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鋼筋混凝土梁

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用鋼筋混凝土材料製成的梁。鋼筋混凝土梁既可作成獨立梁,也可與鋼筋混凝土板組成整體的梁-板式樓蓋,或與鋼筋混凝土柱組成整體的單層或多層框架。鋼筋混凝土梁形式多種多樣,是房屋建築、橋樑建築等工程結構中最基本的承重構件,應用範圍極廣。

1分類構造

鋼筋混凝土梁按其截面形式,可分為矩形梁、T形梁、工字梁、槽形梁和箱形梁。按其施工方法,可分為現澆梁、預製梁和預製現澆疊合梁。按其配筋類型,可分為鋼筋混凝土梁和預應力混凝土梁。按其結構簡圖,可分為簡支梁、連續梁、懸臂樑、主梁和次梁等。
鋼筋混凝土梁的典型配筋構造如圖1,在主要承受彎矩的區段內,沿梁的下部配置縱向受力鋼筋,以承擔彎矩所引起的拉力。在彎矩和剪力共同作用的區段內,配置橫向箍筋和斜向鋼筋,以承擔剪力並和縱向鋼筋共同承擔彎矩。斜向鋼筋一般由縱向鋼筋彎起,故也稱彎起鋼筋。為了固定箍筋位置並使其與縱向受力筋共同構成剛勁的骨架,在梁內尚須設置架立鋼筋。當梁較高時,為保證鋼筋骨架的穩定及承受由於混凝土干縮和溫度變化所引起的應力,在梁的側面沿梁高每隔300~400毫米需設置直徑不小於10毫米的縱向構造鋼筋,並用拉筋連接。為了保證鋼筋不被鏽蝕,同時保證鋼筋與混凝土緊密粘結,梁內鋼筋的側面混凝土保護層的最小厚度為25毫米(對混凝土標號較高的預製構件,可減為20毫米)。箍筋距離混凝土表面不小於15毫米。為了能有效地利用高強鋼材,避免混凝土開裂或減小裂縫寬度,以及提高梁的剛度,對梁的縱向受力筋可以全部或部分施加預應力(見預應力混凝土結構)。

2工作階段

鋼筋混凝土梁從載入到破壞的全過程,可分為三個工作階段,即在梁的荷載-撓度圖上表現為OA(階段Ⅰ)、AB(階段Ⅱ)和BC(階段Ⅲ)三個階段(圖2)。A點相當於混凝土開裂;B點相當於縱向受力筋開始屈服逐漸達到屈服極限fy,混凝土亦相應地達到彎曲抗壓強度fcm;C點相當於梁的破壞。各階段的應力分布圖形及工作特徵如下:
① 階段Ⅰ。梁所受荷載較小,混凝土未開裂,梁的工作情況與勻質彈性梁相似,混凝土纖維變形的變化規律符合平截面假定,應力與應變成正比。但在此階段的末尾(圖中A點),受拉區混凝土進入塑性狀態,應力圖形呈曲線形狀,邊緣纖維應力達到抗拉強度fct,混凝土終於開裂。
② 階段Ⅱ。當混凝土開裂后,拉力主要由鋼筋承擔,但鋼筋處於彈性階段,受拉區尚未開裂的混凝土只承受很小的拉力,受壓區混凝土開始出現非彈性變形。
③ 階段Ⅲ。隨著荷載的繼續增加,受拉鋼筋終於達到屈服,裂縫寬度隨之擴展並沿梁高向上延伸,中和軸不斷上移,受壓區高度進一步減小,最後受壓區混凝土達到極限抗壓強度而破壞。 鋼筋混凝土梁

3設計計算

鋼筋混凝土梁截面的計算理論有彈性理論和破壞強度理論兩種。
① 彈性理論。以工作階段Ⅱ的應力狀態為基礎,假設:構件正截面在受力后仍保持平面並與縱軸垂直;混凝土不承擔拉應力,全部拉力由鋼筋承擔;無論混凝土和鋼筋的應力-應變關係都服從胡克定律;鋼筋彈性模量Es與混凝土彈性模量Ec的為一常數。
為了利用勻質彈性體材料力學的公式,需把鋼筋和混凝土兩種材料組成的截面折算成為單一材料的截面。由於鋼筋和混凝土之間的粘結力很好,故認為它們之間的應變保持一致,鋼筋的應力等於混凝土應力乘以αE,從而鋼筋面積AS可以折算成為混凝土面積αEAS,由折算截面積對中和軸的靜矩等於零的條件,可得出中和軸至混凝土受壓區邊緣的距離,梁截面內任意點的應力可由下式算得:σ=Mr/I0,式中M為作用彎矩;r為從中和軸到計算纖維水平的距離;I0為折算截面面積對中和軸的慣性矩。
② 破壞強度理論。以工作階段Ⅲ的應力狀態為基礎,假設,混凝土開裂后,不承擔拉應力,全部拉力由鋼筋承擔,鋼筋達到屈服極限fy;受壓區混凝土的應力-應變關係不服從胡克定律,其應力分布圖形為曲線形,但為了計算的簡化,壓區混凝土的應力圖形取為矩形,其彎曲抗壓強度等於fcm(圖3)。 鋼筋混凝土梁
由水平力平衡條件得中和軸至混凝土受壓邊緣的距離x=Asfy/bfcm,截面極限抵抗矩的內力臂為z=h0-x/2,於是由受拉鋼筋控制的極限抵抗矩為 式中h0為受拉鋼筋中心至混凝土受壓邊緣的距離。
試驗結果表明,只有當混凝土的受壓區高度xδh0時,上列公式才能成立。式中δ值主要取決於鋼筋品種和混凝土標號,約為0.35~0.55。
設計鋼筋混凝土梁時,除了計算其正截面的強度外,還要計算剪力作用下的斜截面強度,以保證其安全。此外,還需要計算梁的抗裂度、裂縫開展寬度和撓度都不能超過容許的限值,以滿足正常使用的要求。對於承受多次反覆荷載作用的梁,如鐵路橋樑、吊車梁,還須計算其疲勞強度。

4內力分佈

無論作強度、抗裂度、裂縫開展寬度和撓度計算,都必須首先確定結構在荷載作用下的內力。超靜定連續梁的內力分佈與各跨梁的剛度比值有關。傳統的結構力學,將連續梁視為彈性勻質體,即假定梁的剛度不因力的大小及作用時間的久暫而改變,因此,內力與荷載之間具有線性關係。但是,鋼筋混凝土連續梁在荷載作用下,由於混凝土的徐變變形、鋼筋的塑性變形及受拉區混凝土出現裂縫等因素的影響,都會引起梁的剛度和各跨剛度之間的比值發生變化,從而其內力的分佈規律將不斷偏離按彈性勻質體計算的分佈規律,這種現象稱內力重分佈。在設計鋼筋混凝土連續梁時,恰當地考慮內力重分佈十分重要。因為一方面只有考慮內力重分佈才能正確地估計連續梁在使用荷載下的工作性能:抗裂度、撓度和裂縫開展寬度;另一方面,在按照結構的承載能力設計連續梁時,可根據內力重分佈的特點,對連續梁的內力加以調整,如在相應增加跨中彎矩的前提下,適當減少支座彎矩,可收到節約材料、簡化配筋構造和便於施工的效果。
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