钢筋混凝土受拉构件常见的本构关系

钢筋混凝土受拉构件常见的本构关系
发布时间：2021-09-09T13:48:22.807Z 来源：《基层建设》2021年第17期作者：陈家川
[导读] 摘要：在实际工程中经常会遇到钢筋混凝土受拉构件，例如在风荷载或地震荷载作用下的高层建筑的低层角柱，工业厂房吊车荷载作用下的双肢柱的拉杆等。

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摘要：在实际工程中经常会遇到钢筋混凝土受拉构件，例如在风荷载或地震荷载作用下的高层建筑的低层角柱，工业厂房吊车荷载作用下的双肢柱的拉杆等。

由于混凝土受拉构件受力分析简单，构件破坏明显，确定构件的承载力并不困难，所以针对受拉构件的试验和理论研究并不多，但受拉部分是整个混凝土结构体系中不可或缺的部分。

本文列举了常见的几种本构关系，并进行了相关分析。

关键词：钢筋混凝土受拉；研究进展；本构关系；
1 引言
混凝土是一种抗压强度高而抗拉强度很低的材料，通常在结构中作为承压构件，其抗拉强度一般只达到抗压强度的1/18～1/8。

为了能够充分利用材料，一般在混凝土中加入抗拉能力很强的钢筋，并使两种材料有机结合成一个整体，由钢筋承受拉力，混凝土承受压力，能够大大提高构件的承载能力。

由于混凝土的抗拉能力不强，对于大多数的设计和分析来说都可以忽略不计。

但混凝土的抗拉强度对构件抵抗变形和裂缝的能力影响很大，是混凝土最基本的力学性能指标之一。

2 国内外钢筋混凝土受拉研究进展
钢筋混凝土起源于19世纪中期，距今己有150年的历史。

随着钢筋混凝土结构的应用和发展，钢筋混凝土计算理论也随之出现，并逐渐发展成熟。

直到20世纪初，钢筋混凝土结构的内力计算和截面设计都是依照弹性理论，采用容许应力计算方法，以材料强度除以一定安全系数的方法保证结构的可靠度；20世纪30年代以后，出现了考虑钢筋混凝土塑性性能的破坏阶段计算方法，但仍然采用单一的安全系数；20世纪50年代以后，出现了极限状态计算法，将单一的安全系数分为荷载系数、材料系数、工作条件系数，又称“三系数法”；20世纪70年代后，随着概率论、可靠度理论的应用，极限状态设计方法逐步得到完善，出现了概率极限状态计算法。

我国在19世纪末就出现了钢筋混凝土建筑，但直到解放后，才开始广泛应用，快速发展。

由于我国钢筋混凝土起步较晚，直到1966年才参照前苏联规范，颁布实施了采用极限状态计算法的《钢筋混凝土结构设计规范》BJG21-66；70年代，对工程实践和科学研究成果进行了总结，在此基础上，编制了《钢筋混凝土结构设计规范》TJ10-74，亦采用极限状态计算法；此后，随着大量科研工作的展开和对国外先进理论的学习，于1984年颁布了采用概率极限状态计算法为基础的《建筑结构统一标准》GBJ-84，提高我国的建筑结构设计规范的先进性和统一性。

在此之后，我国钢筋混凝土结构研究不断取得新的进展，在工程建设领域又出现了许多新技术和新材料。

同时，对房屋建筑结构可靠性、耐久性的要求也进一步提高。

为此，对原有的设计规范进行了修订，发布实施了《混凝土结构设计规范》GB50010-2010。

混凝土一向都被认为是一种脆性材料。

对于钢筋混凝土构件正截面承载力理论，早期的计算理论有Kolmen（1886）发表的极限荷载理论；Thullie（1987）和Ritter（1899）等提出钢筋混凝土梁弯曲强度理论，认为混凝土的应力分布是非线性的，并从承载能力角度对构件进行研究。

Koenen（1986）和Neumann（1890）以及Coignet和Tedesco（1894）等则假定混凝土在使用阶段为弹性体，采用弹性体的方法来计算。

20世纪60年代之前，对混凝土抗拉性能的研究还只限于抗拉极限强度和应力一应变曲线的上升段。

此后，随着试验技术的改进，实现了混凝土受拉应力应变全曲线的量测，更深入的揭示了混凝土受拉变形和破坏过程的特点。

3 本构关系建立方法及常见的本构关系
现有三种试验方法测定混凝土的抗拉强度，分别是轴心受拉试验、劈裂试验和抗折试验。

常见的本构关系有以下四种。

（1）混凝土单轴本构关系
破坏机理：混凝土初始缺陷（微裂缝、微空洞）处应力集中产生损伤，因损伤逐步积累而最终导致破坏。

我国2010版混凝土结构设计规范中采用的模型是单轴本构模型。

（2）混凝土随机损伤本构关系
混凝土是多相复合材料，具有微孔洞、微裂缝等初始缺陷。

在外力作用下，初始损伤逐渐发展，导致材料单元的应力-应变关系逐步地偏离线性关系，呈现非线性的基本特征。

（3）钢-聚丙烯混杂纤维混凝土抗拉性能本构关系
钢-聚丙烯混杂纤维混凝土[1]轴心受拉全过程划分为六个阶段。

①弹性受力段：此段应力-应变曲线接近直线，试件处于弹性受力阶段，应力-应变曲线成直线。

由于基体的弹性变形，此时基体中的混杂纤维处于轻微受拉状态，故该段混杂纤维混凝土的曲线斜率略高于素混凝土该段曲线斜率。

通常情况下，基体中掺入的纤维总体积掺量
越大，斜率越高。

②细观裂缝扩展段：试件的应力-应变曲线开始偏离线性，呈现出非线性特征。

此时，内部裂缝开始扩展成为细观裂缝，桥接裂缝两端的混杂纤维的阻断作用逐步得到显现与增强。

③宏观裂缝扩展段：表明已明显呈现出非线性特征，应力-应变曲线的斜率逐渐减小，直至斜率趋于零，到达峰值点。

④断裂发生段：过峰值点后，曲线进入下降段后，试件中裂缝不断发展、贯通，形成导致材料破坏的宏观裂缝。

⑤持续破坏段：过了曲线拐点，曲线开始凸向应变轴，随着应变的增长，应力-应变曲线趋于平缓。

⑥收敛段：收敛点后，应变快速增长，应力缓慢下降，曲线渐趋平缓，收敛段的强度也表征了试件的残余强度。

（4）钢纤维混凝土抗拉性能本构关系
采用参考文献：[2]中数据，如下图：
图1 纤维掺量对混凝土轴心受拉应力- 应变的影响
①素混凝土试件开裂后，应力即将为0，表现出脆性特征，曲线的下降段难以得到；
②钢纤维的体积率为0.5%时，应力到达最大值以后，突然裂开，但应力值没有降到0，下降段较陡，而后纤维逐渐被拔出；
③随着钢纤维体积率继续增加，应力-应变全曲线的下降逐渐平缓，试件开裂后仍能承受较大的拉力。

参考文献：
[1]梅国栋.钢-聚丙烯混杂纤维混凝土单轴受拉性能与本构关系研究[J].武汉：武汉大学，2014
[2]韩嵘，赵顺波等.钢纤维混凝土抗拉性能试验研究.土木工程学报.2006，39（11）。