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1.2 完美协同工作的钢筋混凝土结构

混凝土是应用很广的一种土木工程材料。由建筑材料课程学习得知,混凝土结硬后如同石料,可以认为是一种人造石材。它具有和石料相同的特点,其抗压强度很高,而抗拉强度却很低。这就决定了素混凝土和天然石材一样,只适用于以受压为主的构件[图1.22(a)],对于受拉构件、受弯构件、受扭构件和偏心受压构件,由于拉应力的存在,则在荷载很小的情况下,由于受拉区断裂而破坏,如图1.22(b)所示的素混凝土梁。如果在受拉区沿拉应力方向配置钢筋,形成钢筋混凝土构件,构件受力就会显示出另一种新的受力情况。

与混凝土材料不同的是,钢筋的抗拉强度很高,而抗压受到截面尺寸的限制容易失稳。为了充分利用这两种材料的特点,将混凝土和钢筋这两种材料结合在一起,让钢筋主要承受拉力,而让混凝土主要承受压力,如图1.22(c)所示的钢筋混凝土梁。另外,钢筋的抗压强度也很高,在混凝土中由于克服了稳定性问题,故在受压区中也能发挥很好的作用,如钢筋混凝土柱中的钢筋则能承受较大的压力。

当混凝土受拉区配置了适量的钢筋,一旦受拉区混凝土开裂,裂缝截面处的受拉混凝土虽然不能继续承受拉力,但是此力可由受拉钢筋来承受[图1.22(c)],因此,钢筋混凝梁不会像素混凝土梁那样发生脆性破坏。而且,在受拉区混凝土开裂还可以继续增加荷载直至钢筋应力达到屈服强度,并使受压区混凝土的抗压强度也得到充分利用,这样会使梁的承载能力大大提高。由此可见,将这两种性能极不相同的材料结合在一起共同工作,使其发挥各自抗拉、抗压强度的特长将会使梁具有较高的承载能力和较好的经济效益。但是这两种不同性质材料能否共同工作成为人们关心的问题,实践证明这两种材料是能够有效结合在一起共同工作的,它们能够结合在一起共同工作的基础主要基于以下两点:

图 1.22 素混凝土梁和钢筋混凝土梁的受力破坏情况

①钢筋和混凝土两种材料的线膨胀系数相近。钢材为1.2×10 -5 ,混凝土为1.0×10 -5 ~1.5×10 -5 。当温度变化时,两种材料不会产生较大的相对变形而是两种材料之间的黏结应力受到破坏。

②钢筋混凝土结构中的钢筋和混凝土之间存在黏结力,由于黏结力的存在使二者结为整体,在荷载的作用下能共同工作,协调变形。

1.2.1 钢筋混凝土结构的状态

钢筋混凝土结构除具有良好的共同工作性能外,其主要优点如下:

(1)合理用材

钢筋混凝土结构合理的利用了钢筋和混凝土两种不同材料的受力性能,使混凝土和钢筋的强度得到了充分的发挥,特别是现代预应力混凝土应用以后,在更大的范围内取代钢结构,降低了工程造价。

(2)耐久性好

与钢结构相比钢筋混凝土结构有较好的耐久性,它不需要经常的保养与维护。在钢筋混凝土结构中,钢筋被混凝土包裹而不致锈蚀,另外混凝土的强度还会随时间增长而略有提高,故钢筋混凝土有较好的耐久性。对于在有侵蚀介质存在的环境中工作的钢筋混凝土结构,可根据侵蚀的性质合理的选用不同品种的水泥,可达到提高耐久性的目的,一般火山灰水泥和矿渣水泥抗硫酸盐侵蚀的能力很强,可在有硫酸盐腐蚀的环境中使用,另外矿渣水泥抗碱腐蚀的能力也很强,则可用于碱腐蚀的环境中。

(3)耐火性好

相对钢结构和木结构而言,钢筋混凝土结构具有较好的耐火性。在钢筋混凝土结构中,由于钢筋包裹在混凝土里面而受到保护,火灾时钢筋不至于很快达到流塑状态使结构整体破坏。

(4)整体性好

相对砌体结构而言,钢筋混凝土结构具有较好的整体性,适用于抗震、抗暴结构。另外,钢筋混凝土结构刚性较好,则受力后变形小。

(5)容易取材

混凝土所用的砂、石料可就地取材。另外,还可以将工业废料如矿渣、粉煤灰用于混凝土当中。

(6)具有可模性

可根据建筑、结构等方面的要求将钢筋混凝土结构浇筑成各种形状和尺寸。

由于钢筋混凝土结构具有许多优点,现在世界各地成为建筑、道路桥梁、机场、码头和核电站等工程中应用最广的工程材料。

1.2.2 钢筋混凝土的缺点

钢筋混凝土结构除了具有以上优点外,还存在以下主要缺点:

(1)结构自重大

混凝土和钢筋混凝土结构的重力密度一般为23 kN/m 3 和25 kN/m 3 ,由于钢筋混凝土结构截面尺寸大,因此对大跨度结构、高层抗震结构都是不利的。应发展高强高性能混凝土、预应力混凝土以减小钢筋混凝土结构截面尺寸,采用轻骨料混凝土以减轻结构自重。

(2)抗裂性能差

混凝土抗拉强度很低,一般构件都有拉应力存在,配置钢筋以后虽然可以提高构件的承载力,但抗裂能力提高很少,因此,在使用阶段构件一般是带裂缝工作的,这对构件的刚度和耐久性都带来不利的影响。施加预应力可改善此缺点。

(3)费工费模

现浇的钢筋混凝土结构费工时较多,且施工受季节气候条件的限制。模板耗费量大,若采用木模,则耗费大量的木材。目前大多采用工具式钢模,效果较好。

由于钢筋混凝土结构具有许多优点,虽然有一些缺点,但可以通过扬长避短的方法克服缺点。因此,钢筋混凝土结构在世界各地工程建设中得到大量使用,并成为各国基础设施建设的主导结构。本门课程将主要研究钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土。 vrx5R1+mYlmOwE32A17iufN9GeeAK0AptZNT3D+V4Jrz+ePrc1dzkRcl+9XAQ3a7

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