第一章 钢筋混凝土结构设计原则..

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裂缝

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1／8～1／18，如将素混凝土用于

构件（如图1），从材料力学知道，在荷载P

l

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，有预兆的破坏对于结构而言是一件好事。

图1－1 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1.2×10-5,混凝土为1.0×10-5～1.5×10-5）,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

s

σσ应应

τs σ钢筋　力

粘结　力

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1－2 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A s ，则钢筋应力

为σs0＝F/A s ,相应的应变为εs0

＝σs0／E s ,

E s 为钢筋弹性模量。试件端面混凝土

的应力σh0＝0，应变ε

h0＝0。由钢筋和

混凝土的应变差产生的结合面剪应力为 τ，拔力F 和∑τ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

1－2 光圆钢筋的拔出试验

πdτdx d σ4

πd s 2

= dx

d σ4d τs

=

（1－1）

式（1－1）表明了粘结应力τ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。