探析钢筋混凝土轴心受拉构件的受力特点

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摘要 本文通过钢筋混凝土轴心受拉构件概念,分析了钢筋混凝土轴心受拉构件的受力特点。通过理论和实验分析得出的裂缝间距和裂缝宽度计算公式反应了裂缝的特点和影响裂缝宽度的主要因素。

关键词 钢筋混凝土;轴心受拉构件;受力特点

中图分类号TU528 文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)21-0146-01

1 钢筋混凝土轴心受拉构件

当轴向拉力作用线与构件截面形心轴线重合时,即为轴心受拉构件。在实际工程中,近似按轴心受拉计算的钢筋混凝土构件有:承受节点荷载的屋架或托架的受拉弦杆和腹杆、拱的拉杆、圆形水池池壁和圆形简仓壁的环向不分等。

2 钢筋混凝土轴心受拉构件的受力特点

当采用逐级加荷方式对钢筋混凝土轴心受拉构件进行试验时,构件从开始受力到破坏的全过程可以分为3个阶段。

2.1混凝土开裂前

构件开始受荷时,轴向拉力很小,由于钢筋混凝土之间的粘结力,截面上各应变值相等,混凝土和钢筋都处于弹性受力状态,应力与应变成正比。即

式中、 、――纵身受拉钢筋的应变、应力和弹性模量;

、、――混凝土的应变、应力和弹性模量。

根据静力平衡条件,有

式中N――施加于构件上的轴向拉力;

AS――纵向受拉钢筋截面面积;

AC――混凝土截面面积。

将式(1)---式(3)代入式(4),可得

式中,为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比。

可见,在钢筋和混凝土都处于弹性受力状态时,若将构件截面面积A0看作是混凝土面积AC与相当的混凝土面积之和,则轴心受拉构件可视为由单一混凝土材料所组成的具有截面面积A0的构件,并可用材料力学的方法进行分析:

(6)

式中,A0―换算截面面积,A0=

随着荷载的增加,混凝土受拉塑性变形开始出现并随荷载的增大而发展,混凝土拉应力的增长速度小于应变的增长速度,应力与应变不成比例,而钢筋则仍然处于弹性受力状态,式(5)应改为:

(7)

式中―钢筋弹性模量与混凝土变形模量(割线模量)之比,;,随的增大而变小。

若将换算截面面积A0取为,仍可采用材料力学方法进行分析。

当荷载继续增加,混凝土的应力达到抗拉强度时ftk时,构件即将开裂;此时混凝土变形模量约为其弹性量的一半。构件的开裂荷载Ncr可由式(3-7)得到:

2.2混凝土开裂后的正常使用阶段

当构件上最薄弱截面的混凝土应力达到抗拉强度(混凝土拉应变相应达到极限拉应变)时,该截面开裂,裂缝截面与构件轴线垂直,裂缝贯穿于整个截面。在裂缝截面处,混凝土退出工作,即不能承担拉力,所有外力由钢筋承受,而在未开裂截面,外力仍可由钢筋和混凝同承受。在开裂前和开裂后瞬间,裂缝截面处的钢筋应力将发生突变,其突变值为:

式中---纵向受力钢筋配率,为纵向受力钢筋截面面积AS与构件截面面积A的比值。

显然,钢筋配筋率较低时,钢筋应力的突变值较大;配筋率较高时,钢筋应力突变值较小。

由于钢筋的抗拉强度很高,故构件开裂并不意味着构件丧失承载力(此时钢筋应力仅为2ftk ),荷载还可继续增加,新的裂缝也将产生。

当裂缝之间的混凝土拉应力不能达到其抗拉强度时,裂缝间距基本稳定。随着荷载继续增加,裂缝宽度增大。裂缝间距和裂缝宽度与截面配筋、纵向钢筋的直径和形状、混凝土保护层厚度、钢筋的应力水平等多种因素有关。裂缝间距和裂缝宽度的一般情况理:裂缝间距较小时,裂缝宽度较细;裂缝间距较大时,裂缝宽度较宽。

2.3 破坏阶段

当轴向拉力使裂缝截面处的钢筋应力达到钢筋的抗拉强度时,构件进入破坏阶段。当构件采用有明显屈服点钢筋配筋时,构件的变形还会有较大的发展,但裂缝宽度将大到不适于继续承载的状态;当采用无明显屈服点的钢筋配筋时,构件则可能被拉断。构件破坏时所能承受的轴向力为:

Nu=fyk AS (10)

式中fyk―钢筋抗拉强度标准值。

总之,通过理论和实验分析得出的裂缝间距和裂缝宽度计算公式反应了裂缝的特点和影响裂缝宽度的主要因素。