第一篇 钢筋混凝土结构第1章 钢筋混凝土结构的基本概念及 材料的物理力学性能1.1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制成的结构。混凝土是一种人造石料，其抗压能力很高，而抗拉能力很弱。采用素混凝土制成的构件（指无筋或不配置受力钢筋的混凝土构件），例如素混凝土梁，当它承受竖向荷载作用时图1-1a），在梁的垂直截面（正截面）上受到弯矩作用，截面中和轴以上受压，以下受拉。当荷载达到某一数值Fc时，梁截面的受拉边缘混凝土的拉应变达到极限拉应变，即出现竖向弯曲裂缝，这时，裂缝处截面的受拉区混凝土退出工作，该截面处受压高度减小，即使荷载不增加，竖向弯曲裂缝也会急速向上发展，导致梁骤然断裂图1-1b）。这种破坏是很突然的。也就是说，当荷载达到Fc的瞬间，梁立即发生破坏。Fc为素混凝土梁受拉区出现裂缝的荷载，一般称为素混凝土梁的抗裂荷载，也是素混凝土梁的破坏荷载。由此可见，素混凝土梁的承载能力是由混凝土的抗拉强度控制的，而受压混凝土的抗压强度远未被充分利用。在制造混凝土梁时，倘若在梁的受拉区配置适量的纵向受力钢筋，就构成钢筋混凝土梁。试验表明，和素混凝土梁有相同截面尺寸的钢筋混凝土梁承受竖向荷载作用时，荷载略大于Fc时的受拉区混凝土仍会出现裂缝。在出现裂缝的截面处，受拉区混凝土虽退出工作，但配置在受拉区的钢筋将可承担几乎全部的拉力。这时，钢筋混凝土梁不会像素混凝土梁那样立即裂断，而能继续承受荷载作用图1-1c），直至受拉钢筋的应力达到屈服强度，继而截面受压区的混凝土也被压碎，梁才破坏。因此，混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度都能得到充分的利用，钢筋混凝土梁的承载能力可较素混凝土梁提高很多。图11 素混凝土梁和钢筋混凝土梁a)受竖向力作用的混凝土梁 b)素混凝土梁的断裂 c)钢筋混凝土梁的开裂混凝土的抗压强度高，常用于受压构件。若在构件中配置钢筋来构成钢筋混凝土受压构件，试验表明，和素混凝土受压构件截面尺寸及长细比相同的钢筋混凝土受压构件，不仅承载能力大为提高，而且受力性能得到改善（图1-2）。在这种情况下，钢筋的作用主要是协助混凝土共同承受压力。图1-2 素混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较a)柱的压力混凝土应变曲线 b)素混凝土柱 c)钢筋混凝土柱综上所述可见，根据构件受力状况配置钢筋构成钢筋混凝土构件，可以充分利用钢筋和混凝土各自的材料特点，把它们有机地结合在一起共同工作，从而提高构件的承载能力、改善构件的受力性能。钢筋的作用是代替混凝土受拉(拉区混凝土出现裂缝后)或协助混凝土受压。钢筋和混凝土这两种受力力学性能不同的材料之所以能有效的结合在一起而共同工作，主要是由于：（1）混凝土和钢筋之间有着良好的粘结力，使两者能可靠地结合成一个整体，在荷载作用下能够很好地共同变形，完成其结构功能。（2）钢筋和混凝土的温度线膨胀系数也较为接近，钢筋为（1.210-5）/，混凝土为（1.010-51.510-5）/，因此，当温度变化时，不致产生较大的温度应力而破坏两者之间的粘结。（3）包围在钢筋外围的混凝土，起着保护钢筋免遭锈蚀的作用，保证了钢筋与混凝土的共同作用。钢筋混凝土除了能合理地利用钢筋和混凝土两种材料的特性外，还有下述一些优点：（1）在钢筋混凝土结构中，混凝土强度是随时间而不断增长的，同时，钢筋被混凝土所包裹而不致锈蚀，所以，钢筋混凝土结构的耐久性是较好的。钢筋混凝土结构的刚度较大，在使用荷载作用下的变形较小，故可有效地用于对变形有要求的建筑物中。（2）钢筋混凝土结构既可以整体现浇也可以预制装配，并且可以根据需要浇制成各种构件形状和截面尺寸。（3）钢筋混凝土结构所用的原材料中，砂、石所占的比重较大，而砂、石易于就地取材，故可以降低建筑成本。但是钢筋混凝土结构也存在一些缺点：例如，钢筋混凝土构件的截面尺寸一般较相应的钢结构大，因而自重较大，这对于大跨度结构是不利的；抗裂性能较差，在正常使用时往往是带裂缝工作的；施工受气候条件影响较大；修补或拆除较困难等等。钢筋混凝土结构虽有缺点，但毕竟有其独特的优点，所以，它的应用极为广泛，无论是桥梁工程、隧道工程、房屋建筑、铁路工程，还是水工结构工程、海洋结构工程等都已广泛采用。随着钢筋混凝土结构的不断发展，上述缺点已经或正在逐步加以改善。1.2 混 凝 土钢筋混凝土是由钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料所组成。为了正确合理地进行钢筋混凝土结构设计，必须深入了解钢筋混凝土结构及其构件的受力性能和特点。而对于混凝土和钢筋材料的物理力学性能（强度和变形的变化规律）的了解，则是掌握钢筋混凝土结构的构件性能、分析和设计的基础。1.2.1 混凝土的强度1）混凝土立方体抗压强度混凝土的立方体抗压强度是规定的标准试件和标准试验方法得到的混凝土强度基本代表值。我国取用的标准试件为边长相等的混凝土立方体。这种试件的制作和试验均比较简便，而且离散性较小。我国国家标准普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002）规定以每边边长为150mm的立方体为标准试件，在（202）的温度和相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28天，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值（以N/mm2为单位）作为混凝土的立方体抗压强度，用符号fcu表示。按这样的规定，就可以排除不同制作方法、养护环境等因素对混凝土立方体强度的影响。混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。在通常情况下，试件的上下表面与试验机承压板之间将产生阻止试件向外自由变形的摩阻力，阻滞了裂缝的发展图1-3a），从而提高了试块的抗压强度。破坏时，远离承压板的试件中部混凝土所受的约束最少，混凝土也剥落得最多，形成两个对顶叠置的截头方锥体图1-3b）。要是在承压板和试件上下表面之间涂以油脂润滑剂，则试验加压时摩阻力将大为减少，所测得的抗压强度较低，其破坏形态如图1-3c)所示的开裂破坏。规定采用的方法是不加油脂润滑剂的试验方法。图13 立方体抗压强度试件a)立方体试件的受力 b)承压板与试件表面之间未涂润滑剂时 c)承压板与试件表面之间涂润滑剂时混凝土的抗压强度还与试件尺寸有关。试验表明，立方体试件尺寸愈小，摩阻力的影响愈大，测得的强度也愈高。在实际工程中也有采用边长为200mm和边长为100mm的混凝土立方体试件，则所测得的立方体强度应分别乘以换算系数1.05和0.95来折算成边长为150mm的混凝土立方体抗压强度。2）混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）通常钢筋混凝土构件的长度比它的截面边长要大得多，因此棱柱体试件（高度大于截面边长的试件）的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力情况。按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得的棱柱体试件的抗压强度值，称为混凝土轴心抗压强度，用符号fc表示。试验表明，棱柱体试件的抗压强度较立方体试块的抗压强度低。棱柱体试件高度h与边长b之比愈大，则强度愈低。当h/b由1增至2时，混凝土强度降低很快。但是当h/b由2增至4时，其抗压强度变化不大（图1-4）。因为在此范围内，既可消除垫板与试件接触面间摩阻力对抗压强度的影响，又可以避免试件因纵向初弯曲而产生的附加偏心距对抗压强度的影响，故所测得的棱柱体抗压强度较稳定。因此，国家标准普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002）规定，混凝土的轴心抗压强度试验以150mm150mm300mm的试件为标准试件。图14 对抗压强度的影响3）混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度（用符号ft表示）和抗压强度一样，都是混凝土的基本强度指标。但是混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，它与同龄期混凝土抗压强度的比值大约在1/81/18。这项比值随混凝土抗压强度等级的增大而减少，即混凝土抗拉强度的增加慢于抗压强度的增加。混凝土轴心受拉试验的试件可采用在两端预埋钢筋的混凝土棱柱体（图1-5）。试验时用试验机的夹具夹紧试件两端外伸的钢筋施加拉力，破坏时试件在没有钢筋的中部截面被拉断，其平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。图15 混凝土抗拉强度试验试件（尺寸单位：mm）在用上述方法测定混凝土的轴心抗拉强度时，保持试件轴心受拉是很重要的，也是不容易完全做到的。因为混凝土内部结构不均匀，钢筋的预埋和试件的安装都难以对中，而偏心又对混凝土抗拉强度测试有很大的干扰，因此，目前国内外常采用立方体或圆柱体的劈裂试验来测定混凝土的轴心抗拉强度。劈裂试验是在卧置的立方体（或圆柱体）试件与压力机压板之间放置钢垫条及三合板（或纤维板）垫层（图1-6），压力机通过垫条对试件中心面施加均匀的条形分布荷载。这样， 图1-6 劈裂试验除垫条附近外，在试件中间垂直面上就产生了拉应力，它的方向与加载方向垂直，并且基本上是均匀的。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件即被劈裂成两半。我国交通部部颁标准公路工程水泥混凝土试验规程（JTJ053-94）规定，采用150mm立方块作为标准试件进行混凝土劈裂抗拉强度测定，按照规定的试验方法操作，则混凝土劈裂抗拉强度fts按下式计算： （1-1）式中 混凝土劈裂抗拉强度（MPa）；F劈裂破坏荷载； A试件劈裂面面积（mm2）。采用上述试验方法测得的混凝土劈裂抗拉强度值换算成轴心抗拉强度时，应乘以换算系数0.9，即。4）复合应力状态下的混凝土强度在钢筋混凝土结构中，构件通常受到轴力、弯矩、剪力及扭矩等不同组合情况的作用，因此，混凝土更多的是处于双向或三向受力状态。在复合应力状态下，混凝土的强度有明显变化。对于双向正应力状态，例如，在两个互相垂直的平面上，作用着法向应力1和2，第三个平面上的法向应力为零。双向应力状态下混凝土强度的变化曲线如图1-7所示，其强度变化特点如下：（1）当双向受压时（图1-7中第三象限），一向的混凝土强度随着另一向压应力的增加而增加，1/2约等于2或0.5时，其强度比单向抗压强度增加约为25%左右，而在=1时，其强度增加仅为16%左右。（2）当双向受拉时（图1-7中第一象限），无论应力比值1/2如何，实测破坏强度基本不变，双向受拉的混凝土抗拉强度均接近于单向抗拉强度。（3）当一向受拉、一向受压时（图1-7中第二、四象限），混凝土的强度均低于单向受力（压或拉）的强度。图1-8为法向应力（拉或压）和剪应力形成压剪或拉剪复合应力状态下混凝土强度曲线图。图1-8中的曲线表明，混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低；当/ fc（0.50.7）时，抗剪强度随压应力的增大而增大；当/ fc（0.50.7）时，抗剪强度随压应力的增大而减小。 图1-8 法向应力与剪应力组合时的强度曲线当混凝土圆柱体三向受压时，混凝土的轴心抗压强度随另外两向压应力增加而增加（图1-9）。混凝土圆柱体三向受压的轴心抗压强度fcc与侧压应力2之间的关系，可以用下列线性经验公式： (1-2)式中 fcc 三向受压时圆柱体的混凝土轴心抗压 强度； 混凝土圆柱体强度*采用直径d=150mm，高度h=305mm的圆柱体试件的抗压强度。在美国、日本和欧洲混凝土协会（CEB）采用圆柱体抗压试件。混凝土圆柱体抗压强度与我国150mm150mm150mm立方体抗压强度之间换算关系为=0.85 ，计算时可近似以混凝土轴心抗压强度fc代之； 侧压应力值。式（1-2）中的k为侧压效应系数，侧向压力较低时得到的值较大。