯，所以工程中常采用增大配筋率來提高，但是，前提是不能發生超筋破壞。其提高程度的大小與混凝土及鋼筋的強度高低有關，因此，在實際的工程中應合理地選取混凝土及鋼筋的級別，以求達到最佳的設計效果。

［1］胡其強，林擁軍.混凝土受彎構件正截面承載力影響因素分析［J］.四川建筑，2010(4)

［2］陳升平，江小川.高性能纖維增強混凝土受彎構件承載力［J］.湖北工業大學學報，2010(10)

［3］趙國藩.高等鋼筋混凝土結構學［M］.北京.機械工業出版社，1998

［4］滕智明.混凝土結構及砌體結構［M］.北京.中國建筑工業出版社，2006