淺談鋼筋混凝土受彎構件中鋼筋用量對承載力的影響

文/楊曦 大連市中心醫院 遼寧大連 116000

鋼筋混凝土構件的承載力與構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系，當構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件的承載力。但認為無論任何情況只要增加鋼筋的用量就一定能提高構件承載力，這樣的想法是有局限性的。

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

當配筋率發生變化時，梁的破壞形式和承載能力都會發生變化。根據梁的破壞形式，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系。

1、少筋梁

受彎構件在彎矩的作用下，可以分為受拉區和受壓區兩部分，當彎矩較小時，產生的壓力由受壓區混凝土承擔，拉力由混凝土和鋼筋共同承擔。當彎矩達到一定值時，受拉的混凝土上先破壞，這時在截面的受拉一側的混凝土出現直裂縫，原來由它所承擔的拉力就要轉移到受拉鋼筋上，使鋼筋的應力突然增加。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。

當梁的受拉區配筋量很小時，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件類似，受拉區混凝土一旦開裂，則裂縫區的鋼筋拉應力迅速達到屈服強度并進入強化段。受拉區混凝土裂縫很寬、構件撓度加大，而受壓混凝土并未達到極限壓應變。這種破壞是“一裂即壞”型，破壞彎矩往往低于構件開裂時的彎矩，屬于脆性破壞，破壞沒有明顯的預兆，具有很大的危險性，少筋梁無法滿足設計荷載狀態下所需的承載力，設計時應嚴禁出現少筋梁。各混凝土構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量適量，在荷載的作用下，梁的受拉區混凝土剛出現裂縫時，這時產生的拉力近似的認為完全由鋼筋承受。由于鋼筋數量充足，實際鋼筋中產生的應力還很小，梁仍能繼續承擔很大的荷載。當荷載達到一定值時，梁中的縱向受拉鋼筋首先達到屈服，這時梁仍沒有達到承載能力極限，它所承擔的荷載還能繼續增加，但由于鋼筋屈服后應變急劇增加，引起梁的裂縫迅速增長，使得受壓區混凝土的面積越來越小，最后受壓區混凝土超過極限承載能力而被壓碎，這時梁也達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，會發生本質不同的破壞。在適筋梁范圍內，梁的承載力和鋼筋的用量有關，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，破壞時產生的變形和裂縫都比較大，破壞有明顯的破壞預兆，屬于延性破壞。

梁如果設計成適筋梁是很安全的，可以提前發現結構承載力失效的隱患，而且梁達到最大承載力時，鋼筋和混凝土都能達到各自的設計強度，這兩種材料的性能都得到充分發揮，從經濟的角度來說也能更好的控制成本，提升設計的合理性，所以在設計階段應該對各構件進行復核，把梁設計成適筋梁。

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-—鋼筋的抗拉強度設計值；

h0—梁有效計算高度

3、超筋梁

當梁的截面尺寸、材料的強度一定時，提高梁內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，受拉區出現直裂縫時，由于梁內縱筋面積太大，相對來說鋼筋中產生的拉應力應會很小，鋼筋的變形和梁的裂縫寬度也會很小，當荷載增加到一定程度時，受壓區的混凝土固達到極限抗壓強度而破壞，這時鋼筋中的應力可能還很小，這時梁稱為超筋梁。按照經驗，單筋矩形梁的經濟配筋率約為0.6%～1.6%。設計時應該盡量避免出現超筋梁，因為在設計計算荷載時已經考慮了實際荷載可能的超出范圍，并且在結構計算時依據規范采用各種分項系數予以了安全保證。如果一旦出現了實際荷載超過設計荷載而使結構破壞，屬極其偶然的事件，這是設計所無法保證的（除非設計者的荷載計算發生了錯誤），否則設計也就無法進行了。超筋梁破壞時沒有明顯的預兆，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揮最大最用。超筋梁的弊端，首先從經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、根數多也不便于混凝土的澆筑，導致有混凝土澆筑難以達到密實的程度，鋼筋與混凝土結合不好，難以發揮應有的作用。其與少筋梁相比在施工環節保證質量、設計荷載在允許范圍內的前提下，使用還是滿足承載力要求的，況且現行規范也規定了設計者必須保證鋼筋混凝土結構在正常使用過程中不發生破壞現象。

那么抗彎能力和鋼筋的數量之間到底有什么關系呢？經過分析，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量的增加而增加，如果ρ＞ρmax時，梁為超筋梁，設計時為了安全，它的抗彎能力可按下式計算：

Mu=f0mbh02 b（1-0.5b） b—受壓區混凝土界限相對高度

從上式可以看出，當ρ＞ρmax時，梁的承載能力與鋼筋的數量多少無關，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。設計初期合理的方案、適當的調整梁的截面面積、配合恰當的配筋率才是設計的重點，從而才能高效的提高梁的承載能力，達到預期設計效果。