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第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.1第第4 4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.2 教学提示：本章应抓住教学提示：本章应抓住“实验实验基本假定基本假定应力图形应力图形基本公式基本公式适适用条件用条件”主线进行教学。以适筋梁正截面试验为基础，引导学生分析受弯主线进行教学。以适筋梁正截面试验为基础，引导学生分析受弯构件破坏现象和破坏机理，阐明基本假定；以基本假定为准则，绘出应力构件破坏现象和破坏机理，阐明基本假定；以基本假定为准则，绘出应力图形，突出问题的主要特性并使其简化；以应力图形为框架，推导基本公图形，突出问题的主要特性并使其简化；以应力图形为框架，推导基本公式和适用条件，并注重构造要求。式和适用条件，并注重构造要求。教学要求：要求学生熟练掌握适筋受弯构件正截面教学要求：要求学生熟练掌握适筋受弯构件正截面3 3个受力阶段，包括个受力阶段，包括截面上应力与应变的分布、破坏形态、纵向受拉钢筋配筋率对破坏形态的截面上应力与应变的分布、破坏形态、纵向受拉钢筋配筋率对破坏形态的影响、影响、3 3个工作阶段在混凝土结构设计中的应用等。掌握受弯构件正截面承个工作阶段在混凝土结构设计中的应用等。掌握受弯构件正截面承载力计算的基本假定及其在受弯承载力计算中的应用。熟练掌握单筋矩形、载力计算的基本假定及其在受弯承载力计算中的应用。熟练掌握单筋矩形、双筋矩形与双筋矩形与T T形截面受弯构件正截面受弯承载力的计算方法，配置纵向受拉形截面受弯构件正截面受弯承载力的计算方法，配置纵向受拉钢筋的主要构造要求。钢筋的主要构造要求。第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.3本章内容本章内容 4.1梁梁板板构构造造4.2试验试验研究分析研究分析4.3受弯构件正截面承受弯构件正截面承载载力力计计算的原算的原则则4.4单单筋矩形截面正截面承筋矩形截面正截面承载载力力计计算算4.5双筋矩形截面正截面承双筋矩形截面正截面承载载力力计计算算4.6T形截面正截面承形截面正截面承载载力力计计算算4.7影响受弯构件正截面承影响受弯构件正截面承载载力的因素分析力的因素分析4.8深受弯构件正截面承深受弯构件正截面承载载力力计计算与构造要求算与构造要求4.9思思考考题题4.10习习题题第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.4收弯构件是指截面上同时承受弯矩收弯构件是指截面上同时承受弯矩(M)和剪力和剪力(V)为主，而轴力为主，而轴力(N)可以忽略不计的构件，它是土木工程中数量最多，使用较为广泛的一类可以忽略不计的构件，它是土木工程中数量最多，使用较为广泛的一类构件。工程结构中的梁和板就是典型的受弯构件。它们存在着受弯破坏构件。工程结构中的梁和板就是典型的受弯构件。它们存在着受弯破坏和受剪破坏两种可能性。其中由弯矩引起的破坏往往发生在弯矩最大处和受剪破坏两种可能性。其中由弯矩引起的破坏往往发生在弯矩最大处且与梁板轴线垂直的正截面上，所以称之为正截面受弯破坏。本章主要且与梁板轴线垂直的正截面上，所以称之为正截面受弯破坏。本章主要介绍受弯构件正截面的受力特点和破坏形态、承载力计算方法以及相应介绍受弯构件正截面的受力特点和破坏形态、承载力计算方法以及相应的构造措施。关于受弯构件的受剪承载力计算将在第的构造措施。关于受弯构件的受剪承载力计算将在第5章予以介绍。章予以介绍。4.1 4.1 梁梁 板板 构构 造造第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.54.1.1截面形状及尺寸截面形状及尺寸1.截面形状截面形状工程结构中的梁和板的区别在于：梁的截面高度一般大于自身的宽度，而板的工程结构中的梁和板的区别在于：梁的截面高度一般大于自身的宽度，而板的截面高度则远小于自身的宽度。截面高度则远小于自身的宽度。梁的截面形状常见的有矩形、梁的截面形状常见的有矩形、T形、工字形、箱形、倒形、工字形、箱形、倒L形等；板的截面形状形等；板的截面形状常见有矩形、槽形及空心形等，如图常见有矩形、槽形及空心形等，如图4.1所示。所示。2.截面尺寸截面尺寸受弯构件的截面尺寸的确定，既要满足承载能力的要求，也要满足正常使用的受弯构件的截面尺寸的确定，既要满足承载能力的要求，也要满足正常使用的要求，同时还要满足施工方便的要求。也就是说，梁、板的截面高度要求，同时还要满足施工方便的要求。也就是说，梁、板的截面高度h与荷与荷载的大小、梁的计算跨度载的大小、梁的计算跨度(l0)有关。一般根据刚度条件由设计经验确定。有关。一般根据刚度条件由设计经验确定。工程结构中梁的截面高度可参照表工程结构中梁的截面高度可参照表4-1选用。同时，考虑便于施工和利于模选用。同时，考虑便于施工和利于模板的定型化，构件截面尺寸宜统一规格，可按下述要求采用：板的定型化，构件截面尺寸宜统一规格，可按下述要求采用：4.1 4.1 梁梁 板板 构构 造造第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.6图图4.1受弯构件常用截面形状受弯构件常用截面形状4.1 4.1 梁梁 板板 构构 造造第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.7构件种类构件种类简简 支支两端连续两端连续悬悬 臂臂整体肋形梁整体肋形梁主梁主梁次梁次梁独立梁独立梁说明：说明：l0为梁的计算跨度；当为梁的计算跨度；当l09m时表中数值应乘以时表中数值应乘以1.2的系数；悬臂的系数；悬臂梁的高度指其根部的高度。梁的高度指其根部的高度。4.1 4.1 梁梁 板板 构构 造造第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.8矩矩形形截截面面梁梁的的高高宽宽比比h/b一一般般取取2.03.5；T形形截截面面梁梁的的h/b一一般般取取2.54.0。矩矩形形截截面面的的宽宽度度或或T形形截截面面的的梁梁肋肋宽宽b一一般般取取为为100mm、120mm、150mm(180mm)、200mm(220mm)、250mm、300mm、350mm，300mm以以上上每每级级差为级级差为50mm。括号中的数值仅用于木模板。括号中的数值仅用于木模板。矩矩形形截截面面梁梁和和T形形梁梁高高度度一一般般为为250mm、300mm、350mm750mm、800mm、900mm，800mm以以下下每每级级级级差差为为50mm，800mm以以上上每每级级级级差差为为100mm。板板的的宽宽度度一一般般比比较较大大，设设计计计计算算时时可可取取单单位位宽宽度度(b=1000mm)进进行行计计算算。其其厚厚度度应应满满足足(如如已已满满足足则则可可不不进进行行变变形形验验算算)：单单跨跨简简支支板板的的最最小小厚厚度度不不小小于于l0/35；多多跨跨连连续续板板的的最最小小厚厚度度不不小小于于l0/40；悬悬臂臂板板的的最最小小厚厚度度(指的是悬臂板的根部厚度指的是悬臂板的根部厚度)不小于不小于l0/12。同时，应满足表。同时，应满足表4-2的规定。的规定。4.1 4.1 梁梁 板板 构构 造造第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.9板的类别板的类别厚度厚度/mm单向单向板板屋面板屋面板板板跨跨度度1500mm50板板跨跨度度1500mm60民用建筑楼板民用建筑楼板60工业建筑楼板工业建筑楼板70行车道下的楼板行车道下的楼板80双向板双向板80密肋板密肋板肋间距肋间距700mm40肋间距肋间距700mm50悬臂板悬臂板板的悬臂长度板的悬臂长度500mm60板的悬臂长度板的悬臂长度500mm80无梁楼板无梁楼板150说明：悬臂板的厚度指悬臂根部的厚度；板厚度以说明：悬臂板的厚度指悬臂根部的厚度；板厚度以10mm为模数。为模数。4.1 4.1 梁梁 板板 构构 造造第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.104.1.2钢筋布置钢筋布置1.梁的钢筋布置要求梁的钢筋布置要求梁的纵向受力钢筋，宜采用梁的纵向受力钢筋，宜采用HRB400或或RRB400(级钢筋级钢筋)、HRB335(级钢筋级钢筋)，常用直径为，常用直径为12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm和和25mm。根数不得小于根数不得小于2根。设计中若需要两种不同直径的钢筋，钢筋直径相差至少根。设计中若需要两种不同直径的钢筋，钢筋直径相差至少2mm，以便于在施工中能用肉眼识别，但相差也不宜超过，以便于在施工中能用肉眼识别，但相差也不宜超过6mm。为了便于混凝土的浇筑，保证钢筋能与混凝土粘结在一起，以保证钢筋周围混为了便于混凝土的浇筑，保证钢筋能与混凝土粘结在一起，以保证钢筋周围混凝土的密实性，纵筋的净间距以及钢筋的最小保护层厚度应满足图凝土的密实性，纵筋的净间距以及钢筋的最小保护层厚度应满足图4.2所示所示的要求。如果受力纵筋必须排成两排，上下两排钢筋应对齐，若多于两排的要求。如果受力纵筋必须排成两排，上下两排钢筋应对齐，若多于两排时，两排以上钢筋水平方向的中距应比下面两排的中距增大一倍。时，两排以上钢筋水平方向的中距应比下面两排的中距增大一倍。4.1 4.1 梁梁 板板 构构 造造第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.11截面的有效高度截面的有效高度h0指的是梁截面受压区的外边缘至受拉钢筋合力点指的是梁截面受压区的外边缘至受拉钢筋合力点的距离，的距离，h0=has，as为受拉钢筋合力点至受拉区边缘的距离。当纵筋为受拉钢筋合力点至受拉区边缘的距离。当纵筋为一排时，为一排时，as=c+d/2；当纵筋为两排钢筋时，；当纵筋为两排钢筋时，as=c+d+e/2，此处，此处c为纵为纵筋外边缘至混凝土截面边缘的距离，称之为混凝土保护层厚度，一般取筋外边缘至混凝土截面边缘的距离，称之为混凝土保护层厚度，一般取为为25mm，特殊情况依据规范选用。，特殊情况依据规范选用。e为上下两排钢筋的净距。在计算时，为上下两排钢筋的净距。在计算时，一般取一般取e=25mm、d=20mm，所以纵筋为单排时，近似取，所以纵筋为单排时，近似取as=35mm；纵；纵筋为两排时，近似取筋为两排时，近似取as=60mm。为了固定箍筋并与纵向钢筋形成骨架，在梁的受压区内应设置架立钢为了固定箍筋并与纵向钢筋形成骨架，在梁的受压区内应设置架立钢筋。架立钢筋的直径与梁的跨度筋。架立钢筋的直径与梁的跨度L有关有关。当。当L6m时，架立钢筋的直径不时，架立钢筋的直径不宜小于宜小于10mm；当；当L=4m6m时，不宜小于时，不宜小于8mm；当；当L150mm时时,不应大于不应大于1.5h，且不应大于，且不应大于300mm。板的截面有效高度板的截面有效高度h0=has，受力钢筋一般是一排钢筋。截面设计时，受力钢筋一般是一排钢筋。截面设计时，as=c+d/2，取，取d=10mm、c=15mm，所以近似取，所以近似取as=20mm，如图，如图4.3所示。所示。4.1 4.1 梁梁 板板 构构 造造第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.14图图4.3板的配筋板的配筋4.1 4.1 梁梁 板板 构构 造造第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.152)板的分布钢筋板的分布钢筋当按单向板设计时，除沿受力方向布置受力钢筋外，还应在垂直受力钢筋方向当按单向板设计时，除沿受力方向布置受力钢筋外，还应在垂直受力钢筋方向布置分布钢筋。其作用是将荷载更均匀地传递给受力钢筋，同时通过细铁布置分布钢筋。其作用是将荷载更均匀地传递给受力钢筋，同时通过细铁丝与受力钢筋绑扎在一起，起到在施工中固定受力钢筋的位置，并抵抗温丝与受力钢筋绑扎在一起，起到在施工中固定受力钢筋的位置，并抵抗温度、收缩应力。度、收缩应力。分布钢筋宜采用分布钢筋宜采用HPB235(级钢筋级钢筋)和和HRB335(级钢筋级钢筋)级别的钢筋，常用直径级别的钢筋，常用直径是是6mm和和8mm。截面面积不应小于受力钢筋面积的。截面面积不应小于受力钢筋面积的15%，其间距不宜大于，其间距不宜大于250mm；当集中荷载较大或温度应力过大时，分布钢筋的截面面积应适当；当集中荷载较大或温度应力过大时，分布钢筋的截面面积应适当增加，其间距不宜大于增加，其间距不宜大于200mm。4.1 4.1 梁梁 板板 构构 造造第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.164.2试验研究分析试验研究分析4.2.1正截面工作的正截面工作的3个阶段个阶段为了能消除剪力对正截面受弯的影响，使正截面只受到弯矩的为了能消除剪力对正截面受弯的影响，使正截面只受到弯矩的作用，一般在实验中采取对一简支梁进行两点对称施加集中荷载的作用，一般在实验中采取对一简支梁进行两点对称施加集中荷载的方式方式(如图如图4.4所示所示)，使两个对称集中荷载之间的截面，在忽略自重，使两个对称集中荷载之间的截面，在忽略自重的情况下，只受纯弯矩而无剪力，称为纯弯区段。的情况下，只受纯弯矩而无剪力，称为纯弯区段。在纯弯区段内，沿梁高两侧布置侧点，用仪表量测梁的纵向变形。在纯弯区段内，沿梁高两侧布置侧点，用仪表量测梁的纵向变形。并可观察加载后梁的受力全过程。荷载由零开始逐级施加，直至梁并可观察加载后梁的受力全过程。荷载由零开始逐级施加，直至梁正截面受弯破坏。正截面受弯破坏。图图4.5所示为中国建筑科学研究院所做的钢筋混凝土试验梁的弯所示为中国建筑科学研究院所做的钢筋混凝土试验梁的弯矩与截面曲率关系曲线实测结果。图中纵坐标为梁跨中截面的弯矩矩与截面曲率关系曲线实测结果。图中纵坐标为梁跨中截面的弯矩试验值试验值M0，横坐标为梁跨中截面曲率实验值，横坐标为梁跨中截面曲率实验值。M0-关系图曲关系图曲线上有两个明显的转折点线上有两个明显的转折点c和和y，则可把梁的截面受力和变形过程划，则可把梁的截面受力和变形过程划分为分为3个阶段个阶段(如图如图4.6所示所示)。第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.174.2试验研究分析试验研究分析图图4.4钢筋混凝土试验梁钢筋混凝土试验梁第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.184.2试验研究分析试验研究分析图图4.5关系曲线关系曲线第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.19图图4.6梁在各受力阶段的应力、应变图梁在各受力阶段的应力、应变图4.2试验研究分析试验研究分析第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.20(1)第第阶段阶段混凝土开裂前的未裂阶段：混凝土开裂前的未裂阶段：当荷载较小时，截面上的内力非常小，此时梁的工作情况与匀质弹性体梁相似，当荷载较小时，截面上的内力非常小，此时梁的工作情况与匀质弹性体梁相似，混凝土基本上处于弹性工作阶段，应力与应变成正比，截面的应力分布混凝土基本上处于弹性工作阶段，应力与应变成正比，截面的应力分布成直线成直线(如图如图4.6I所示所示)，这种受力阶段称为第，这种受力阶段称为第阶段。阶段。当荷载逐渐增加，截面所受的弯矩在增大，量测到的应变也随之增大，由于混当荷载逐渐增加，截面所受的弯矩在增大，量测到的应变也随之增大，由于混凝土的抗拉能力远比抗压能力弱，故在受拉区边缘处混凝土首先表现出凝土的抗拉能力远比抗压能力弱，故在受拉区边缘处混凝土首先表现出应变的增长比应力的增长速度快的塑性特征。受拉区应力图形开始偏离应变的增长比应力的增长速度快的塑性特征。受拉区应力图形开始偏离直线而逐步变弯。弯矩继续增大，受拉区应力图形中曲线部分的范围不直线而逐步变弯。弯矩继续增大，受拉区应力图形中曲线部分的范围不断沿梁高向上发展。断沿梁高向上发展。当弯矩增加到当弯矩增加到Mcr时，受拉区边缘纤维的应变值将达到混凝土受弯时的极限拉时，受拉区边缘纤维的应变值将达到混凝土受弯时的极限拉应变，截面处于即将开裂状态，称为第应变，截面处于即将开裂状态，称为第阶段末，用阶段末，用a表示表示(图图4.6a所示所示)。这时，受压区边缘纤维应变量测值相对还很小，故受压区混凝土基本上这时，受压区边缘纤维应变量测值相对还很小，故受压区混凝土基本上处于弹性工作阶段，受压区应力图形接近三角形，而受拉区应力图形则处于弹性工作阶段，受压区应力图形接近三角形，而受拉区应力图形则呈曲线分布。在呈曲线分布。在a阶段，由于粘结力的存在，受拉钢筋的应变与周围同阶段，由于粘结力的存在，受拉钢筋的应变与周围同一水平处混凝土拉应变相等，故这时钢筋应变接近值，相应的应力较低一水平处混凝土拉应变相等，故这时钢筋应变接近值，相应的应力较低约为约为2030N/mm2。由于受拉区混凝土塑性的发展，。由于受拉区混凝土塑性的发展，a阶段时中性轴的阶段时中性轴的位置比第位置比第阶段初期略有上升。阶段初期略有上升。a阶段可作为受弯构件抗裂度的计算依据。阶段可作为受弯构件抗裂度的计算依据。4.2试验研究分析试验研究分析第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.21(2)第第阶段阶段混凝土开裂后至钢筋屈服前的裂缝阶段：混凝土开裂后至钢筋屈服前的裂缝阶段：截面受力达到截面受力达到a阶段后，荷载只要稍许增加，混凝土就会开裂，就把阶段后，荷载只要稍许增加，混凝土就会开裂，就把原先由混凝土承担的那一部分拉力转给钢筋，使钢筋应力突然增大原先由混凝土承担的那一部分拉力转给钢筋，使钢筋应力突然增大许多，故裂缝出现时梁的挠度和截面曲率都突然增大。截面上应力许多，故裂缝出现时梁的挠度和截面曲率都突然增大。截面上应力会发生重分布，裂缝处的混凝土不再承受拉应力，受压区混凝土出会发生重分布，裂缝处的混凝土不再承受拉应力，受压区混凝土出现明显的塑性变形。应力图形呈曲线现明显的塑性变形。应力图形呈曲线(如图如图4.6所示所示)。这种受力阶。这种受力阶段称为第段称为第阶段。阶段。荷载继续增加，弯矩再增大，截面曲率加大，主裂缝开展越来越宽。荷载继续增加，弯矩再增大，截面曲率加大，主裂缝开展越来越宽。当荷载增加到某一数值时，受拉区纵向受力钢筋开始屈服，钢筋应当荷载增加到某一数值时，受拉区纵向受力钢筋开始屈服，钢筋应力达到其屈服强度力达到其屈服强度(如图如图4.6a所示所示)。这种特定的受力状态称为。这种特定的受力状态称为a阶阶段。段。阶段阶段相当于梁在正常使用时的应力状态，可作为正常使用极限状态相当于梁在正常使用时的应力状态，可作为正常使用极限状态的变形和裂缝宽度计算时的依据。的变形和裂缝宽度计算时的依据。4.2试验研究分析试验研究分析第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.22(3)第第阶段阶段钢筋开始屈服至截面破坏的破坏阶段：钢筋开始屈服至截面破坏的破坏阶段：受拉区纵向受力钢筋屈服后，将继续变形而保持应力大小不变。截面曲受拉区纵向受力钢筋屈服后，将继续变形而保持应力大小不变。截面曲率和梁的挠度也突然增大，裂缝宽度随之扩展并沿梁高向上延伸。中性率和梁的挠度也突然增大，裂缝宽度随之扩展并沿梁高向上延伸。中性轴继续上移，受压区高度进一步减小。受压区混凝土压应力迅速增大，轴继续上移，受压区高度进一步减小。受压区混凝土压应力迅速增大，受压区混凝土边缘应变也迅速增长，塑性特征将表现得更为充分，受压受压区混凝土边缘应变也迅速增长，塑性特征将表现得更为充分，受压区压应变图形更趋丰满区压应变图形更趋丰满(如如4.6所示所示)。弯矩再增大至极限弯矩弯矩再增大至极限弯矩Mu时，称为第时，称为第阶段末，用阶段末，用a表示。此时，在表示。此时，在荷载几乎保持不变的情况下，裂缝进一步急剧开展，受压区混凝土出现荷载几乎保持不变的情况下，裂缝进一步急剧开展，受压区混凝土出现纵向裂缝，混凝土被完全压碎，截面发生破坏纵向裂缝，混凝土被完全压碎，截面发生破坏(如图如图4.6a所示所示)。在第在第阶段整个过程中，钢筋所承受的总拉力大致保持不变，但由于中阶段整个过程中，钢筋所承受的总拉力大致保持不变，但由于中性轴逐步上移，内力臂性轴逐步上移，内力臂Z略有增加，故截面极限弯矩略有增加，故截面极限弯矩Mu略大于屈服弯矩略大于屈服弯矩My，可见第，可见第阶段是截面的破坏阶段，破坏始于纵向受拉钢筋屈服，阶段是截面的破坏阶段，破坏始于纵向受拉钢筋屈服，终结于受压区混凝土压碎。第终结于受压区混凝土压碎。第阶段末阶段末(a)可作为正截面受弯承载力可作为正截面受弯承载力计算的依据。计算的依据。试验同时表明，从开始加载到构件破坏的整个受力过程中，变形前的平试验同时表明，从开始加载到构件破坏的整个受力过程中，变形前的平面，在变形后仍保持平面。面，在变形后仍保持平面。4.2试验研究分析试验研究分析第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.234.2.2正截面破坏的正截面破坏的3种形态种形态根据试验研究，梁正截面的破坏形式与配筋率根据试验研究，梁正截面的破坏形式与配筋率和钢筋、混和钢筋、混凝土的强度等级有关。但是以配筋率对构件破坏特征的影响最为凝土的强度等级有关。但是以配筋率对构件破坏特征的影响最为明显。配筋率明显。配筋率，此处为受，此处为受拉钢筋截面积拉钢筋截面积，为，为截面的有效面积。试验表明，在常用的钢筋级别和混凝土强度等截面的有效面积。试验表明，在常用的钢筋级别和混凝土强度等级情况下，其破坏形式主要随配筋率级情况下，其破坏形式主要随配筋率的大小而异。梁的破坏形的大小而异。梁的破坏形式可以分为以下式可以分为以下3种形态。种形态。4.2试验研究分析试验研究分析第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.24(1)适筋梁破坏：适筋梁破坏：所谓适筋梁就是指配筋率比较适中，所谓适筋梁就是指配筋率比较适中，从开始加载至截面破坏，整个截面从开始加载至截面破坏，整个截面的受力过程符合前面所述的的受力过程符合前面所述的3个阶个阶段的梁。这种梁的破坏特点是：受段的梁。这种梁的破坏特点是：受拉钢筋首先达到屈服强度，维持应拉钢筋首先达到屈服强度，维持应力不变而发生显著的塑性变形，直力不变而发生显著的塑性变形，直到受压区混凝土边缘应变达到混凝到受压区混凝土边缘应变达到混凝土弯曲受压的极限压应变时，受压土弯曲受压的极限压应变时，受压区混凝土被压碎，截面即告破坏，区混凝土被压碎，截面即告破坏，梁在完全破坏以前，由于钢筋要经梁在完全破坏以前，由于钢筋要经历较大的塑性伸长，随之引起裂缝历较大的塑性伸长，随之引起裂缝急剧开展和梁挠度的激增，它将给急剧开展和梁挠度的激增，它将给人明显的破坏预兆，习惯上把这种人明显的破坏预兆，习惯上把这种梁的破坏称之为梁的破坏称之为“塑性破坏塑性破坏”，如，如图图4.7(a)所示。所示。图图4.7梁正截面的梁正截面的3种破坏形式种破坏形式4.2试验研究分析试验研究分析第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.25(2)超筋梁破坏：超筋梁破坏：配筋率配筋率过大的梁一般称之为过大的梁一般称之为“超筋梁超筋梁”，试验表明，由于这种梁内钢，试验表明，由于这种梁内钢筋配置过多，抗拉能力过强，当荷载加到一定程度后，在钢筋拉应力尚筋配置过多，抗拉能力过强，当荷载加到一定程度后，在钢筋拉应力尚未达到屈服之前，受压区混凝土已先被压碎，致使构件破坏。由于超筋未达到屈服之前，受压区混凝土已先被压碎，致使构件破坏。由于超筋梁在破坏前钢筋尚未屈服而仍处于弹性工作阶段，其延伸较小，因而梁梁在破坏前钢筋尚未屈服而仍处于弹性工作阶段，其延伸较小，因而梁的裂缝较细，挠度较小，破坏没有预兆，比较突然，习惯上称之为的裂缝较细，挠度较小，破坏没有预兆，比较突然，习惯上称之为“脆脆性破坏性破坏”，如图，如图4.7(b)所示。所示。超筋梁虽然在受拉区配置有很多受拉钢筋，但其强度不能充分利用，这超筋梁虽然在受拉区配置有很多受拉钢筋，但其强度不能充分利用，这是不经济的，同时破坏前又无明显预兆，所以在实际工程中应避免设计是不经济的，同时破坏前又无明显预兆，所以在实际工程中应避免设计成超筋梁。成超筋梁。4.2试验研究分析试验研究分析第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.26(3)少筋梁破坏：少筋梁破坏：当梁的配筋率当梁的配筋率很小时称为很小时称为“少筋梁少筋梁”。这种梁在开裂以前受拉区主要由混凝土。这种梁在开裂以前受拉区主要由混凝土承担，钢筋承担的拉力占很少的一部分。在承担，钢筋承担的拉力占很少的一部分。在Ia段，受拉区一旦开裂，拉力就几乎全段，受拉区一旦开裂，拉力就几乎全部转由钢筋承担。但由于受拉区钢筋数量配置太少，使裂缝截面的钢筋拉应力突然部转由钢筋承担。但由于受拉区钢筋数量配置太少，使裂缝截面的钢筋拉应力突然剧增直至超过屈服强度而进入强化阶段，此时受拉钢筋的塑性伸长已很大，裂缝开剧增直至超过屈服强度而进入强化阶段，此时受拉钢筋的塑性伸长已很大，裂缝开展过宽，梁将严重下垂，受压区混凝土不会压碎，但过大的变形及裂缝已经不适于展过宽，梁将严重下垂，受压区混凝土不会压碎，但过大的变形及裂缝已经不适于继续承载，从而标志着梁的破坏，如图继续承载，从而标志着梁的破坏，如图4.7(c)所示。所示。少筋梁的破坏一般是在梁出现第一条裂缝后突然发生，所以也属于少筋梁的破坏一般是在梁出现第一条裂缝后突然发生，所以也属于“脆性破坏脆性破坏”。所以少筋梁也是不安全的。少筋梁虽然在受拉区配了钢筋，但不能起到提高混。所以少筋梁也是不安全的。少筋梁虽然在受拉区配了钢筋，但不能起到提高混凝土梁承载能力的作用，同时，混凝土的抗压强度也不能充分利用，因此在实际工凝土梁承载能力的作用，同时，混凝土的抗压强度也不能充分利用，因此在实际工程中也应避免。程中也应避免。由此可见，当截面配筋率变化到一定程度时，将引起梁破坏性质的改变。由于在实由此可见，当截面配筋率变化到一定程度时，将引起梁破坏性质的改变。由于在实际工程设计中不允许出现超筋梁或少筋梁，就必须在设计中对适筋梁的配筋率做出际工程设计中不允许出现超筋梁或少筋梁，就必须在设计中对适筋梁的配筋率做出规定，具体规定将在以后的计算中描述。规定，具体规定将在以后的计算中描述。4.2试验研究分析试验研究分析第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.274.3受弯构件正截面承载力计算的则受弯构件正截面承载力计算的则4.3.1基本假定基本假定为了能推导出受弯构件正截面承载力的计算公式，根据实验研究，为了能推导出受弯构件正截面承载力的计算公式，根据实验研究，对钢筋混凝土受弯构件的正截面承载力计算采用了下列对钢筋混凝土受弯构件的正截面承载力计算采用了下列4个基本假定：个基本假定：截面应变保持平面截面应变保持平面(平截面假定平截面假定)。不考虑混凝土的抗拉强度；对处于承载能力极限状态下的正截面，不考虑混凝土的抗拉强度；对处于承载能力极限状态下的正截面，其受拉区混凝土的绝大部分因开裂已经退出工作，而中性轴以下可其受拉区混凝土的绝大部分因开裂已经退出工作，而中性轴以下可能残留很小的未开裂部分，作用相对很小，为简化计算，完全可以能残留很小的未开裂部分，作用相对很小，为简化计算，完全可以忽略其抗拉强度的影响。忽略其抗拉强度的影响。第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.284.3受弯构件正截面承载力计算的则受弯构件正截面承载力计算的则混凝土的应力混凝土的应力-应变关系曲线采用理想化的应力应变关系曲线采用理想化的应力-应变曲线，如图应变曲线，如图4.8所示，所示，其数学表达式为：其数学表达式为：第一段第一段(上升段上升段)，当时，当时(4-1)第二段第二段(水平段水平段)，当时，当时(4-2)(4-3)(4-4)(4-5)第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.294.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则式中，式中，对应于混凝土应变为时的混凝土压应力；对应于混凝土应变为时的混凝土压应力；对对应应于于混混凝凝土土压压应应力力刚刚达达到到时时的的混混凝凝土土压压应应变变，当当计计算的值小于算的值小于0.002时，应取时，应取0.002；正正截截面面处处于于非非均均匀匀受受压压时时的的混混凝凝土土极极限限压压应应变变，当当计计算的值大于算的值大于0.0033时，取为时，取为0.0033；混凝土立方体抗压强度标准值；混凝土立方体抗压强度标准值；系数，当计算的系数，当计算的n大于大于2.0时，应取为时，应取为2.0；、的取值见表的取值见表4-3。第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.304.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则C50C55C60C65C70C75C8021.9171.8331.7501.6671.5831.5000.0020000.0020250.0020500.0020750.0021000.0021250.0021500.003300.003250.003200.003100.003100.003050.00300表表4-3n、的取值的取值第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.314.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则从表从表4-3中我们可以发现，当混凝土的强度等级大于中我们可以发现，当混凝土的强度等级大于C50时，随着混时，随着混凝土强度等级的提高，凝土强度等级的提高，值不断增大，值不断增大，而却逐渐减小，即在图而却逐渐减小，即在图4.8中的水平区段逐渐缩短，材料的脆性中的水平区段逐渐缩短，材料的脆性加大。加大。图图4.8混凝土应力混凝土应力-应变关系曲线应变关系曲线钢筋的应力钢筋的应力-应变关系方程为应变关系方程为，受拉钢筋的极限，受拉钢筋的极限拉应变取拉应变取0.01。第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.324.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则4.3.2基本方程基本方程根据基本假定和正截面受力根据基本假定和正截面受力3个阶段的应力个阶段的应力-应变曲线，以应变曲线，以单筋矩形截面为例，推导正截面受弯的基本方程。单筋矩形截面为例，推导正截面受弯的基本方程。图图4.9所示是所示是a阶段正截面的应力阶段正截面的应力-应变图形。从图中可知，应变图形。从图中可知，截面在承载力极限状态下，受压边缘达到了混凝土的极限截面在承载力极限状态下，受压边缘达到了混凝土的极限压应变压应变。若假定这时截面受压区高度为。若假定这时截面受压区高度为Xc，y为受压区为受压区任意一点距截面中性轴的距离，则受压区任意一点混凝土任意一点距截面中性轴的距离，则受压区任意一点混凝土的压应变为：的压应变为：(4-6)将式将式(4-6)代入式代入式(4-1)或式或式(4-2)，可得截面受压区应力分布图，可得截面受压区应力分布图形和压应力的合力形和压应力的合力C：(4-7)第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.334.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则受拉受拉钢钢筋筋应应力已力已经经达到屈服达到屈服强强度，度，钢钢筋的拉力筋的拉力T即即为为：(4-8)根据力的平衡条件，根据力的平衡条件，C=T，可得：，可得：(4-9)此此时时截面所能承受的弯矩截面所能承受的弯矩Mu：(4-10)式式中中，z凝凝土土压压应应力力作作用用点点C至至钢钢筋筋合合力力点点T之之间间的的距距离离，简简称称内内力力臂。臂。第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.344.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则图图4.9 受压区混凝土的应力图形受压区混凝土的应力图形第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.354.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则利利用用上上式式求求梁梁的的承承载载力力的的计计算算过过程程过过于于复复杂杂，求求受受压压区区混混凝凝土土的的合合力力C及及其其合合力力点点的的作作用用位位置置是是非非常常复复杂杂的的，所所以以设设计计上上采采用用简简化化处处理理方方法法，即即采采用等效矩形应力图形用等效矩形应力图形(如如图图4.10所示所示)来代替受压区混凝土的曲线应力图形。来代替受压区混凝土的曲线应力图形。图图4.10等效矩形应力图形的换算等效矩形应力图形的换算第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.364.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则采用这种等效方法时，需满足以下两个前提条件：采用这种等效方法时，需满足以下两个前提条件：保持原来受压区混凝土合力保持原来受压区混凝土合力C的作用点不变。的作用点不变。保持原来受压区混凝土合力保持原来受压区混凝土合力C的大小不变。的大小不变。在在图图4.10中中，设设曲曲线线应应力力图图形形的的高高度度为为xc，应应力力为为fc，等等效效矩矩形形应应力力图图形形的的高高度度为为；应应力力峰峰值值为为，和和称称为为等等效效矩矩形形应应力力图图形形系系数数，具具体体取取值值见见表表4-4，采采用用等等效效矩矩形形应应力力图图形形后后，正正截截面面受受弯弯承载力计算公式可写成：承载力计算公式可写成：(4-11)(4-12)第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.374.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则表表4-4表表4-4受压混凝土的简化应力图形系数受压混凝土的简化应力图形系数和和值值混凝土混凝土强度等强度等级级C50C55C60C65C70C75C800.80.790.780.770.760.750.741.00.990.980.970.960.950.94第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.384.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则基本公式基本公式(4-11)、式、式(4-12)是根据适筋梁是根据适筋梁a阶段的应力状态推导阶段的应力状态推导而得的，故它们不适用于超筋梁和少筋梁。而得的，故它们不适用于超筋梁和少筋梁。适筋梁的破坏是受拉钢筋首先屈服，经过一段塑性变形后，受压适筋梁的破坏是受拉钢筋首先屈服，经过一段塑性变形后，受压区混凝土才被压碎；而超筋梁的破坏是在钢筋屈服前，受压区混凝土区混凝土才被压碎；而超筋梁的破坏是在钢筋屈服前，受压区混凝土首先达到极限压应变首先达到极限压应变，导致构件破坏。当梁的钢筋等级和混凝土强，导致构件破坏。当梁的钢筋等级和混凝土强度等级确定后，就可以找到某个特定的配筋率度等级确定后，就可以找到某个特定的配筋率，使具有这个特定配，使具有这个特定配筋率的梁的破坏介于适筋梁和超筋梁之间，也就是说它的钢筋屈服与筋率的梁的破坏介于适筋梁和超筋梁之间，也就是说它的钢筋屈服与受压区混凝土的压碎是同时发生的。把这种梁的破坏称为受压区混凝土的压碎是同时发生的。把这种梁的破坏称为“界限破坏界限破坏”。再用如图再用如图4.11所示的情形来说明这一点，在图中，设界限破坏时所示的情形来说明这一点，在图中，设界限破坏时中性轴高度为，则有：中性轴高度为，则有：(4-13)4.3.3适筋和超筋破坏的界限条件适筋和超筋破坏的界限条件第第4章章 受弯构件正截面承载力的计算受弯构件正截面承载力的计算1.394.3受弯构件正截面承载力计算的原则受弯构件正截面承载力计算的原则引用引用代入上式中，可得：代入上式中，可得：(4-14)设设，并称之为，并称之为“界限相对受压区高度界限相对受压区高度”，则：，则：(4-15)从上式可知，界限相对高度与截面尺寸无关，仅与材料性能从上式可知，界限相对高度与截面尺寸无关，仅与材料性能有关，将相关数值有关，将相关数值、Es、代入上式，即可求出代入上式，即可求出，的值也可通过查表的