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1、第一章 钢筋混凝土结构设计原则第一节 钢筋混凝土简述 钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种不同力学性能的材料组成的建筑材料。 混凝土为人造石料，其抗拉强度仅为抗压强度的18118，如将素混凝土用于构件（如图1），从材料力学知道，在荷载Pl作用下,梁的中和轴以上为受压区，以下为受拉区,随着荷载的增大,梁下边缘混凝土的拉应力将率先达到极限抗拉强度, 此时梁上边缘混凝土的压应力还远小于其极限抗压强度，下边缘混凝土一旦受拉开裂即导致梁的整体破坏，具有突然性，属于脆性破坏，故素混凝土梁的承载能力通常很小。混凝土由于其抗拉强度很小，一般不能用于可能承受较大拉应力的结构，只能用于不受拉或受拉力很小的基础、垫层等非
2、承重结构。 若在混凝土梁的受拉区适当位置加入适量钢筋，情况就与素混凝土梁有很大的不同。当梁的受拉区混凝土开裂后,由于钢筋表面和混凝土之间的粘结力,两种材料还可以共同受力，受拉区钢筋可以代替开裂退出工作后的混凝土承担拉力, 梁的受压区混凝土仍然承受压力,故受拉区混凝土开裂后的梁还可以继续承担更大的荷载, 直至受拉钢筋屈服，受压区混凝土达到抗压极限强度而破坏。这样钢筋和混凝土两种材料的强度优势都得到充分发挥,因此钢筋混凝土梁的承载能力可以为素混凝土梁的几倍乃至几十倍；此外,配筋适度的钢筋混凝土梁破坏前均具有明显预兆（即明显的裂缝和挠度）和延性,属于塑性破坏,不同于素混凝土梁的一旦开裂即突然破坏，有
3、预兆的破坏对于结构而言是一件好事。 图11 素混凝土梁和钢筋混凝土梁 钢筋和混凝土能够共同工作的三要素如下：1， 钢筋表面和混凝土之间具有良好的粘结力，使得钢筋和混凝土能够共同变形，梁在受拉区混凝土开裂后仍然具有梁的受力特性。 2， 钢筋和混凝土具有近似相等的温度线膨胀系数（钢筋为1.210-5,混凝土为1.010-51.510-5）,使钢筋混凝土结构不致因当温度变化产生明显的温度应力。3， 混凝土包裹钢筋，可以保护钢筋免遭锈蚀。钢筋混凝土结构有以下优点：1， 耐火性好。钢结构在高温下会变软，木结构在高温下会燃烧，在钢筋混凝土结构中，由于混凝土保护了钢筋，因此其耐火性比钢结构要好，混凝土自身也
4、不会燃烧。设若纽约世贸大厦不是钢结构而是钢筋混凝土结构，即使受到巨大冲击和大量汽油燃烧，大厦可能延迟其坍塌时间，“911”事件所造成的伤亡和损失就会小些。2， 耐久性好。钢筋的锈蚀因为混凝土的保护而大大减弱,有研究者对经历数十年的钢筋混凝土结构进行研究,发现凿掉混凝土后,钢筋几乎没有锈斑,当然,也有因混凝土质量较差或环境条件恶劣而导致钢筋锈蚀较为严重的实例,总体而言,钢筋混凝土的耐久性已经得到全世界工程界的公认。3， 可塑性好。与钢结构、木结构、砖石结构相比，钢筋混凝土可以通过现场浇注，形成人们所需的任何形状，也可以像钢结构、木结构那样先在工场中进行预制，在现场进行拼接和安装。4， 易于就地取
5、材。钢筋混凝土所需的大宗材料如砂石，一般都可以在近距离内获得，可以节约运费，降低成本。5， 刚度大。钢筋混凝土结构的刚度较之钢结构和木结构大，变形相对较小，适用于对变形要求较高的结构。当然，钢筋混凝土也有自身的缺点，在具有较大刚度的同时，其自重也较大，抗裂性也较差，一般的钢筋混凝土结构在工作中都是带裂缝工作（请注意，用增加钢筋或加大截面尺寸来提高抗裂度都是不经济的），如裂缝宽度超过规范要求就可能对结构的耐久性带来负面影响；另外，在现场浇注钢筋混凝土时，其质量易受外部条件的影响，混凝土强度的离散性较大，质量控制难度较大。钢筋混凝土之所以在20世纪成为建筑界不可或缺的建筑材料，就在于它充分发挥了混
6、凝土和钢筋的力学和物理性能的优势，正因为在混凝土中加了钢筋，才使混凝土从单纯的受压材料材料中解放出来，成为世界建筑结构材料中主流。第二节 钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土之间的的粘结力是确保钢筋与混凝土能够共同工作的最重要的基本条件之一，倘若钢筋在混凝土中是可以任意滑移的，则钢筋不能与混凝土共同受力，结构的破坏无异于素混凝土，因此，在设计和施工中都应确保钢筋与混凝土之间有足够的粘结力。粘结力的实质是：结构受力后，钢筋和混凝土的变形并不完全一致，存在变形差，变形差将在钢筋与混凝土结合面产生剪应力，这种剪应力就是粘结应力（也称粘结强度），粘结应力之总和即称为粘结力。1.2.1 粘结的作用通过按照规定
7、要求把钢筋从混凝土中拔出的试验，可以了解粘结力沿钢筋表面的分布情况和粘结力的大小。图12 为钢筋埋在混凝土中的试件，采用专门试验装置，可以钳住钢筋伸出端，施加拉力把钢筋从混凝土内拔出。一般认为当钢筋被拔出混凝土端面1mm或混凝土被剪坏时即为粘结破坏。在试件端部以外，拔力F由钢筋承担，在钢筋埋入部分的末端，剪应力为零。若钢筋横断面为As，则钢筋应力为s0F/As,相应的应变为s0s0Es, Es为钢筋弹性模量。试件端面混凝土的应力h00，应变h00。由钢筋和混凝土的应变差产生的结合面剪应力为，拔力F和在钢筋被拔出前是一对平衡力。试验证明，剪应力是非均匀分布的，其分布规律与钢筋的表面情况和拔力大小
8、有关，钢筋起端和末端的剪应力均为零。而钢筋应力则在起端处较大，末端处为零。设钢筋埋入长度为l ,由钢筋微段的受力平衡可得： 图12 光圆钢筋的拔出试验 （11）式（11）表明了粘结应力和钢筋应力的关系：当粘结应力为零时，钢筋应力增量也为零，也就是说，只有存在粘结应力时混凝土中的钢筋才能受力。拔出试验证明，粘结应力沿钢筋长度方向呈曲线分布，在钢筋埋入混凝土的起点和末端处为零。光面钢筋和变形钢筋的粘结应力分布有明显的不同。 在设计和施工中，为了简便，常常用平均粘结应力替代实际粘结应力，如产生粘结破坏时的拔出力为F，则平均粘结应力为： (1-2)式中：F 拔出力； d 钢筋直径； 钢筋埋置长度。受压
9、区的钢筋，由于其受压时长度变短，直径变粗，混凝土对钢筋的握裹力增大，故受压时粘结应力略高于受拉时的粘结应力。为了使钢筋在达到抗拉或抗压设计强度之前不出现粘结破坏，我们从式(12)可得： （13）当FfsAs时，钢筋所需的埋置深度m称为钢筋锚固长度，即： (1-4)式中：钢筋锚固长度； 钢筋设计强度； 在实际设计和施工中，没有必要对每根钢筋的锚固长度进行计算，为简便计，规范根据试验成果及分析规定了钢筋在不同情况下所需的锚固长度，设计和施工中可以查用规范关于锚固长度的表格，只要符合了规范的要求，在正常使用条件下一般都不会出现粘结破坏。1.2.2 粘结机理及设计中应注意的问题光圆钢筋与变形钢筋的粘结
10、机理是不同的.光圆钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成:(1)混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶着力;(2)钢筋与混凝土接触面上的摩擦力;(3)钢筋表面与水泥胶产生的机械咬合作用。以上三种力中，摩擦和咬合是粘结力的主要部分，化学粘结力的作用较小。 光面钢筋拔出试验的破坏形态较为简单，其破坏面就是钢筋与混凝土的结合面，结合面的粘结作用由于拔力加大而产生剪切破坏，钢筋相对混凝土产生滑动。变形钢筋表面在轧制过程中形成肋纹，除了胶着力和摩擦力外，肋纹与混凝土的机械咬合作用较之光圆钢筋强得多，是变形钢筋粘结力的关键部分（图14）。 图14 变形钢筋横肋处的挤压力和内部裂缝变形钢筋受力时，其突出的肋纹对混凝
11、土的斜向挤压形成了滑移阻力，斜向挤压力沿钢筋轴向的分力使变形钢筋表面横肋之间混凝土受到弯曲和剪力，引起斜裂缝，斜向挤压力的径向分力使周围混凝土受到环向拉力，引起径向裂缝。试验证明，如果混凝土保护层厚度不足或钢筋净间距过小，在没有环向箍筋的情况下，径向裂缝可能延伸到混凝土表面，形成与纵向钢筋同向的裂缝，进而导致粘结破坏（图1-5，图1-6）。粘结破坏是钢筋混凝土结构破坏的一种形式，设计中主要通过保证足够的钢筋锚固长度和足够的保护层厚度及足够的钢筋净距或配置适当的箍筋来防止这种破坏，规范对以上各项要求都通过构造要求来满足，因此要求工程师对规范要有足够的了解。变形钢筋的试验粘结强度为2.56.0MP
12、a,光面钢筋为1.53.5MPa。对于光圆钢筋，常常要在端部做成弯钩来确保不出现粘结破坏。影响粘结强度的主要因素可以概括为下述几点：1. 钢筋表面情况：钢筋表面愈粗糙，粘结强度愈高。2. 混凝土强度：混凝土粘结强度随混凝土强度提高而提高。3. 混凝土保护层厚度：足够的保护层厚度是粘结强度能够达到发挥的重要因素。4. 钢筋的净距：充足的钢筋净距也是确保粘结强度的重要因素。5. 箍筋：箍筋对混凝土形成横向约束，阻止纵向裂缝开展，改变粘结破坏形态，延缓粘结破坏的发生。6. 钢筋在构件中的位置：混凝土浇筑时的骨料下沉和泌水现象将对粘结强度产生影响，竖向钢筋的粘结强度大于水平钢筋的粘结强度，同样水平布置
13、的钢筋，上层钢筋的粘结强度高于下层钢筋的粘结强度。1.2.3 钢筋的连接在施工中，当钢筋长度不够时，允许采用一定方式进行连接。钢筋的连接主要有三种类型：焊接、绑扎和机械连接。焊接是被广泛采用的钢筋连接形式,焊接接头又分为对接接头和普通焊接接头。对接接头的优点是接头所占空间最小，打磨掉毛刺后几乎不影响钢筋净距，也是最节约材料的一种接头，其缺点是当采用人工操作时，对工人的技术熟练程度要求很高，稍有不慎，就可能在端头之间形成“夹沙”，导致接头的强度很低，远远达不到强度要求,因而要求焊接工人必须要有合格上岗证,并按规定要求随时对接头进行抽验。普通焊接是采用一定规格的电焊条和一定长度、一定直径的连接钢筋
14、，采用电弧焊将连接钢筋和两段受力钢筋连接在一起,这种方法的优点是连接质量相对可靠,但要耗费价格昂贵的焊条和连接钢筋,且影响钢筋的净距,施工中必须注意焊条和钢种的匹配,这种连接一般在无法采用闪光焊时采用。绑扎连接是将两段受力钢筋相互搭接一定长度,用细钢丝将搭接部分绑扎在一起,利用钢筋搭接长度段与混凝土的粘接力来传力,这种接头所需的钢材较多,一般只在无法采用焊接时才被采用。机械连接是采用特制的机械装置（如螺杆套筒）将受力钢筋连接在一起，一般是采用钢制的连接套筒，这种方法的特点是接头可靠，但成本较高。另外，为保证质量和安全，规范对结构构件中钢筋接头所占的百分比及位置均作了严格的规定，类似的构造规定在规范中有许多条款, 04规范的第9部分详尽地阐述了相关的构造要求，在施工中应该予以特别注意。作为工程师，熟悉规范规定是一项基本要求，在实际工作中勤查规范，按规范规定设计与施工，是防止出现事故的关键。总之，钢筋是钢筋混凝土结构中确保结构和构件安全的关键材料，设计和施工都应该高度重视。但要耗费靠的验时必须要有上岗证
