[发明专利]一种确定使用弯矩下钢砼梁中性层与配筋率关系的方法

说明书

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土梁在使用弯矩下中性层位置与配筋率关系的确定方法。

背景技术

由于混凝土(简称砼)在凝固过程中粗骨料和水泥砂浆的收缩差，以及不均匀的温度、湿度场所产生的微观应力场作用，结构混凝土在承受荷载或者外力之前，内部就已经存在一些分散的微裂缝，在荷载或者外力作用下，这些微裂缝将逐渐增多和扩展，由微观裂缝逐渐发展为宏观裂缝，直到最终构件被破坏，因此，服役中的钢筋混凝土梁(简称钢砼梁)，通常都处于带裂缝工作状态。开裂将改变受弯钢筋混凝土梁中性层的位置、影响钢筋混凝土梁的宏观力学性能、削弱钢筋混凝土梁的抗弯刚度。通常，采用预制矩形截面钢筋混凝土单筋梁(即仅在梁的受拉区配置纵向钢筋的梁)，进行简支两点对称加载弯曲试验，研究开裂对钢筋混凝土梁力学性能的影响，如图1所示。对适筋梁(即配筋比例适当的梁)的弯曲试验而言，受拉区的混凝土应变首先达到其抗拉破坏应变值，即开裂应变ε_cr，对应的弯矩为开裂弯矩M_cr；继续加载，拉区的混凝土出现肉眼可见的裂缝，随着加载的进行，受拉钢筋应力达到屈服强度f_y，对应的弯矩为屈服弯矩M_y，而此时压区混凝土应变尚未达到抗压破坏应变ε_cu，因此又称适筋梁为钢筋低量；随着加载的继续进行，压区混凝土应变将达到抗压破坏应变ε_cu，对应的弯矩为破坏弯矩M_u。适筋梁之破坏通常为一种韧性破坏模式，即，破坏前钢筋应变大，故而梁破坏前有很大的变形，也称为拉力破坏。若将弯矩M与梁的挠度w的试验测试结果绘制成坐标图M(w)，适筋梁的M(w)图通常呈现出三折线形态的变化规律，并且，所施加的弯矩M达到破坏弯矩M_u后，弯矩M将随着挠度w的增加出现下降趋势，即M(w)图上存在一个最大弯矩值(即破坏弯矩M_u)，如图2所示。对适筋梁的设计而言，通常希望M_cr≈(0.2～0.3)M_u，M_y≈(0.9～0.95)M_u，这样弯矩增量ΔM＝M_y-M_cr能够尽量大些，而希望使用弯矩(即最大服务弯矩)为M_k≈(0.5～0.6)M_u。因此，我们可以通过研究使用弯矩下钢筋混凝土梁中性层位置与配筋率的关系，更好地把握钢筋混凝土结构(简称钢砼结构)的宏观力学性能，提高钢砼结构设计的合理性。

通常，钢筋混凝土结构的设计人员非常希望能够依据某个设计参数，直接确定出钢筋混凝土梁在使用弯矩下中性层的位置。然而，目前大多数试验研究工作都是基于经典的等模量弹性理论，在试验结果的基层上，定性或者定量地讨论开裂对使用弯矩下钢筋混凝土梁抗弯刚度的影响程度，而这些研究成果对指导钢筋混凝土结构的设计与分析非常不方便。众所周知，试验研究将消耗大量的费用投入。为达到提高试验研究经济效率的目的，能够使得一次性经济投入，获得永久性方便指导钢筋混凝土结构设计与分析的试验研究成果，这一领域迫切需要新的试验研究方法，以满足设计与分析工作的准确性和方便性需求。

发明内容