钢筋混凝土轴心受拉构件正截面承载力的教学思考

黄海林 祝明桥 曾垂军

摘要：《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，在钢筋混凝土轴心受拉构件正截面承载力计算中，只给了1个公式，且条文说明中未作解释，给学生理解和本科教学带来了困难。本文结合本科教学中的个人体会，分别从基本概念、教学思路、试验教学、设计方法教学以及算例教学5个方面，指出教学中具体应注意的事项，为本科教学提供参考。

关键词：钢筋混凝土；轴心受拉构件；正截面承载力；本科教学

中图分类号：TU37；G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）39-0241-02

《混凝土结构设计原理》GB50010-2010，在钢筋混凝土轴心受拉构件正截面承载力计算中，延用了《混凝土结构设计原理》GB50010-2002、《混凝土结构设计原理》GBJ10-89的规定，只给了1个公式，且条文说明中未作解释，给学生理解和本科教学带来了困难[1]。本文主要针对这部分内容，结合本科教学中的个人体会，分别从基本概念、教学思路、试验教学、设计方法教学以及算例教学5个方面，指出教学中的注意事项，为本科教学提供参考。

一、基本概念

为了更好的让学生理解规范，教学中首先要阐述清楚以下基本概念。

1.轴线。构件截面形心线的连线，即为构件的轴线。

2.正截面。与构件的轴线相垂直的截面，称为正截面。

3.轴心受拉构件。纵向拉力作用线与构件轴线重合的构件，称为轴心受拉构件。

4.理想的钢筋混凝土轴心受拉构件几乎不存在。实际工程中，由于荷载不可避免的偏心和构件制作过程中的不均匀性，使得理想的钢筋混凝土轴心受拉构件几乎不存在。

5.工程中可近似按钢筋混凝土轴心受拉构件设计计算的典型构件。由于轴心受拉构件设计计算简单，因此拱和桁架结构中的拉杆，以及圆形水池的池壁等结构构件，可近似按钢筋混凝土轴心受拉构件设计计算。

6.钢筋骨架。钢筋混凝土轴心受拉构件中的钢筋骨架包括纵向钢筋和箍筋，纵向钢筋承受轴心拉力，箍筋固定纵向钢筋，使得纵向钢筋在构件制作的过程中不发生变形和错位。

二、教学思路

《混凝土结构设计原理》作为土木工程专业本科生的专业基础课，内容主要涉及钢筋混凝土基本构件的力学性能，是一门半理论半经验课程，有较强的实践性[2，3]。教学时应着重强调基本概念，结合试验教学，让学生深刻认识轴心受拉构件的受力性能与破坏形态，帮助学生掌握轴心受拉构件的破坏机理，基于试验得到的破坏机理，建立轴心受拉构件正截面承载力的设计计算方法，同时使学生认识到：轴心受拉构件的设计，除了应进行计算外，尚应满足构造要求。

三、试验教学

试验教学的目的就是脱离抽象教学，使学生获得混凝土轴心受拉构件受力性能的直观认识，最终深刻理解其破坏机理，为推导建立设计计算方法打下基础。

具体教学时，可通过构件试验视频或数值模拟演示轴心受拉构件正截面受力全过程，使学生深刻理解受力全过程的三个阶段，总结如下。

1.第Ⅰ阶段：从开始加载到混凝土受拉开裂前。纵向钢筋与混凝土共同承受拉力，应力与应变大致成正比，拉力N与截面平均拉应变ε■t基本呈线性关系，如图1（a）中的OA段所示。此阶段一般作为构件抗裂验算的依据。

2.第Ⅱ阶段：混凝土开裂后至纵向钢筋屈服前。首先在截面最薄弱处产生第1条裂缝，随着荷载增加，先后在一些截面上出现裂缝，逐渐形成图1（b）中（Ⅱ）所示的裂缝分布形式。此时，裂缝处的混凝土不再承受拉力，所有拉力均由纵向钢筋来承担。拉力增加时，纵向钢筋的应变显著增大，反映在图1（a）中的AB段斜率比第Ⅰ阶段的OA段斜率要小。此阶段可作为构件裂缝宽度和变形验算的依据。

3.第Ⅲ阶段：钢筋屈服后的破坏阶段。此过程出现屈服平台和强化，拉力有少许增加，变形显著增大，裂缝不断加宽，直至构件破坏，如图1（a）中的BC段所示。此阶段可作为构件正截面承载力计算的依据。

四、设计方法教学

基于试验教学给学生所揭示的破坏机理可以得出：对于轴心受拉构件正截面承载力的计算而言，以构件第Ⅲ阶段的受力情况为基础，但是要考虑可靠度的要求，轴心受拉构件计算简图如图2所示。此时，裂缝截面上混凝土因开裂不能承受拉力，全部拉力由纵向钢筋承受，直至钢筋受拉屈服。如果不考虑钢筋的强化段，钢筋的屈服就成为轴心受拉构件的极限状态，故轴心受拉构件正截面承载力应满足：N≤N■u=f■yA■s （1）

式中：N为轴心拉力组合设计值；N■u为轴心受拉承载力设计值；f■y为钢筋的抗拉强度设计值；A■s为受拉钢筋的全部截面面积，受拉钢筋尚应满足规范最小配筋率的要求。

教学当中，通过分析式（1），务必强调轴心受拉构件正截面受拉承载力的计算是不是考虑混凝土受拉贡献的。

五、算例教学

算例教学应立足工程实践，严格按照“公式、数据、答案”三步式解题，使学生在全面掌握基本原理的基础上得到有关设计的基本训练。算例可着重围绕公式（1）的两类应用进行讲解。

1.既有构件的承载力计算，属于结构复核问题。这类问题一般是已知矩形截面尺寸（宽b×高h）、配筋A■s和材料强度f■y，求轴心受拉构件的正截面受拉承载力N。

2.构件的截面设计，属于结构设计问题。这类问题一般是已知矩形截面尺寸（宽b×高h）、材料强度f■y以及截面所受的轴心拉力N，求配筋A■s。

下面通过某钢筋混凝土屋架下弦，简要说明构件截面设计问题。

例：已知某钢筋混凝土屋架下弦，截面尺寸b×h=200mm×150mm，其所受的轴心拉力设计值为288kN，混凝土强度等级为C30，钢筋为HRB400，求截面配筋。

解：HRB400级钢筋，f■y=360N/mm2，代入式（1）得：

A■s=N/fy=288×103/360=800mm2，选用4 16，A■s=804mm2。

通過以上分析可知，在实际教学当中，建议首先从基本概念出发，借助试验教学让学生深刻理解轴心受拉构件正截面破坏机理，使学生掌握轴心受拉构件正截面承载力计算公式建立的试验基础，最后通过算例教学加深巩固对轴心受拉构件正截面受力性能与计算方法的理解。

参考文献：

[1]祝明桥，黄海林.混凝土结构设计原理[M].长沙：中南大学出版社，2015.

[2]祝明桥，谢献忠，皇晓东，等.深化土木工程本科专业教学改革 加强创新型人才培养[J].当代教育理论与实践，2015，（10）：56-59.

[3]祝明桥，霍海强，赵文武，等.基于学校工程环境实现土木工程专业实践教学信息化[J].当代教育理论与实践，2009，（04）：71-73.