钢筋混凝土梁配筋计算与静荷载作用下抗弯试验研究

李思思 杨敬林 孙涛 梁松虎

摘 要：钢筋混凝土梁的配筋采用理论计算与工程经验相结合方式施工，缺少理论计算与试验验证相结合的施工方法。对此，依据设计规范对净跨度为2.4m的梁进行设计和配筋计算，按照计算结果设置不同配筋率混凝土梁试件进行抗弯试验。试验结果表明不同配筋率混凝土梁在荷载作用下发生破坏时荷载大小不同，配筋率高其抵抗荷载破坏值大。低配筋率混凝土梁受弯破坏时裂缝少，高配筋率裂缝数增加，配筋率可影响梁破坏的延缓性。设计的混凝土梁试件中配筋率为0.5%时梁所能承受的抗弯性最好。

关键词：钢筋混凝土梁；配筋；裂缝；抗弯试验；

中图分类号：TU241 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）32-0155-03

1 概 述

钢筋混凝土梁是现代建筑中常见的建筑构件，是将混凝土抗压性能强和钢筋抗拉强度高等特征结好起来，因此钢筋混凝土梁能够承受荷载作用下内部产生的拉应力和压应力。房屋建筑工程中钢筋混凝土梁一般承受由上部构件传来的静荷载作用[1-3]。在进行钢筋混凝土结构设计时根据建筑上部传给梁的荷载，按梁所能承受该荷载作用下极限状态进行配筋。钢筋混凝土梁承受荷载作用达到极限破坏状态与梁横截面类型、大小、混凝土强度、钢筋强度等多因素相关[4-6]。钢筋混凝土梁的破坏形式有少筋破坏、适筋破坏和超筋破坏。其中少筋破坏是一种脆性破坏，在破坏前无裂缝出现等征兆，超筋破坏是构件因混凝土承载达到极限钢筋未达到屈服的一种脆性破坏[7]。钢筋混凝土梁进行配筋计算的目的是在极限荷载以下时避免构件发生破坏，设计计算的原理是构件所受荷载达到极限状态时构件属于适筋破坏，由于适筋破坏是一种徐变，可在一定程度上保护生命财产安全。本文对钢筋混凝土梁配筋计算的一般方法进行试件设计，并根据所计算的结果，按不同配筋情况进行试验研究[8-10]。用试验结果验证理论计算，以期为钢混凝土梁配筋提供合理的参考依据。

2 试件设计

试件高度依据混凝土结构设计规范《GB50010-2010》梁高度为跨度的1/8～1/14L。试验设计的梁净跨度L为2.4 m，则梁高度h按最大值设计为300 mm，梁宽度b按1/3～1/2 h设计为

150 mm，梁的钢筋保护层厚度为20 mm。试件设计梁所能承受的均布静力总荷载为14 kN/m。

4 抗弯试验

根据混凝土梁试件设计及配筋计算结果，采用不同抗拉配筋面积进行抗弯试验。表1为配筋梁的各项设计参数。混凝土按C30强度标准进行设计配合比，每根梁浇筑时取部分混凝土做成150 mm标准试块，养护28 d后放入万能压力机进行实际抗压强检测。试件梁的净跨度为2.4 m，考虑支座的支撑作用，梁的实际长度为2.6 m。支座处防止混凝土局部受损采用宽度

100 mm，厚10 mm的铁板垫块。试件梁进行受压时需观察梁破坏情况，因此中间跨度长为0.8 m处不设置箍筋。

试件梁的大小、支座及及箍筋布置如图1所示，试件制作时采用变形较小在硬塑胶板拼接制模。浇筑混凝土时先在模板中浇筑20mm厚作为钢筋保护层厚度，然后将钢筋骨架放入模板中，将剩余混凝土浇铸完毕捣实。梁浇铸完成后，一周内须每天洒水进行养护，28 d后进行抗弯试验检测。

4.1 试件抗弯测量方法

本次试验采用200 kN液压千斤顶进行加载，通过工字型钢梁将一点集中力分成两点集中力，两点集中力相隔间距为

0.8 m。同样为防止混凝土受集中作用力下的局部破坏，在混凝土上每个作用点加上钢板保护垫块。加载过程中，初始阶段以每秒3至5KN的速度进行加载，随后加载速度度减缓至1 KN/S以下的加载速度，以便观察混凝土梁受弯破坏时裂缝变化。

4.2 试件抗弯测量结果与分析

不同配筋率的混凝土梁试件进行受弯破坏时第1裂缝出现时荷载值，如图2所示。L-1梁的配筋率是0.22%，通过计算得出的最少配筋率为0.28%，所以L-1梁是设计梁当中的少筋梁，其余4类梁均超过最低配筋率。5类梁中出现第1 条裂缝时表明该梁已开始发生破坏，通过图2可知，混凝土梁配筋率逐渐增大，其出现第1条裂缝的荷载值越大。L-1梁是少筋梁，当荷载为23.6 KN时，L-1混凝土梁试件中的钢筋开始出现变形，梁内部应力发生重分布，抗拉区混凝土承受的拉应力增加，中间混凝土开始出现第1条裂缝。而此时梁中间部分的弯矩值为

13.44 KN·m，已超出设计荷载作用下弯矩最大值10.08 KN·m。这也证明了按规范设计的配筋是具有一定的安全系数，在低于设计极限配筋率情况下混凝土梁仍可达到设计荷载作用下抗弯性能。随着配筋率的增加，L-2、L-3、L-4、L-5混凝土梁试件出现第1条裂缝的荷载值相应增加。通过观察L-4和L-5出现第1条裂缝时上部混凝土已有部分压碎，说明L-4和L-5属于超筋梁。混凝土梁上部受压区混凝土压碎，受拉钢筋虽未屈服，此时梁已失去原有的作用，表明该梁已经破坏。L-1、L-2、L-3梁为少筋和适筋梁，对应的配筋率分别为0.22%、0.35、0.50%。其中L-1的配筋率比設计最低极限配筋率低21.4%，而L-3梁比设计最低极限配筋率高78.6%。说明本次设计的混凝土梁试件在最低极限配筋率-21.4%和最低极限配筋率78.6%这一范围内的配筋率均发适筋破坏。为了保证结构实际工作中的安全，对梁进行配筋设计时不能低于最低极限配筋率，也不宜高出配最低极限配筋率的78.6%。

混凝土梁试件出现第1条裂缝时表明混凝土受拉钢筋开始屈服，但此时梁具有一定的承载力并未完全破坏，因此试验继续对其进行加载。不同配筋率混凝土梁试件破坏时裂缝数，如图3所示，本次试验仅对裂缝长度大于100 mm的裂缝进行统计。由图3中的折线图趋势可知，随着配筋率的增加，梁表面出现的裂缝越来越多。当配筋率达到0.5%时，继续增加配筋率，混凝土破坏时裂缝数并未增加，略有所下降。已有研究中不加钢筋或少筋的混凝土梁，受弯破坏时只会出现1到3条裂缝，属于脆性破坏。本研究最低配筋率0.22%，钢筋混凝土梁试件破坏时出现9条裂缝，表明试件破坏并不是脆性破坏。混凝土梁试件设计在未达到超筋配置钢筋时，配筋率高混凝土梁出现的裂缝数就多。说明配筋率能提高混凝土梁受弯破坏的延缓性能，使更多的混凝土截面产生抵抗弯矩能力，减少应力集中在某一截面上。超筋配置的混凝土梁，破坏时混凝土梁上部先压碎，混凝土出现的裂缝数趋于稳定。通过对裂缝形状进行观察，L-1和L-2梁出现的裂缝呈竖直状态，L-3、L-4和L-5梁中间裂缝呈竖直状态，两边裂缝呈倾斜状态。

最后试验对不同配筋率混凝土梁完全破坏时荷载值进行统计，L-1、L-2、L-3、L-4、L-5梁所对应的破坏荷载分别为37.29 kN、44.16 kN、49.21 kN、48.43 kN、47.85 kN。其中L-1和L-2梁下部受拉钢筋全部拉断，而L-3、L-4、L-5下部受拉钢筋没有拉断，但梁上部混凝土局部压碎严重失去承载能力。梁L-1破坏是沿一条裂缝从下至上开裂破坏，L-2是上部出现局部混凝土压碎，下部有裂缝，破坏时不沿裂缝从下至上形成通缝破坏。L-3梁下部受拉区有多处宽度较大裂缝且分散，上部局部混凝土压碎。L-4和L-5梁下部混凝土裂缝较密集，上部多处混凝土压碎。通过对L-1和L-2梁破坏处的裂缝分析，中间冲毁分受弯荷载相同时，梁破坏时并不一定是沿正中间缝隙开裂断开，而是沿中间0.8 m处随机产生的裂缝断开。因为混凝土梁试件受压时中间0.8 m处梁内部每一个截面抵抗弯矩作用是相同的，所以每个截面均可能出现断裂破坏。通过以上不同配筋率混凝土梁试件的破坏试验，配筋率为0.50%时，钢筋混凝土梁承受荷载作用最大。

5 结 语

本文通过对设计梁截面为150×300 mm，净跨度为2.4 m钢筋混凝土梁的配筋计算进行析，计算出梁下部受拉区最低配筋率为0.28%。按设计梁尺寸和计算结果制作钢筋混凝土梁试件，其中梁的混凝土材料和钢筋材料以及外形尺寸均一致但设置受拉区的配筋面积不同。不同配筋率混凝土梁试件开始出现破坏时荷载不同，随配筋率的增加第1条裂缝出现时荷载值增加。通过低于极限荷载配筋率的混凝土梁试件设计并进行抗弯破坏试验，发现其仍能达到设计荷载作用下所承受的最大弯矩值。说明规范中设计的最低极限荷载是有一定富余安全系数。对试件进行完全抗弯破坏过程中裂缝数和裂缝形态分析，配筋率增加，混凝土梁破坏时裂缝数增多，配筋率大于0.5%后其裂缝数不随配筋率增加而增加。配筋率可影响到混凝土破坏时的延缓性。低配筋率的混凝土梁产生的裂缝呈竖直态，高配筋率则在由中间向两边，裂缝由竖直扩散呈倾斜状。低配筋率混凝土梁下部受拉区钢筋屈服断裂后，受弯矩作用相同的混凝土截面均可能出现断裂破坏。配筋率较高混凝土梁破坏时梁上部混凝土被压碎，受拉钢筋未拉断。以上不同配筋率混凝土梁设计试件受弯破坏时所能承受最大荷载的配筋率为0.5%，选择适宜配筋率可提高钢筋混凝土梁抗弯能力。

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