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摘要：通过对两根无粘结钢筋混凝土梁和一根普通钢筋混凝土梁进行试验研究。对比了无粘结钢筋混凝土梁和普通钢筋混凝土梁中的钢筋应变的变化情况，裂缝开裂情况以及挠度变化情况，从而分析了粘结对钢筋混凝土梁受弯性能的影响。试验结果表明，粘结对钢筋混凝土结构有影响。
关键词：钢筋混凝土无粘结梁；裂缝；挠度；应变
钢筋和混凝土是两种物理力学性能很不相同的材料，它们能有效地结合在一起共同工作的原因之一就是混凝土硬化后，钢筋和混凝土之间存在粘结力，使两者之间能传递力和变形，因此粘结力是使这两种不同性质的材料共同工作的基础。然而在这里我们提出一种设想：在钢筋混凝土梁中受拉钢筋和混凝土之间如果不存在粘结作用，其力学性能是否与普通钢筋混凝土梁相同？论文就针对这一问题进行了研究。
1钢筋混凝土梁试验
1.1试件设计
本次试验根据规范设计了三根适筋简支梁，其中L-1和L-2为无粘结梁，L-3为有粘结梁。试件参数完全相同，具体截面形式，跨度及配筋情况如下：
截面尺寸：150mm×300mm
长度：2900mm
混凝土强度等级：C30
受压钢筋：HPB2352Ф10
受拉钢筋：HRB3353Ф16
箍筋：HPB235Ф8@100
1.2试件制作
为了保证受拉钢筋与混凝土之间不存在粘结，L-1和L-2绑筋时在所有受拉钢筋跨中一米范围内套上塑料软管，并将两端与钢筋之间的缝隙用环氧树脂密封，之后再浇筑混凝土。这样既保证了足够的钢筋锚固也使纯弯段钢筋和混凝土之间没有粘结，满足了试验要求。
试验采用C30混凝土，在浇筑试件混凝土的同时，制作了立方体试块，与试件同条件养护并于试验前做强度测试，以此值作为试件的实际强度值，最后换算成抗压强度标准值，见表1。
试验用钢筋为普通热轧钢材，同样通过试验测定其性能。实测强度指标见表2。
1.3试验方法及量测方案
为了着重研究梁正截面受力和变形的变化规律，采用三分点加载，梁支座简支的加载装置，见图1。
在整个试验过程中，按荷载控制分级加载，开裂前每次荷载增加10KN，持荷3-5分钟；开裂后，破坏前每次荷载增加20KN，持荷3-5分钟；接近破坏每次荷载增加10KN，持荷3-5分钟。加载直到荷载下降至峰值点的85％以后。
根据试验目的，分别在梁跨中和三分点处设置百分表量测挠度的变化；梁上集中荷载通过荷载传感器量测；钢筋应变片在主筋的跨中位置，三分点处以及三分点处的箍筋上分别设置。
2.1试验现象
L-1当荷载加至极限荷载的20％左右时跨中混凝土开裂，并迅速延伸到一定高度，之后随荷载的增加裂缝长度发展缓慢，而宽度发展逐渐加快，直到加载至极限荷载的70％左右时，在靠近三分点的纯弯段内才相继出现两条细小的裂缝，并且发展缓慢。随着荷载的增大，跨中主裂缝宽度越来越大，上升到三分之二截面高度时裂缝分叉向水平方向发展，当荷载增加到极限荷载的90％左右时，混凝土表面出现斜裂缝。继续加载混凝土受压区逐渐压碎，构件进入破坏阶段。主裂缝宽度最终达到6mm。
L-2的破坏过程类似于L-1，只是主裂缝出现的位置不同，并且L-2在接近破坏时才出现斜裂缝。主裂缝宽度最终达到7mm。
L-3当荷载加至极限荷载的25％左右时靠近跨中的混凝土开裂，并快速延伸到一定高度，加载至极限荷载的30％～40％左右时，混凝土纯弯段其它部位也逐渐出现细小的裂缝，之后这些裂缝发展较缓慢，直到加载至极限荷载的60％左右时，逐渐形成两条主裂缝，随着荷载的增加，两条主裂缝在二分之一截面高度以下的宽度发展较快，并且在主裂缝周围出现附加裂缝。加载至极限荷载的85％左右时梁边受剪区混凝土分别出现斜裂缝，随着混凝土逐渐被压碎，试件进入破坏阶段。最终主裂缝宽度约为3mm，裂缝分布较均匀，平均裂缝间距180mm。图2为L-1、L-2、L-3裂缝分布图。
2.2荷载－挠度曲线
图3为L-1、L-2、L-3的荷载-跨中挠度曲线。由图可以看出：
（1）L-2在受力过程中经历了一次“突变”，这在图5和图6中都有反映：荷载增加到93.5KN时，挠度、钢筋应变均发生了突变，分析其原因可能是因为开始的时候混凝土与塑料软管之间有粘结，在这一瞬间粘接破坏，导致“突变的发生”。但是突变的真正原因还有待探讨。
（2）在达到屈服荷载后无粘结梁较早达到极限荷载并且没有强化阶段，而有粘结梁经过很长时间的强化才达到极限强度。这主要是因为无粘结梁裂缝集中，而且发展较快，使混凝土受压区高度较小，因此钢筋没来得及强化，混凝土就被压碎。
（3）不管是无粘结梁还是有粘结梁荷载下降段均较缓慢，表现出适筋梁较好的延性。
（4）开裂以前，无粘结梁和有粘结梁荷载挠度关系呈线性，并且刚度基本相同；开裂后荷载挠度关系逐渐呈现非线性，有粘结梁刚度大于无粘结梁。
2.3荷载－钢筋应变曲线
图4为L-1、L-2、L-3的荷载-钢筋应变曲线，其中既包括跨中钢筋应变，又包括箍筋应变。由图可以看出：
（1）无粘结梁和有粘结梁的荷载－钢筋应变在钢筋屈服以前均呈现线性关系，达到屈服荷载后钢筋表现出流塑的性能。
（2）相同荷载下无粘结梁跨中钢筋应变较有粘结梁中相应的钢筋应变大，无粘结梁中的钢筋先达到屈服。这主要是因为无粘结梁的受拉区应力完全由钢筋承担，而有粘结梁受拉区裂缝间的混凝土承担一定的拉应力。
（3）达到屈服荷载后，有粘结梁中的受拉钢筋应变迅速增长，超过无粘结梁中的钢筋应变。
2.4承载力
试件材料性能已实测得出，不管是无粘结梁
还是有粘结梁都按普通钢筋混凝土梁的计算理论计算其极限承载力。因为钢筋混凝土梁和荷载分配梁的自重与外加荷载相比很小，因此计算时可忽略不计。
试验表明，试件破坏时L-1、L-2、L-3受拉钢筋均已进入屈服阶段，而且L-3受拉钢筋已达到强化阶段。各梁破坏均发生在跨中或荷载作用面，实测各梁的极限荷载如表3所示，表3还给出了理论计算值和实测值的比值。
由此可知，计算值与实测值非常接近，表明钢筋混凝土梁的计算理论已相当成熟；无粘结梁承载力较有粘结梁降低7.6％，这主要是因为粘结有助于梁中钢筋强度的充分发挥，使得试验过程中有粘结梁的受拉钢筋进入了强化阶段。
3结论
通过对无粘结钢筋混凝土梁和有粘结钢筋混凝土梁对比试验的研究得出以下结论：
1、无粘结梁受力裂缝稀少，间距较大，主裂缝发展较快；而有粘结梁受力裂缝较多，间距较均匀，主裂缝发展不是很快；
2、无粘结梁比有粘结梁变形大，刚度小，承载力低。建议如果按现行规范计算，无粘结钢筋混凝土梁的正截面抗弯承载力宜乘以0.9的降低系数；
3、无粘结梁中的钢筋应变发展较快，钢筋较先屈服，不能充分发挥其强度；
4、对于跨中三分之一范圍内无粘结的钢筋混凝土适筋梁同样具有较好的延性。
参考文献：
[1] 牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测.科学出版社，2003，2.
[2] 王传志，腾智明.钢筋混凝土结构理论.北京：中国建筑工业出版社，1985，54-55.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：钢筋混凝土无粘结梁；裂缝；挠度；应变
钢筋和混凝土是两种物理力学性能很不相同的材料，它们能有效地结合在一起共同工作的原因之一就是混凝土硬化后，钢筋和混凝土之间存在粘结力，使两者之间能传递力和变形，因此粘结力是使这两种不同性质的材料共同工作的基础。然而在这里我们提出一种设想：在钢筋混凝土梁中受拉钢筋和混凝土之间如果不存在粘结作用，其力学性能是否与普通钢筋混凝土梁相同？论文就针对这一问题进行了研究。
1钢筋混凝土梁试验
1.1试件设计
本次试验根据规范设计了三根适筋简支梁，其中L-1和L-2为无粘结梁，L-3为有粘结梁。试件参数完全相同，具体截面形式，跨度及配筋情况如下：
截面尺寸：150mm×300mm
长度：2900mm
混凝土强度等级：C30
受压钢筋：HPB2352Ф10
受拉钢筋：HRB3353Ф16
箍筋：HPB235Ф8@100
1.2试件制作
为了保证受拉钢筋与混凝土之间不存在粘结，L-1和L-2绑筋时在所有受拉钢筋跨中一米范围内套上塑料软管，并将两端与钢筋之间的缝隙用环氧树脂密封，之后再浇筑混凝土。这样既保证了足够的钢筋锚固也使纯弯段钢筋和混凝土之间没有粘结，满足了试验要求。
试验采用C30混凝土，在浇筑试件混凝土的同时，制作了立方体试块，与试件同条件养护并于试验前做强度测试，以此值作为试件的实际强度值，最后换算成抗压强度标准值，见表1。
试验用钢筋为普通热轧钢材，同样通过试验测定其性能。实测强度指标见表2。
1.3试验方法及量测方案
为了着重研究梁正截面受力和变形的变化规律，采用三分点加载，梁支座简支的加载装置，见图1。
在整个试验过程中，按荷载控制分级加载，开裂前每次荷载增加10KN，持荷3-5分钟；开裂后，破坏前每次荷载增加20KN，持荷3-5分钟；接近破坏每次荷载增加10KN，持荷3-5分钟。加载直到荷载下降至峰值点的85％以后。
根据试验目的，分别在梁跨中和三分点处设置百分表量测挠度的变化；梁上集中荷载通过荷载传感器量测；钢筋应变片在主筋的跨中位置，三分点处以及三分点处的箍筋上分别设置。
2.1试验现象
L-1当荷载加至极限荷载的20％左右时跨中混凝土开裂，并迅速延伸到一定高度，之后随荷载的增加裂缝长度发展缓慢，而宽度发展逐渐加快，直到加载至极限荷载的70％左右时，在靠近三分点的纯弯段内才相继出现两条细小的裂缝，并且发展缓慢。随着荷载的增大，跨中主裂缝宽度越来越大，上升到三分之二截面高度时裂缝分叉向水平方向发展，当荷载增加到极限荷载的90％左右时，混凝土表面出现斜裂缝。继续加载混凝土受压区逐渐压碎，构件进入破坏阶段。主裂缝宽度最终达到6mm。
L-2的破坏过程类似于L-1，只是主裂缝出现的位置不同，并且L-2在接近破坏时才出现斜裂缝。主裂缝宽度最终达到7mm。
L-3当荷载加至极限荷载的25％左右时靠近跨中的混凝土开裂，并快速延伸到一定高度，加载至极限荷载的30％～40％左右时，混凝土纯弯段其它部位也逐渐出现细小的裂缝，之后这些裂缝发展较缓慢，直到加载至极限荷载的60％左右时，逐渐形成两条主裂缝，随着荷载的增加，两条主裂缝在二分之一截面高度以下的宽度发展较快，并且在主裂缝周围出现附加裂缝。加载至极限荷载的85％左右时梁边受剪区混凝土分别出现斜裂缝，随着混凝土逐渐被压碎，试件进入破坏阶段。最终主裂缝宽度约为3mm，裂缝分布较均匀，平均裂缝间距180mm。图2为L-1、L-2、L-3裂缝分布图。
2.2荷载－挠度曲线
图3为L-1、L-2、L-3的荷载-跨中挠度曲线。由图可以看出：
（1）L-2在受力过程中经历了一次“突变”，这在图5和图6中都有反映：荷载增加到93.5KN时，挠度、钢筋应变均发生了突变，分析其原因可能是因为开始的时候混凝土与塑料软管之间有粘结，在这一瞬间粘接破坏，导致“突变的发生”。但是突变的真正原因还有待探讨。
（2）在达到屈服荷载后无粘结梁较早达到极限荷载并且没有强化阶段，而有粘结梁经过很长时间的强化才达到极限强度。这主要是因为无粘结梁裂缝集中，而且发展较快，使混凝土受压区高度较小，因此钢筋没来得及强化，混凝土就被压碎。
（3）不管是无粘结梁还是有粘结梁荷载下降段均较缓慢，表现出适筋梁较好的延性。
（4）开裂以前，无粘结梁和有粘结梁荷载挠度关系呈线性，并且刚度基本相同；开裂后荷载挠度关系逐渐呈现非线性，有粘结梁刚度大于无粘结梁。
2.3荷载－钢筋应变曲线
图4为L-1、L-2、L-3的荷载-钢筋应变曲线，其中既包括跨中钢筋应变，又包括箍筋应变。由图可以看出：
（1）无粘结梁和有粘结梁的荷载－钢筋应变在钢筋屈服以前均呈现线性关系，达到屈服荷载后钢筋表现出流塑的性能。
（2）相同荷载下无粘结梁跨中钢筋应变较有粘结梁中相应的钢筋应变大，无粘结梁中的钢筋先达到屈服。这主要是因为无粘结梁的受拉区应力完全由钢筋承担，而有粘结梁受拉区裂缝间的混凝土承担一定的拉应力。
（3）达到屈服荷载后，有粘结梁中的受拉钢筋应变迅速增长，超过无粘结梁中的钢筋应变。
2.4承载力
试件材料性能已实测得出，不管是无粘结梁
还是有粘结梁都按普通钢筋混凝土梁的计算理论计算其极限承载力。因为钢筋混凝土梁和荷载分配梁的自重与外加荷载相比很小，因此计算时可忽略不计。
试验表明，试件破坏时L-1、L-2、L-3受拉钢筋均已进入屈服阶段，而且L-3受拉钢筋已达到强化阶段。各梁破坏均发生在跨中或荷载作用面，实测各梁的极限荷载如表3所示，表3还给出了理论计算值和实测值的比值。
由此可知，计算值与实测值非常接近，表明钢筋混凝土梁的计算理论已相当成熟；无粘结梁承载力较有粘结梁降低7.6％，这主要是因为粘结有助于梁中钢筋强度的充分发挥，使得试验过程中有粘结梁的受拉钢筋进入了强化阶段。
3结论
通过对无粘结钢筋混凝土梁和有粘结钢筋混凝土梁对比试验的研究得出以下结论：
1、无粘结梁受力裂缝稀少，间距较大，主裂缝发展较快；而有粘结梁受力裂缝较多，间距较均匀，主裂缝发展不是很快；
2、无粘结梁比有粘结梁变形大，刚度小，承载力低。建议如果按现行规范计算，无粘结钢筋混凝土梁的正截面抗弯承载力宜乘以0.9的降低系数；
3、无粘结梁中的钢筋应变发展较快，钢筋较先屈服，不能充分发挥其强度；
4、对于跨中三分之一范圍内无粘结的钢筋混凝土适筋梁同样具有较好的延性。
参考文献：
[1] 牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测.科学出版社，2003，2.
[2] 王传志，腾智明.钢筋混凝土结构理论.北京：中国建筑工业出版社，1985，54-55.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。