浅谈钢筋混凝土受弯构件中钢筋用量对承载力的影响

【摘要】混凝土梁的承载力与钢筋的配置面积密切相关，本文从“少筋梁”、“适筋梁”、“超筋梁”三方面分析钢筋与承载力之间的关系，从而简述了一种高效的配筋比例。

【关键词】混凝土构件；受弯承载力；配筋率；梁的破坏形式

钢筋混凝土构件的承载力与构件的混凝土强度等级、截面尺寸，配筋的强度和面积有着密切的关系，当构件的截面尺寸和材料强度已确定时，增加配筋量能够提高构件的承载力。但认为无论任何情况只要增加钢筋的用量就一定能提高构件承载力，这样的想法是有局限性的。

在钢筋混凝土梁设计中，只在受拉区配置纵向受力筋，这样的梁叫单筋梁，钢筋混凝土梁矩形截面发生破坏形式及承载力与梁中纵向受力钢筋的数量有关，单筋梁中纵向受力筋的配置截面面积的大小在力学上用配筋率ρ表示。

当配筋率发生变化时，梁的破坏形式和承载能力都会发生变化。根据梁的破坏形式，我们把梁分为少筋梁、适筋梁和超筋梁三种方式，下面我们来探讨一下这三种梁的破坏情况、承载力和钢筋用量之间的关系。

1、少筋梁

受彎构件在弯矩的作用下，可以分为受拉区和受压区两部分，当弯矩较小时，产生的压力由受压区混凝土承担，拉力由混凝土和钢筋共同承担。当弯矩达到一定值时，受拉的混凝土上先破坏，这时在截面的受拉一侧的混凝土出现直裂缝，原来由它所承担的拉力就要转移到受拉钢筋上，使钢筋的应力突然增加。这时梁中的受力钢筋配置的太少，钢筋承受不了突然增加的那一部分拉力，钢筋的应力就会超过屈服强度甚至被拉断，梁也断为两截而破坏，这样的梁叫少筋梁。

当梁的受拉区配筋量很小时，承载能力很小，其抗弯能力及破坏特征与不配筋的素混凝土构件类似，受拉区混凝土一旦开裂，则裂缝区的钢筋拉应力迅速达到屈服强度并进入强化段。受拉区混凝土裂缝很宽、构件挠度加大，而受压混凝土并未达到极限压应变。这种破坏是“一裂即坏”型，破坏弯矩往往低于构件开裂时的弯矩，属于脆性破坏，破坏没有明显的预兆，具有很大的危险性，少筋梁无法满足设计荷载状态下所需的承载力，设计时应严禁出现少筋梁。各混凝土构件在满足计算要求的前提下，还要使配筋率大于或等于最小配筋率。

2、适筋梁

如果梁中的纵向受力钢筋的数量适量，在荷载的作用下，梁的受拉区混凝土刚出现裂缝时，这时产生的拉力近似的认为完全由钢筋承受。由于钢筋数量充足，实际钢筋中产生的应力还很小，梁仍能继续承担很大的荷载。当荷载达到一定值时，梁中的纵向受拉钢筋首先达到屈服，这时梁仍没有达到承载能力极限，它所承担的荷载还能继续增加，但由于钢筋屈服后应变急剧增加，引起梁的裂缝迅速增长，使得受压区混凝土的面积越来越小，最后受压区混凝土超过极限承载能力而被压碎，这时梁也达到了最大的承载能力，这样的梁就是适筋梁。

同样的截面尺寸、跨度和同样材料强度的梁由于配筋量的不同，会发生本质不同的破坏。在适筋梁范围内，梁的承载力和钢筋的用量有关，它随着配筋率的增加而增加。适筋梁的破坏有一个明显的破坏过程，破坏时产生的变形和裂缝都比较大，破坏有明显的破坏预兆，属于延性破坏。

梁如果设计成适筋梁是很安全的，可以提前发现结构承载力失效的隐患，而且梁达到最大承载力时，钢筋和混凝土都能达到各自的设计强度，这两种材料的性能都得到充分发挥，从经济的角度来说也能更好的控制成本，提升设计的合理性，所以在设计阶段应该对各构件进行复核，把梁设计成适筋梁。

适筋梁的抗弯能力Mu和梁的配筋率之间有下列关系：

Mu=ρfy bh02（1-0.5fy/fnm）

式中：Mu—梁所能抵抗的弯矩；fy-—钢筋的抗拉强度设计值；

h0—梁有效计算高度

3、超筋梁

当梁的截面尺寸、材料的强度一定时，提高梁内钢筋强度和配筋率可以一定程度的提高梁的抗弯能力。但梁中的纵向受力钢筋配置太多，在荷载的作用下，受拉区出现直裂缝时，由于梁内纵筋面积太大，相对来说钢筋中产生的拉应力应会很小，钢筋的变形和梁的裂缝宽度也会很小，当荷载增加到一定程度时，受压区的混凝土固达到极限抗压强度而破坏，这时钢筋中的应力可能还很小，这时梁称为超筋梁。按照经验，单筋矩形梁的经济配筋率约为0.6%～1.6%。设计时应该尽量避免出现超筋梁，因为在设计计算荷载时已经考虑了实际荷载可能的超出范围，并且在结构计算时依据规范采用各种分项系数予以了安全保证。如果一旦出现了实际荷载超过设计荷载而使结构破坏，属极其偶然的事件，这是设计所无法保证的（除非设计者的荷载计算发生了错误），否则设计也就无法进行了。超筋梁破坏时没有明显的预兆，破坏形式同少筋梁一样属于脆性破坏，破坏时钢筋的强度还没有充分发挥最大最用。超筋梁的弊端，首先从经济角度来说存在浪费资源的情况。其次，从施工的角度来说配筋率过大、钢筋直径大、根数多也不便于混凝土的浇筑，导致有混凝土浇筑难以达到密实的程度，钢筋与混凝土结合不好，难以发挥应有的作用。其与少筋梁相比在施工环节保证质量、设计荷载在允许范围内的前提下，使用还是满足承载力要求的，况且现行规范也规定了设计者必须保证钢筋混凝土结构在正常使用过程中不发生破坏现象。

那么抗弯能力和钢筋的数量之间到底有什么关系呢？经过分析，适筋梁和超筋梁之间有一个界限的配筋率ρmax，如果梁的实际配筋率满足ρmin≤ρ≤ρmax，时梁为适筋梁，它的抗弯能力会随钢筋数量的增加而增加，如果ρ>ρmax时，梁为超筋梁，设计时为了安全，它的抗弯能力可按下式计算：

Mu=f0mbh02 b（1-0.5b） b—受压区混凝土界限相对高度

从上式可以看出，当ρ>ρmax时，梁的承载能力与钢筋的数量多少无关，若再增大配筋率无疑是一种浪费，单从脆性破坏的角度分析也会给建筑物带来安全隐患。

综上所述，可知在实际设计中，一味的增加钢筋面积，并不能高效的提高梁的受弯承载力。设计初期合理的方案、适当的调整梁的截面面积、配合恰当的配筋率才是设计的重点，从而才能高效的提高梁的承载能力，达到预期设计效果。

参考文献：

[1]沈蒲生，谭宇昂.钢筋混凝土受弯构件粘贴加固时加固材料最大用量研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2004（06）.

作者简介：

杨曦，大连市中心医院，辽宁大连。