预制混凝土构件的承载力与变形分析

建筑各类构件在荷载作用下，截面内力可划分为轴力、剪力、弯矩、扭矩及其各种组合。构件受力分析时，通常将其简化为一维受力状态。本章将介绍构件在正常工作状态下，承受以上基本内力及其组合作用时的承载力、破坏形态及主要影响因素，以及相应的分析原理与方法。具体构件承载力计算、构造设计要求请参考《混凝土结构设计规范》及相应教材。

1.受弯构件

（1）概述

图1.11　梁、板等典型受弯构件

受弯构件是指承受横向荷载和弯矩的构件。如果构件中的弯矩不均匀分布，那么受弯构件还承受剪力。受弯构件有实腹式和格构式两种形式，实腹式为梁、板构件，格构式为桁架构件。梁、板是最为常见的受弯构件（图1.11）。梁的截面有矩形、T形、I字形等，板的截面有矩形、槽形、空心形等。

如果只在一个主平面内受弯，称为单向受弯构件；如果在两个主平面内同时受弯，称为双向受弯构件。

受弯构件的破坏有受弯破坏和受剪破坏两种形态，此外，受弯构件还要保证构件整体的稳定性以及翼缘、腹板等构件的局部稳定性。

（2）破坏形式

受弯构件的破坏形式主要有：强度破坏，包括材料或截面屈服；整体失稳（弯扭失稳）；局部失稳（翼缘、腹板）；疲劳断裂破坏；变形过大等。本章主要介绍受弯构件在弯矩作用下发生的正截面受弯破坏，以及在弯矩和剪力共同作用下发生的斜截面受剪或受弯破坏。如图1.12所示。

图1.12　受弯构件破坏形式

受弯构件正截面破坏形态根据纵向受拉钢筋配筋率的不同，分为适筋梁破坏、超筋梁破坏和少筋梁破坏三种形态（图1.13）。

图1.13　受弯构件正截面破坏形态

适筋梁破坏是指在纵向受拉钢筋的配筋率适当时发生的破坏，首先纵向受拉钢筋达到屈服，然后受压区的混凝土被压碎。适筋梁破坏属于塑性破坏，即钢筋要经历较大的塑性变形，伴随着裂缝的开展和挠度的增加，破坏有明显征兆。适筋梁破坏是受弯构件正截面设计的依据。超筋梁破坏是由纵向受拉钢筋配筋率过大引起，受压区混凝土首先压碎而此时受拉钢筋并没有屈服。少筋梁破坏是在受拉区钢筋达到抗拉强度后，由于配置较少而立即屈服，迅速进入强化阶段并被拉断。超筋梁和少筋梁破坏都属于脆性破坏，承载力低，没有明显预兆，设计时应避免。

受弯构件在弯矩和剪力共同作用的区段，常常出现斜裂缝并有可能沿着斜截面破坏。斜截面的破坏往往带有脆性破坏性质，没有明显预兆。斜截面的受剪承载力一般通过计算进行保证，而斜截面受弯承载力通常通过构造设计来满足。

图1.14　梁内钢筋

为了防止构件出现斜截面受剪破坏，应使构件具有合适的截面尺寸及混凝土强度等级，并配置必要的箍筋。当构件上作用的剪力较大时，还可设置斜钢筋。斜钢筋一般由梁内部分纵向钢筋弯起而成，称为弯起钢筋；箍筋和弯起钢筋统称为腹筋。如图1.14所示。

图1.15　斜裂缝

斜截面裂缝出现在受弯构件弯剪段。当主拉应力超过混凝土在拉压复合受力时的抗拉强度时，将出现斜裂缝。无腹筋简支梁斜裂缝主要有弯剪斜裂缝和腹剪斜裂缝两种形态：①弯剪斜裂缝出现在一般梁中，裂缝首先出现在梁底，随着荷载的增大而向上发展，随主拉应力方向的改变而发生倾斜，向集中荷载作用点延伸，形成上细下宽的弯剪斜裂缝。②腹剪斜裂缝一般出现在薄腹梁中，于中和轴位置首先出现45°倾角斜裂缝，随着荷载的增大，裂缝沿主压应力方向分别向支座与集中荷载作用点延伸，呈现中间大两端尖的形状。如图1.15所示。

2.受压构件

（1）概述

受压构件是承受轴向压力为主的构件，例如建筑的柱子、桁架结构的受压腹杆、剪力墙等。

受压构件可分为轴心受压、单向偏心受压、双向偏心受压等形式。轴心受压是指轴向力作用线通过构件截面的几何中心。偏心受压是指轴向力作用线不通过截面的几何中心。不通过一个主轴时，为单向偏心受压；不通过两个主轴时，为双向偏心受压。如图1.16所示。

图1.16　受压构件

轴心受压构件只受轴力作用，偏心受压构件则受到弯矩与轴力的共同作用。

受压构件一般采用方形、矩形、圆形或多边形；偏心受压构件常采用矩形，较大的预制柱采用I形。钢筋混凝土柱按照箍筋的作用与配置，可分为配置有纵向钢筋和普通箍筋的普通箍筋柱，以及配置有纵向钢筋和螺旋式或焊接环式箍筋的螺旋箍筋柱。如图1.17所示。

（2）破坏形式

①轴心受压普通箍筋柱。对于长细比较小的短柱而言，在荷载作用下，钢筋和混凝土共同受力，随着荷载的增大，构件的压缩变形增长速度大于荷载的增长速度，柱中开始出现竖向裂缝，纵筋先屈服，箍筋之间的纵筋向外凸出，混凝土保护层剥落，芯部混凝土达到极限压应变，柱压缩破坏。对于长细比较大的长柱而言，在荷载作用下，由初始偏心距产生附加弯矩和相应的侧向挠度，而侧向挠度进一步增大了荷载的偏心距，随着荷载的继续增大，柱侧挠曲，首先在凹侧出现纵向裂缝，混凝土压坏，凸侧出现横向裂纹，侧向挠度急剧增大，柱子破坏，或失稳破坏。如图1.18所示。

②轴心受压螺旋箍筋柱。当柱轴力过大而构件截面受限、普通箍筋柱承载力不足时，可采用螺旋式箍筋提高承载力。柱在轴力作用下产生横向变形，螺旋式箍筋对混凝土的横向变形有约束作用，使柱芯部混凝土处于三向受压状态，在提高变形能力的同时，也提高了混凝土的强度。螺旋式或焊接环式箍筋承受混凝土环向压力引起的拉应力。

图1.17　箍筋

图1.18　轴心受压破坏示意图

图1.19　大偏心受压示意图(www.xing528.com)

③偏心受压构件正截面破坏。偏心受压构件的破坏形态与偏心距e0和纵向钢筋配筋率有关，分为大偏心受压和小偏心受压两种情况。

大偏心受压（图1.19），其破坏条件为轴力偏心距较大，或弯矩大轴力小，且受拉钢筋配置适量。此时受压产生的弯矩较大，构件为受弯破坏。大偏压破坏的破坏特征类似于适筋梁，受拉钢筋、受压钢筋相继屈服，受压区混凝土压碎而导致构件破坏。承载力主要取决于受拉侧钢筋。这种破坏形态在破坏前有明显的预兆，属于塑性破坏。

图1.20　小偏心受压示意图

小偏心受压（图1.20），其破坏条件为轴力偏心距较小或受拉钢筋布置太多，构件为受压破坏。小偏压破坏是由受压区混凝土的压碎所引起的。破坏时，压应力较大一侧的受压钢筋的压应力一般都能达到屈服强度，而另一侧的钢筋不论受拉还是受压，其应力一般都达不到屈服强度。构件在破坏之前，变形不会急剧增长，但受压区垂直裂缝不断发展。承载力主要取决于受压区混凝土的受压侧钢筋，小偏心受压破坏时没有明显预兆，属于脆性破坏。

3.弯剪构件

（1）概述

剪力作为构件主要内力，总是与弯矩一起共存于构件中。一般的构件截面设计，是在依据受弯承载力配筋后，再进行抗剪承载力验算，或配置横向钢筋。对剪力墙、薄腹梁、跨高比较小的梁等，剪力则可能为主要设计因素。

剪跨比是影响抗剪破坏形态和抗剪承载力的重要参数，定义为简支梁上集中荷载作用点到支座边缘的最小距离a（a称为剪跨）与截面有效高度h0之比，以λ=a/h0表示。

（2）破坏形式

弯剪构件有三种破坏形式，分别为斜拉破坏、剪压破坏和斜压破坏。如图1.21所示。

图1.21　弯剪构件的破坏形式

斜拉破坏类似于正截面少筋破坏，在配置箍筋较少或λ＞3时发生，破坏强度取决于混凝土的抗拉强度。剪压破坏类似于正截面适筋破坏，在箍筋适量或1＜λ≤3时发生。剪压破坏的特征为：在弯剪区首先出现一系列弯曲垂直裂缝，然后逐渐形成一条主要的较宽裂缝，即临界斜裂缝。破坏时与斜裂缝相交的腹筋屈服，剪压区混凝土面积减小，破坏时构件挠度不大。斜压破坏类似于正截面超筋破坏，在箍筋超配或λ＜1时发生。斜压破坏的特征为：斜裂缝首先出现在梁腹部，混凝土被分割成若干斜柱面被压坏，腹筋未屈服，混凝土所受压应力超过抗压强度而破坏。

以上三种破坏形式均属于脆性破坏，设计时必须避免。斜压破坏采用截面尺寸限制条件来避免，斜拉破坏采用最小配箍率来控制，剪压破坏通过计算加腹筋以避免。

（3）弯剪承载力的影响因素

弯剪承载力受诸多因素影响，其中最重要的是剪跨比、混凝土强度和纵筋率。

①剪跨比

梁的剪跨比反映了梁端弯剪破坏区的应力状态与比例。当剪跨比由小增大时，梁的破坏形态从混凝土抗压强度控制的斜压破坏转为顶部受压区和斜裂缝骨料咬合控制的剪压型破坏，弯剪承载力迅速下降；剪跨比进一步增大时，破坏形态转为混凝土抗拉强度控制的斜拉破坏，极限剪力变化很小。

②混凝土强度

梁的弯剪破坏最终由混凝土材料的破坏控制，所以弯剪承载力随混凝土强度的提高而增加。梁的斜压破坏（λ＜1）取决于混凝土的抗压强度；梁的斜拉破坏（λ＞3）取决于混凝土的抗拉强度；梁的剪压破坏（λ=1～3）取决于顶部的抗压强度与腹部的骨料咬合作用，弯剪承载力受混凝土强度影响的提高介于弯剪破坏与斜拉破坏之间。

③纵向配筋率

纵向钢筋除了直接承受横向力，还能增大斜裂缝顶部混凝土剪压区高度，从而间接提高梁的弯剪承载力。

4.受扭构件

（1）概述

如果构件的截面对称、荷载和支座反力都处于对称平面，则截面内力可有轴力、弯矩和剪力；如果构件的荷载和支座反力不在同一平面内，则截面还将产生扭矩，构件内将形成三维应力状态。扭转是结构构件的一种基本形式，工程中纯粹受扭构件较为少见，一般构件处于弯矩、剪力、扭转等共同作用下的复合受力状态，其中弯剪扭受力状态最为常见。

扭转一般有两种受扭形态：一种是外荷载直接作用产生扭转，称之为平衡扭转，可由平衡条件直接计算得到扭矩；一种是超静定结构中变形协调使截面产生扭转，称之为协调扭转，扭矩大小与受扭构件的刚度有关。如图1.22所示。

图1.22　扭转

（2）无筋受扭构件破坏形式

无筋矩形截面混凝土构件在扭矩作用下，首先在截面长边中点附近最薄弱处产生一条45°方向的斜裂缝，然后迅速以螺旋形向两个面延伸，最后形成一个三面开裂、一面受压的空间扭曲破坏面，破坏发生突然，具有脆性破坏的性质。如图1.23所示。

图1.23　无筋矩形构件纯扭转破坏示意图

图1.24　矩形受扭构件配筋形式

（3）受扭构件配筋形式及配筋破坏形式

受扭构件目前采用箍筋与纵筋形成的空间配筋方式来承受主拉应力。如图1.24所示。

配筋后的混凝土构件受扭破坏过程为：①受力符合弹性扭转理论，构件不开裂，钢筋应力很低。②截面长边中点出现最大剪应力。③构件在最大剪应力处开裂，部分混凝土退出工作，钢筋应力显著增大。④构件扭转刚度显著降低，混凝土受压，受扭纵筋与箍筋受压。⑤裂缝呈螺旋状，发展为临界裂缝。⑥与临界裂缝相交的箍筋和纵筋屈服，另一长边的混凝土受压破坏，构件达到极限扭矩。

当受扭箍筋和纵筋配置过少时，构件的受扭承载力与素混凝土无差别，破坏过程迅速而突然，类似于受弯构件的少筋破坏，称为少筋受扭构件。如果箍筋和纵筋配置过多，则构件在箍筋与纵筋未达到屈服强度时，构件由于斜裂缝间混凝土被压碎而破坏，类似于受弯构件的超筋破坏，称为完全超筋受扭构件。