3.2 受弯构件正截面的试验研究
3.2.1 梁的试验和应力-应变阶段
钢筋混凝土构件的计算理论是建立在大量试验的基础之上的。因此，在计算钢筋混凝土受弯构件以前，应该对它从开始受力直到破坏为止整个受力过程中的应力应变变化规律有充分的了解。
为了着重研究正截面的应力和应变规律，钢筋混凝土梁受弯试验常采用两点对称加载，使梁的中间区段处于纯弯曲状态，试验梁的布置如图3-9所示。试验时按预计的破坏荷载分级加载。采用仪表量测“纯弯段”内沿梁高两侧布置的测点的应变（梁的纵向变形），利用安装在跨中和两端的千分表测定梁的跨中挠度，并用读数放大镜观察裂缝的出现与开展。
图3-9 试验梁
图3-10 梁的截面应变实测结果
由试验可知，在受拉区混凝土开裂之前，截面在变形后仍保持为平面。在裂缝发生之后，对裂缝截面来说，截面不再保持为绝对平面。但只要测量应变的仪表有一定的标距，所测得的应变实际上为标距范围内的平均应变值（图3-10），则沿截面高度测得的各纤维层的平均应变值从开始加载到接近破坏，基本上是按直线分布的，即可以认为始终符合平截面假定。由试验还可以看出，随着荷载的增加，受拉区裂缝向上延伸，中和轴不断上移，受压区高度逐渐减小。
图3-10中M代表荷载产生的弯矩值，Mu代表截面破坏时所承受的实测极限弯矩，εc代表受压边缘混凝土的压缩应变，εs代表受拉钢筋的拉伸应变。
实验表明，钢筋混凝土梁从加载到破坏，正截面上的应力和应变不断变化，整个过程可以分为三个阶段（图3-11）。
1.第Ⅰ阶段——未裂阶段
荷载很小时，梁的截面在弯曲后仍保持为平面。截面上混凝土应力σc与钢筋应力σs都不大，变形基本上是弹性的，应力与应变之间保持线性关系，混凝土受拉及受压区的应力分布均为线性，见图3-11（a），图中As为受拉钢筋截面面积。
图3-11 梁的应力-应变阶段
当荷载逐渐增加到这个阶段的末尾时，混凝土受拉应力大部分达到混凝土抗拉强度ft[2]。此时受拉区混凝土呈现出很大的塑性变形，拉应力图形表现为曲线状，若荷载再稍有增加，受拉区混凝土就将发生裂缝。但在受压区，由于压应力还远小于混凝土抗压强度，混凝土的力学性质基本上还处于弹性范围，应力图形仍接近三角形。这一受力状态称为Ⅰa阶段［图3-11（b）］，是计算受弯构件抗裂时所采用的应力阶段。
在未裂阶段中，拉力是由受拉混凝土与受拉钢筋共同负担的，两者应变相同，所以钢筋应力很低，一般只达到20～30N/mm2。
2.第Ⅱ阶段——裂缝阶段
当荷载继续增加，混凝土受拉边缘的应变超过受拉极限变形，受拉区混凝土就出现裂缝，进入第Ⅱ阶段，即“裂缝阶段”。裂缝一旦出现，裂缝截面的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，受拉钢筋的应力和第Ⅰ阶段相比有突然的增大。
随着荷载增加，裂缝扩大并向上延伸，中和轴也向上移动，受拉钢筋的应力和受压区混凝土的压应变不断增大。这时受压区混凝土也有一定的塑性变形发展，压应力图形呈平缓的曲线形［图3-11（c）］。
第Ⅱ阶段相当于一般不要求抗裂的构件在正常使用时的情况，是计算受弯构件正常使用阶段的变形和裂缝宽度时所依据的应力阶段。
3.第Ⅲ阶段——破坏阶段
随着荷载继续增加，钢筋拉应力不断增大，最终达到屈服强度fy［图3-11（d）］，即认为梁已进入“破坏阶段”。此时钢筋应力不增加而应变迅速增大，促使裂缝急剧开展并向上延伸。随着中和轴的上移，迫使混凝土受压区面积减小，混凝土的压应力增大，受压混凝土的塑性特征也明显发展，压应力图形呈现曲线形。
在边缘纤维受压应变达到极限压应变εcu时，受压混凝土发生纵向水平裂缝而被压碎，梁就随之破坏。这一受力状态称为Ⅲa阶段［图3-11（e）］，是计算受弯构件正截面承载力时所依据的应力阶段。
应当指出，上述应力阶段是对钢筋用量适中的梁来说的，对于钢筋用量过多或过少的梁则并不如此。
3.2.2 正截面的破坏特征
钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算，是以构件截面破坏阶段的应力状态为依据的。为了正确进行承载力计算，有必要对截面在破坏时的破坏特征加以研究。
试验指出，对于截面尺寸和混凝土强度等级相同的受弯构件，其正截面的破坏特征主要与钢筋数量有关，可分下列三种情况。
1.第1种破坏情况——适筋破坏
配筋量适中的截面，在开始破坏时，裂缝截面受拉钢筋的应力首先达到屈服强度，发生很大的塑性变形，有一根或几根裂缝迅速开展并向上延伸，受压区面积大大减小，迫使混凝土边缘应变达到极限压应变εcu，混凝土被压碎，构件即告破坏［图3-12（a）］，这种配筋情况称为“适筋”。适筋梁在破坏前，构件有显著的裂缝开展和挠度，即有明显的破坏预兆。在破坏过程中，虽然最终破坏时构件所能承受的荷载仅稍大于钢筋刚达到屈服时承受的荷载，但挠度的增长却相当的大（参见图3-13）。这意味着构件在截面承载力无显著变化的情况下，具有较大的变形能力，也就是构件的延性较好，属于延性破坏。
图3-12 梁的正截面破坏情况
2.第2种情况——超筋破坏
若钢筋用量过多，加载后受拉钢筋应力尚未达到屈服强度前，受压混凝土却已先达到极限压应变而被压坏，致使整个构件也突然破坏［图3-12（b）］，这种配筋情况称为“超筋”。由于承载力控制于混凝土受压区，所以虽然配置了很多受拉钢筋，也不能增加截面承载力，钢筋未能发挥其应有的作用。超筋梁在破坏时裂缝根数较多，裂缝宽度比较细，挠度也比较小。但超筋构件由于混凝土压坏前无明显预兆，破坏突然发生，属于脆性破坏，对结构的安全很不利，因此，在设计中必须加以避免。
3.第3种破坏情况——少筋破坏
若配筋量过少，受拉区混凝土一旦出现裂缝，裂缝截面受拉钢筋的应力很快达到屈服强度，并可能经过流幅段而进入强化阶段，这种配筋情况称为“少筋”。少筋梁在破坏时往往只出现一条裂缝，但裂缝开展很宽，挠度也很大［图3-12（c）］。虽然受压混凝土还未压碎，但对于一般的板、梁，实用上认为已不能使用。因此，可以认为它的开裂弯矩就是它的破坏弯矩。少筋构件的破坏基本上属于脆性破坏，在设计中也应避免采用。
图3-13为适筋、超筋及少筋构件的弯矩-挠度（M-f）关系曲线。由图可见，对于适筋构件，在裂缝出现前（第Ⅰ阶段）和裂缝出现后（第Ⅱ阶段），挠度随荷载的增加大致按线性变化增长。但在裂缝出现后，由于截面受拉混凝土退出工作，截面刚度显著降低，因此挠度的增长远较裂缝出现前为大。在第Ⅰ阶段与第Ⅱ阶段过渡处，挠度曲线有一转折。当受拉钢筋达到屈服（进入第Ⅲ阶段）时，挠度增加更为剧烈，曲线出现第二个转折点。以后在弯矩变动不大的情况下，挠度持续增加，表现出良好的延性性质。
图3-13 三种配筋构件的弯矩-挠度曲线
1—超筋构件；2—适筋构件；3—少筋构件
对于超筋构件，由于直到破坏时钢筋应力还未达到屈服强度，因此挠度曲线没有第二个转折点，呈现出突然的脆性破坏性质，延性极差。
对于少筋构件，在达到开裂弯矩后，由钢筋承担拉力，但此时截面能承受的弯矩还不及开裂前由混凝土承担的弯矩大，因而曲线有一下降段，此后挠度急剧增加。
综上所述，当受弯构件的截面尺寸、混凝土强度等级相同时，正截面的破坏特征随配筋量多少而变化，其规律是：①配筋量太少时，破坏弯矩接近于开裂弯矩，其大小取决于混凝土的抗拉强度及截面尺寸大小；②配筋量过多时，配筋不能充分发挥作用，构件的破坏弯矩取决于混凝土的抗压强度及截面尺寸大小；③配筋量适中时，构件的破坏弯矩取决于配筋量、钢筋的强度等级及截面尺寸。合理的配筋应配筋量适中，避免发生超筋或少筋的破坏情况。因此，在下面计算公式推导中所取用的应力图形也仅是指配筋量适中的截面来说的。