钢筋混凝土梁是用
钢筋混凝土材料制成的梁。钢筋混凝土梁既可作成独立梁,也可与
钢筋混凝土板组成整体的梁-板式楼盖,或与钢筋混凝土柱组成整体的单层或多层框架。钢筋混凝土梁形式多种多样,是房屋建筑、桥梁建筑等工程结构中最基本的承重构件,应用范围极广。
钢筋混凝土梁的典型配筋构造如概述图,在主要承受
弯矩的区段内,沿梁的下部配置
纵向受力钢筋,以承担弯矩所引起的拉力。在弯矩和
剪力共同作用的区段内,配置横向
箍筋和斜向钢筋,以承担剪力并和
纵向钢筋共同承担弯矩。斜向钢筋一般由纵向钢筋弯起,故也称
弯起钢筋。为了固定箍筋位置并使其与纵向
受力筋共同构成刚劲的骨架,在梁内尚须设置
架立钢筋。当梁较高时,为保证
钢筋骨架的稳定及承受由于
混凝土干缩和温度变化所引起的应力,在梁的侧面沿梁高每隔300~400毫米需设置直径不小于10毫米的
纵向构造钢筋,并用
拉筋连接。为了保证钢筋不被锈蚀,同时保证钢筋与混凝土紧密粘结,梁内钢筋的侧面
混凝土保护层的最小厚度为25毫米(对
混凝土标号较高的
预制构件,可减为20毫米)。
箍筋距离混凝土表面不小于15毫米。为了能有效地利用高强钢材,避免混凝土开裂或减小裂缝宽度,以及提高梁的刚度,对梁的纵向
受力筋可以全部或部分施加
预应力(见
预应力混凝土结构)。
钢筋混凝土梁从加载到破坏的全过程,可分为三个工作阶段,即在梁的荷载-
挠度图上表现为OA(阶段Ⅰ)、AB(阶段Ⅱ)和BC(阶段Ⅲ)三个阶段。A点相当于混凝土开裂;B点相当于纵向
受力筋开始屈服逐渐达到
屈服极限fy,混凝土亦相应地达到弯曲
抗压强度fcm;C点相当于梁的破坏。各阶段的应力分布图形及工作特征如下:
① 阶段Ⅰ。梁所受荷载较小,混凝土未开裂,梁的工作情况与匀质弹性梁相似,
混凝土纤维变形的变化规律符合
平截面假定,应力与应变成正比。但在此阶段的末尾,受拉区混凝土进入塑性状态,应力图形呈曲线形状,边缘纤维应力达到
抗拉强度fct,混凝土终于开裂。
③ 阶段Ⅲ。随着
荷载的继续增加,受拉钢筋终于达到屈服,裂缝宽度随之扩展并沿梁高向上延伸,
中和轴不断上移,受压区高度进一步减小,最后受压区混凝土达到极限
抗压强度而破坏。
① 弹性理论。以工作阶段Ⅱ的
应力状态为基础,假设:构件正截面在受力后仍保持平面并与纵轴垂直;混凝土不承担
拉应力,全部拉力由钢筋承担;无论混凝土和钢筋的应力-应变关系都服从
胡克定律;钢筋
弹性模量Es与
混凝土弹性模量Ec的为一常数。
为了利用匀质弹性体
材料力学的公式,需把钢筋和混凝土两种材料组成的截面折算成为单一材料的截面。由于钢筋和混凝土之间的
粘结力很好,故认为它们之间的应变保持一致,钢筋的应力等于混凝土应力乘以αE,从而钢筋面积AS可以折算成为混凝土面积αEAS,由折算截面积对
中和轴的
静矩等于零的条件,可得出中和轴至混凝土受压区边缘的距离,梁截面内任意点的应力可由下式算得:σ=Mr/I0,式中M为作用
弯矩;r为从中和轴到计算纤维水平的距离;I0为折算
截面面积对中和轴的
惯性矩。
② 破坏
强度理论。以工作阶段Ⅲ的
应力状态为基础,假设,混凝土开裂后,不承担
拉应力,全部拉力由钢筋承担,钢筋达到
屈服极限fy;受压区混凝土的应力-应变关系不服从
胡克定律,其应力分布图形为曲线形,但为了计算的简化,压区混凝土的应力图形取为矩形,其弯曲
抗压强度等于fcm。
由水平力平衡条件得
中和轴至混凝土受压边缘的距离x=Asfy/bfcm,截面极限
抵抗矩的内力臂为z=h0-x/2,于是由受拉钢筋控制的极限抵抗矩为式中h0为受拉钢筋中心至混凝土受压边缘的距离。
试验结果表明,只有当混凝土的受压区高度x≤δh0时,上列公式才能成立。式中δ值主要取决于钢筋品种和
混凝土标号,约为0.35~0.55。
设计钢筋混凝土梁时,除了计算其正截面的强度外,还要计算
剪力作用下的斜截面强度,以保证其安全。此外,还需要计算梁的
抗裂度、裂缝开展宽度和
挠度都不能超过容许的限值,以满足正常使用的要求。对于承受多次反复荷载作用的梁,如铁路桥梁、
吊车梁,还须计算其
疲劳强度。
无论作强度、抗裂度、裂缝开展宽度和
挠度计算,都必须首先确定结构在荷载作用下的内力。
超静定连续梁的内力分布与各跨梁的刚度比值有关。传统的结构力学,将连续梁视为弹性匀质体,即假定梁的
刚度不因力的大小及作用时间的久暂而改变,因此,内力与荷载之间具有
线性关系。但是,
钢筋混凝土连续梁在荷载作用下,由于混凝土的
徐变变形、钢筋的塑性变形及受拉区混凝土出现裂缝等因素的影响,都会引起梁的刚度和各跨刚度之间的比值发生变化,从而其内力的分布规律将不断偏离按弹性匀质体计算的分布规律,这种现象称
内力重分布。在设计钢筋混凝土
连续梁时,恰当地考虑内力重分布十分重要。因为一方面只有考虑内力重分布才能正确地估计
连续梁在使用荷载下的工作性能:抗裂度、
挠度和裂缝开展宽度;另一方面,在按照结构的承载能力设计连续梁时,可根据内力重分布的特点,对连续梁的内力加以调整,如在相应增加跨中
弯矩的前提下,适当减少支座弯矩,可收到节约材料、简化配筋构造和便于施工的效果。