鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)原理

由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，因而素混凝土結(jié)構(gòu)不能用于受有拉應(yīng)力的梁和板。如果在混凝土梁、板的受拉區(qū)內(nèi)配置鋼筋，則混凝土開裂后的拉力即可由鋼筋承擔(dān)，這樣就可充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度較高和鋼筋抗拉強(qiáng)度較高的優(yōu)勢(shì)，共同抵抗外力的作用，提高混凝土梁、板的承載能力 。

鋼筋與混凝土兩種不同性質(zhì)的材料能有效地共同工作，是由于混凝土硬化后混凝土與鋼筋之間產(chǎn)生了粘結(jié)力。它由分子力(膠合力)、摩阻力和機(jī)械咬合力三部分組成。其中起決定性作用的是機(jī)械咬合力，約占總粘結(jié)力的一半以上。將光面鋼筋的端部作成彎鉤，及將鋼筋焊接成鋼筋骨架和網(wǎng)片，均可增強(qiáng)鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力。為保證鋼筋與混凝土之間的可靠粘結(jié)和防止鋼筋被銹蝕，鋼筋周圍須具有一定厚度的混凝土保護(hù)層 。若結(jié)構(gòu)處于有侵蝕性介質(zhì)的環(huán)境，保護(hù)層厚度還要加大。

梁和板等受彎構(gòu)件中受拉力的鋼筋，根據(jù)彎矩圖的變化沿縱向配置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受拉的一側(cè)。在柱和拱等結(jié)構(gòu)中，鋼筋也被用來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗壓能力。它有兩種配置方式:一是順壓力方向配置縱向鋼筋，與混凝土共同承受壓力;另一是垂直于壓力方向配置橫向的鋼筋網(wǎng)和螺旋箍筋，以阻止混凝土在壓力作用下的側(cè)向膨脹,使混凝土處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，從而增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力。由于按這種方式配置的鋼筋并不直接承受壓力，所以也稱間接配筋。在受彎構(gòu)件中與縱向受力鋼筋垂直的方向，還須配置分布筋和箍筋，以便更好地保持結(jié)構(gòu)的整體性，承擔(dān)因混凝土收縮和溫度變化而引起的應(yīng)力，及承受橫向剪力。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用在建筑工程中。1849年，法國(guó)人J.L.朗 姆波和1867年法國(guó)人J.莫尼埃先后在鐵絲網(wǎng)兩面涂抹水泥砂漿制作小船和花盆。1884年德國(guó)建筑公司購(gòu)買了莫尼埃的專利，進(jìn)行了第一批鋼筋混凝土的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究了鋼筋混凝土的強(qiáng)度、耐火性能，鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。1886年德國(guó)工程師M.克嫩提出鋼筋混凝土板的計(jì)算方法。與此同時(shí)，英國(guó)人W.D.威爾金森提出了鋼筋混凝土樓板專利;美國(guó)人T.海厄特對(duì)混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn);法國(guó)人F.克瓦涅出版了一本應(yīng)用鋼筋混凝土的專著。

各國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用的設(shè)計(jì)方法有容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法、破壞強(qiáng)度設(shè)計(jì)法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。在鋼筋混凝土出現(xiàn)的早期，大多采用以彈性理論為基礎(chǔ)的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法。在本世紀(jì)30年代后期，蘇聯(lián)開始采用考慮鋼筋混凝土破壞階段塑性的破壞強(qiáng)度設(shè)計(jì)法;1950年，更進(jìn)一步完善為極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，它綜合了前面兩種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，既驗(yàn)算使用階段的容許應(yīng)力、容許裂縫寬度和撓度，也驗(yàn)算破壞階段的承載能力，概念比較明確，考慮比較全面，已為許多國(guó)家和國(guó)際組織的設(shè)計(jì)規(guī)范所采用。

混凝土是由膠凝材料水泥、砂子、石子和水，及摻和材料、外加劑等按一定的比例拌和而成。凝固后堅(jiān)硬如石，受壓能力好，但受拉能力差，容易因受拉而斷裂。為了解決這個(gè)矛盾，充分發(fā)揮混凝土的受壓能力，常在混凝土受拉區(qū)域內(nèi)或相應(yīng)部位加入一定數(shù)量的鋼筋，使兩種材料粘結(jié)成一個(gè)整體，共同承受外力。這種配有鋼筋的混凝土，稱為鋼筋混凝土。鋼筋混凝土粘結(jié)錨固能力可以由四種途徑得到:

①鋼筋與混凝土接觸面上化學(xué)吸附作用力，也稱膠結(jié)力。

②混凝土收縮，將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生摩擦力。

③鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用，也稱咬合力。

④鋼筋端部加彎鉤、彎折或在錨固區(qū)焊短鋼筋、焊角鋼來(lái)提供錨固能力。

混凝土的收縮和徐變(蠕變)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有重要意義。 由于鋼筋會(huì)阻礙混凝土硬化時(shí)的自由收縮，在混凝土中會(huì)引起拉應(yīng)力，在鋼筋中會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力。混凝土的徐變會(huì)在受壓構(gòu)件中引起鋼筋與混凝土之間的應(yīng)力重分配，在受彎構(gòu)件中引起撓度增大,在超靜定結(jié)構(gòu)中引起內(nèi)力重分布等?；炷恋倪@些特性在設(shè)計(jì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)須加以考慮。

由于混凝土的極限拉應(yīng)變值較低(約為0.15毫米/米)和混凝土的收縮，導(dǎo)致在使用荷載條件下構(gòu)件的受拉區(qū)容易出現(xiàn)裂縫。為避免混凝土開裂和減小裂縫寬度，可采用預(yù)加應(yīng)力的方法;對(duì)混凝土預(yù)先施加壓力(見預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu))。實(shí)踐證明，在正常條件下，寬度在0.3毫米以內(nèi)的裂縫不會(huì)降低鋼筋混凝土的承載能力和耐久性。

在從-40~60°C的溫度范圍內(nèi)，混凝土和鋼筋的物理力學(xué)性能都不會(huì)有明顯的改變。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以在各種氣候條件下應(yīng)用。當(dāng)溫度高于60°C時(shí)，混凝土材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)遭到損壞，其強(qiáng)度會(huì)有明顯降低。當(dāng)溫度達(dá)到 200°C時(shí)，混凝土強(qiáng)度降低30~40%。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不宜在溫度高于200°C的條件下應(yīng)用:當(dāng)溫度超過(guò)200°C時(shí)，必須采用耐熱混凝土。

1、鋼框架結(jié)構(gòu)是以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu)，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。具有以下特點(diǎn):自重較輕，工作的可靠性較高，抗振(震)性、抗沖擊性好，工業(yè)化程度較高，

容易做成密封結(jié)構(gòu)，易腐蝕，耐火性差等特點(diǎn)。

2、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是用鋼筋和混凝土建造的一種結(jié)構(gòu)，鋼筋承受拉力，混凝土承受壓力。具有堅(jiān)固、耐久、防火性能好、比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

由于鋼材塑性、韌性好，可有較大變形，能很好地承受動(dòng)力荷載，其次鋼材勻質(zhì)性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學(xué)的基本假定，因此，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能好。

1、就地取材。 2、耐久性、耐火性好(與鋼結(jié)構(gòu)比較)。

3、整體性好。

4、可模性好。

5、比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材。

1、自重大。

2、混凝土抗拉強(qiáng)度較低，易裂。

3、費(fèi)工、費(fèi)模板周期長(zhǎng)。

4、施工受季節(jié)影響。

5、補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)困難。

鋼筋混凝土最主要當(dāng)然與其材料:也就是鋼筋和混凝土有關(guān)，其中鋼筋的抗拉強(qiáng)度和混凝土的抗壓強(qiáng)度最重要。另外，施工之中還和天氣的溫度濕度等有關(guān)，因?yàn)闀?huì)影響到混凝土的凝結(jié)速度。

要根據(jù)具體情況來(lái)看，首先是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，一般民用建筑是50年， 大型或者比較重要的建筑為80年或以上，當(dāng)然其使用壽命肯定會(huì)大于設(shè)計(jì)年限的，如果說(shuō)自然壽命，與混凝土材料特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還有自然條件的影響都密切相關(guān)，其壽命相對(duì)而言不是很長(zhǎng)，主要是由于建筑時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)出現(xiàn)缺陷，比如混凝土開裂對(duì)鋼筋的保護(hù)降低，導(dǎo)致破壞加速,從而壽命大大降低，還有自然的侵蝕風(fēng)化作用，但其使用壽命肯定大于設(shè)計(jì)年限，如果有后期維護(hù)的話，那些缺陷可以得到彌補(bǔ)，其使用壽命會(huì)大大地提高的，建筑都會(huì)有人定期的檢查的，發(fā)現(xiàn)隱患肯定要進(jìn)行一定的技術(shù)處理，早發(fā)現(xiàn)早處理，這樣建筑物的壽命會(huì)大大提高的，住宅的使用年限是指住宅在有形磨損下能維持正常使用的年限，是由住宅的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量決定的自然壽命。住宅的折舊年限是指住宅價(jià)值轉(zhuǎn)移的年限，是由使用過(guò)程中社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件決定的社會(huì)必要平均使用壽命，也叫經(jīng)濟(jì)壽命。住宅的使用年限一般大于折舊年限。不同建筑結(jié)構(gòu)的折舊年限國(guó)家的規(guī)定是:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)60年;磚混結(jié)構(gòu)50年。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用范圍極廣，各種工程結(jié)構(gòu)都可采用鋼筋混凝土建造。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在原子能工程、海洋工程和機(jī)械制造業(yè)的一些特殊場(chǎng)合，如反應(yīng)堆壓力容器、海洋平臺(tái)、巨型運(yùn)油船、大噸位水壓機(jī)機(jī)架等，均得到十分有效的應(yīng)用，解決了鋼結(jié)構(gòu)所難于解決的技術(shù)問(wèn)題。

1、在施工縫處繼續(xù)灌注砼時(shí)，如間歇時(shí)間超過(guò)規(guī)定，則按施工縫處理，在砼抗壓強(qiáng)度不小于1.2Mpa時(shí)，才允許繼續(xù)灌注。

2、在已硬化的砼表面上繼續(xù)灌注砼前，除掉表面水泥薄膜和松動(dòng)碎石或軟弱砼層，并充分濕潤(rùn)和沖洗干凈，殘留在砼表面的水予清除。

3、在澆注前，施工縫宜先鋪抹水泥漿一層。

治理方法:當(dāng)表面縫隙較細(xì)時(shí)，可用清水將裂縫沖洗干凈，充分濕潤(rùn)后抹水泥漿。對(duì)夾層的處理慎重。補(bǔ)強(qiáng)前，先搭臨時(shí)支撐加固后，方可進(jìn)行剔鑿。將夾層中的雜物和松軟砼清除，用清水沖洗干凈，充分濕潤(rùn)，再灌注，采用提高一級(jí)強(qiáng)度等級(jí)的細(xì)石砼搗實(shí)并認(rèn)真養(yǎng)護(hù)。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造圍繞著工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際中的考慮，而這兩者又隨著工業(yè)化中積累的經(jīng)驗(yàn)和研究慢慢地發(fā)展。當(dāng)新的沒(méi)計(jì)方法、制作過(guò)程、建造技術(shù)不斷產(chǎn)生的同時(shí)，建筑材料也在穩(wěn)定地發(fā)展。從某些方面講，工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)一般反映出的足被大家接受的思想以及根據(jù)建設(shè)規(guī)范所從事的實(shí)踐。但是，規(guī)范通常講的只是某些最低的要求，而不是最高的要求。如果你期望的不只是最低要求，那么滿足最基本的要求就不是你理想中的目標(biāo)。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)和建造混凝土結(jié)構(gòu)是一件很實(shí)際的事情，所以許多設(shè)計(jì)人員更注重的是更為有效的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而不是印刷成文的規(guī)范。因此，工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)影響了以下關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造的幾個(gè)方面:

(1)設(shè)計(jì)的方法和準(zhǔn)則。

(2)生產(chǎn)建造過(guò)程。

(3)所需要的測(cè)試和證明。

(4)影響建造計(jì)劃和細(xì)節(jié)的一般規(guī)范要求。

(5)特別的規(guī)范要求(例如防火)。

設(shè)計(jì)人員一般不直接參與建造工作，但他們必須考慮以下在實(shí)際中會(huì)碰到的一些問(wèn)題。

1.一次澆筑的最大量

澆筑的尺寸受到時(shí)間(如8小時(shí)工作時(shí)間)、工作量的大小、場(chǎng)地的條件、運(yùn)送混凝土的車輛的數(shù)目、澆筑方法以及結(jié)構(gòu)形式的影響(例如在實(shí)際澆筑中對(duì)于多層建筑只能一次澆筑一層)。

對(duì)于大型結(jié)構(gòu)的最大澆筑量通常儀是整個(gè)結(jié)構(gòu)澆筑量的一部分。當(dāng)澆筑停止了一段時(shí)間后，已澆筑的混凝土在下一次澆筑前將會(huì)結(jié)硬。新舊混凝土的連接處稱為冷接縫或者施工縫。設(shè)計(jì)人員必須預(yù)先考慮這一問(wèn)題--例如，由于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是單一的連續(xù)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮這種施工縫的影響。

2.混凝上設(shè)計(jì)強(qiáng)度(fc)

在設(shè)計(jì)過(guò)程的前期階段，設(shè)計(jì)人員必須先確定混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。毫無(wú)疑問(wèn)，這一關(guān)鍵值和結(jié)構(gòu)的性能有關(guān)。設(shè)計(jì)人員也必須考慮現(xiàn)今所應(yīng)用的技術(shù)、承建商的能力以及項(xiàng)目的預(yù)算。因此，有一些設(shè)計(jì)會(huì)不斷超越現(xiàn)今建造技術(shù)的極限，要求使用盡可能好的混凝土(例如設(shè)計(jì)高層建筑)，而其他一些設(shè)計(jì)只要求使用低強(qiáng)度的混凝土。

3.建造的準(zhǔn)確度

現(xiàn)場(chǎng)澆筑是一個(gè)非常粗略的工作，很少能達(dá)到精確的幾何尺寸或光滑的面層。經(jīng)驗(yàn)告訴設(shè)計(jì)人員什么樣的誤差是允許的，什么樣的誤差是可以進(jìn)行改善的--他們學(xué)會(huì)了仔細(xì)地寫一些設(shè)計(jì)說(shuō)明，特意選擇一定的材料或在現(xiàn)場(chǎng)做一些監(jiān)督。

但是，一般來(lái)說(shuō)，工廠預(yù)制的混凝土的質(zhì)量要高于現(xiàn)澆混凝土。這些構(gòu)件尺寸精確而且可以進(jìn)行修改。雖然精確的尺寸要求和光滑的面層對(duì)基本結(jié)構(gòu)的形成不是關(guān)鍵的，但它們能使得建筑物在表面處理和其他建筑上的工藝更優(yōu)越。當(dāng)然，如果建成后混凝土被其他東西覆蓋或包住，那么這一缺點(diǎn)的影響就不大了。但是，設(shè)計(jì)人員必須了解結(jié)構(gòu)中較為精細(xì)的連接構(gòu)件所要求達(dá)到的精確度，認(rèn)識(shí)到建造混凝土結(jié)構(gòu)精確度的最低要求。

4.混凝土構(gòu)件的最小尺寸

因?yàn)閷?shí)際建造上的原因，為廠滿足保護(hù)層和鋼筋間距的不同要求，一些鋼筋混凝土構(gòu)什必須有特定的尺寸。

當(dāng)板、墻、梁中配有受彎鋼筋時(shí)，它的尺寸主要山受拉鋼筋和受壓混凝土外邊緣之間的距離決定。因此在非常薄的梁、薄板和墻中，受彎鋼筋不起什么作用。

一般地，在板和墻中要布置兩個(gè)方向的鋼筋。即使受彎作用只發(fā)生在一個(gè)方向，規(guī)范也要求在另一個(gè)方向必須配有一定數(shù)量的鋼筋來(lái)控制由于收縮和溫度變化而產(chǎn)生的裂縫。即使采用最小的保護(hù)層厚度和最小截面積的鋼筋，板的最小厚度也應(yīng)大致達(dá)到2in[見圖4.1(a)，但是除了托梁或井式結(jié)構(gòu)，板的厚度通常較大從而提高廠抗彎能力。一般的鋼筋布置如圖乙1(b)所示，鋼筋布置在頂部還是底部主要由彎矩的正負(fù)決定。

建筑規(guī)范常常要求附加保護(hù)層厚度，規(guī)定最小厚度板的保護(hù)層厚度為4in或更大，從而保證較高的耐火等級(jí)。

提示 板的厚度是由所用骨料的大小決定的。

l0in厚的墻或更厚的墻常常有兩層鋼筋[見圖4.1(c)]。每一層都在允許的情況下和墻體外表面很接近。具有十字交叉鋼筋的墻(例如，有水平、垂直鋼筋)一般厚度很少小于6in。