混凝土结构中的适筋截面与破坏过程

根据在工程实践和科学研究中对钢筋混凝土梁的观察和试验，对于配筋率适当的钢筋混凝土梁跨中正截面（单筋截面），从施加荷载到破坏的全过程可分为三个阶段：

1）第Ⅰ阶段（整体工作阶段）

当弯矩很小时，在截面中和轴以上的混凝土处于受压状态，在中和轴以下的混凝土处于受拉状态。同时，配置在受拉区的纵向受拉钢筋也负担一部分拉力。这时，混凝土的压应力和拉应力都很小，混凝土的工作性能接近于匀质弹性体，应力分布图形接近于三角形（图4-5a）。

当弯矩增大时，混凝土的应力（拉应力和压应力）和钢筋的拉应力都有不同程度的增大。由于混凝土抗拉强度远较抗压强度低，混凝土受拉区表现出明显的塑性特征，应变增大的速度比应力快，拉应力图形呈曲线分布，并将随荷载的增加而渐趋均匀。这阶段即为第Ⅰ工作阶段。在这阶段中，受拉区混凝土尚未开裂，整个截面都参加工作，一般又称为整体工作阶段。当达到这个阶段的极限时（图4-5b），受拉区应力图形大部分呈均匀分布，拉应力达到混凝土抗拉强度（上角码o表示实际值，下同），受拉边缘纤维应变达到混凝土受弯时的极限拉应变εtu，截面处在将裂未裂的极限状态。由于混凝土的抗压强度很高，这时的受压区最大应力与其抗压强度相比是不大的，受压塑性变形发展不明显，故受压区混凝土应力图形仍接近三角形。这种应力状态称为抗裂极限状态，一般用Ⅰa 表示。这时，截面所承担的弯矩称为抗裂弯矩（Mcr），抗裂计算即以此为依据。

图4-5 钢筋混凝土梁的受力全过程

2）第Ⅱ阶段（带裂缝工作阶段）

当弯矩继续增加时，受拉区混凝土拉应变超过其极限拉应变εtu，因而产生裂缝，截面进入第Ⅱ工作阶段，即带裂缝工作阶段。由整体工作阶段到带裂缝工作阶段的转化是比较突然的，截面的受力特点将产生明显变化。裂缝出现后，在裂缝截面处，受拉区混凝土大部分退出工作，拉力几乎全部由受拉钢筋承担；在裂缝出现的瞬间，钢筋应力将突然增大很多。因而，裂缝一出现就立即开展至一定的宽度，并延伸到一定的高度，中和轴位置也将随之上移。随着弯矩的增加，裂缝不断开展。由于受压区应变不断增大，受压区混凝土塑性特征将表现得越来越明显，应力图形呈曲线分布（图4-5c）。第Ⅱ工作阶段的应力状态代表了受弯构件在使用时的应力状态，使用阶段变形和裂缝宽度的计算即以此应力状态为依据。(www.xing528.com)

当钢筋应力达到屈服强度时，它标志着截面即将进入破坏阶段，这即为第Ⅱ阶段的结束，以Ⅱa 表示，这也是第Ⅲ阶段的起点（图4-5d），这时截面所能承担的弯矩称为屈服弯矩（My）。

3）第Ⅲ阶段（破坏阶段）

当弯矩再增加时，由于受拉钢筋已屈服，截面进入第Ⅲ工作阶段，即破坏阶段。这时受拉钢筋应力将仍停留在屈服点而不再增大，但应变则迅速增大，这就促使裂缝急剧开展，并向上延伸，中和轴继续上移，混凝土受压区高度迅速减小。为了平衡钢筋的总拉力，混凝土受压区的总压力将保持不变，其压应力迅速增大，受压区混凝土的塑性特征将表现得更充分，压应力图形呈显著的曲线分布（图4-5e）。当弯矩再增加，直至混凝土受压区的压应力峰值达到其抗压强度，且边缘纤维混凝土压应变达到其极限压应变εcu时，受压区将出现一些纵向裂缝，混凝土被压碎甚至崩脱，截面即告破坏，亦即截面达到第Ⅲ工作阶段极限，以Ⅲa 表示（图4-5f）。这时截面所承担的弯矩即为破坏弯矩（Mu），按极限状态设计方法的受弯承载力计算即以此应力状态为依据。

综上所述，对于适筋截面，其破坏是始于受拉钢筋屈服。在受拉钢筋应力刚达到屈服强度时，混凝土受压区应力峰值及边缘纤维的压应变并未达到其极限值，因而，混凝土并未立即被压碎，还需施加一定的弯矩（即弯矩将由My 增大到Mu）。在这阶段，由于钢筋屈服而产生很大的塑性伸长，随之引起裂缝急剧开展和梁的挠度急剧增大，这就给人以明显的破坏预兆。一般称这种破坏为延性破坏（图4-6a）。

图4-6 钢筋混凝土梁的三种破坏形态