钢筋混凝土原理与分析.doc

_钢筋混凝土原理和分析读书笔记经过一个学期的课程学习，我在钢筋混凝土原理和分析教材及本科基础专业知识储备的基础上，外加查阅的其它一些相关钢筋混凝土内容的学习资料，包括教材、专著及论文等，基本掌握了书中所讲述的关于钢筋混凝土的基础知识，深化了原有的知识理论，形成较为完整的混凝土知识理论系统。由于在课程学习过程中，贺东青教授是安排我在课堂上讲解“钢筋的力学性能”与“钢筋与混凝土的粘结”的部分内容，因此，本报告后续内容也主要围绕“钢筋的力学性能”与“钢筋与混凝土的粘结”这一方面作细致展开,其他内容知识仅作一概括。随着建筑科技的快速发展和各类工程建筑的迅速崛起，混凝土结构经历了很长时间的发展，现已经广泛应用于诸多民用和工业用建筑，为社会发展和人类生活水平提高做出了卓越贡献。在本科阶段学习的混凝土结构设计原理课程中，我大致了解了混凝土结构的分类、应用、构件的基本设计原理以及方法等。所涵盖的理论知识、学习方法以及思维方式都对作为结构工程方向的我们以后专业课的学习以及工作起到重要的积极的作用。一、对高等混凝土结构课程的认知在本科学习期间，有关钢筋混凝土结构的课程中，一般先简要的介绍钢筋和混凝土的材性，后以较大篇幅着重说明各种基本构件的性能、计算方法、设计和构造要求等，较多地遵循结构设计规范的体系和方法，以完成结构设计为主要目标。钢筋混凝土原理和分析是以研究和分析钢筋混凝土结构的性能及一般规律，并以解决工程中出现的各种问题为目标，本书中用大量的篇幅系统地介绍主要材料混凝土在单轴和多轴应力状态下，以及各种特殊条件下的强度和变形的一般规律，以此作为了解和分析构件性能的基础。在表述钢筋混凝土构件在各种受力条件下的性能时，强调以试验结果为依据，着重介绍其受力变形和破坏的全过程、各种因素的影响、机理分析、重要技术指标的确定、计算原则和方法等。本书是研究和设计钢筋混凝土结构的主要理论基础和试验依据，其内容和作用如同匀质线弹性结构的“材料力学”。但是钢筋混凝土是由非线性的、且拉压强度相差悬殊的混凝土和钢筋组合而成，受力性能复杂多变，因而课程的内容更为丰富。钢筋混凝土结构作为结构工程的一个学科分支，必定服从结构工程学科的一般规律：从工程实践中提出要求或问题，通过调查统计、实验研究、理论分析、计算对比等多种手段予以解决。总结其一般变化规律，揭示作用机理，建立物理模型和数学表达，确定计算方法和构造措施，再回到工程实践中进行验证，并加以改进和补充。一般需经过实践研究实践的多次反复，渐臻完善，最终为工程服务。钢筋混凝土既然是由性质迥异的两种材料组合而成，必定具有区别于单一材料结构（如钢结构、木结构等）的特殊性。所以，钢筋混凝土的性能不仅依赖于两种材料本身的性质，还在更大程度上取决于二者的相互关系和配合。钢筋混凝土的承载力和变形性能的变化幅度很大。有时甚至可以按照所规定的性能指标设计专门的钢筋混凝土，合理选用材料和配筋构造，以满足具体工程的特定要求。总所周知，混凝土是非匀质的、非线性的人工混合材料，力学性能复杂，且随时间而变化，性能指标的离散性又大；而钢筋和混凝土的配合又呈多样性，更使得钢筋混凝土的性能十分复杂多变。至今，钢筋混凝土构件在不同受力状态和环境条件下的性能反应已有较多的实验和理论研究结果，建立了相应的计算方法和构造措施，可以解决工程问题。但是，还缺乏一个完善的、统一的理论方法来概括和解决普遍的工程问题。考虑到混凝土材性和钢筋混凝土构件性能的这些特点，应遵循以下原则：立足于试验依据混凝土材料的力学性能指标和钢筋混凝土构件的性能反应，一般只能在精细的试验中确定。根据一定数量的试验数据，研究其变化规律，并通过机理和统计分析，总结成理性认识，建立物理和数学模型加以描述，最终还用试验或工程实践加以验证。这也是研究和解决钢筋混凝土结构问题的一般方法。宏观的力学反应结构混凝土中的应力、变形和裂缝的微观力学分析，因为混凝土材料的非均匀微构造、局部缺陷和离散性大而极难获得精确的计算结果。本书讨论的钢筋混凝土材性和构件性能都是指一定尺度范围（约70mm或34倍粗骨料粒径）内的平均值，在结构工程中应用有足够的精度。受力性能的规律和机理分析混凝土材料和构件在不同受力状态和环境条件下的性能反应，受到多种因素的影响而变化，其变形过程、破坏形态和极限承载力等都有一定的规律性。而具体的计算方法和公式，将因数据的积累或增删而改变形势和参数。实际的力学性能和指标书中给出的混凝土材性和构件性能的试验结果，以及计算公式的理论值等，一般都是指试验实测值或平均值，可以直接用于验算结构的实际承载力和变形。这些数值与结构设计中考虑必要的安全度后的设计值有一系列差别，转用时需作相应的折算。反应国内外最新研究成果钢筋混凝土材料和结构不断发展，工程中积累了新的经验并提出了新的课题，相关的试验和理论研究日新月异，成果累累。本书在保留相对稳定的基本概念和分析方法的基础上，注意吸收和反应最新研究成果和不同的学术观点、方法。当然，本书侧重于定性分析，为钢筋混凝土结构的研究和分析服务，定量计算比较少，一般不对配筋构造具体细节做出规定和限制，也不涉及规范要求的条款要求，这样就是使得我们学习之后，对知识概念很清楚。二、对钢筋混凝土原理和分析内容的学习与理解本书共分四篇二十章。第一篇在阐述混凝土材料的基本特点和受力破坏机理的基础上，比较详细地介绍了混凝土在基本受力状态下的强度和变形规律，给出了高强混凝土、轻质混凝土和纤维混凝土等多种结构混凝土的主要力学性能；并全面地概括了混凝土在多轴状态下强度和变形的一般规律，分类介绍并比较了混凝土的多种破坏准则和本构模型，为用有限元方法分析二维和三维混凝土结构提供必要的物理模型和计算依据。第二篇着重分析和解决钢筋和混凝土二者共同作用的一些重要性能，这是钢筋和混凝土作为组合材料区别于单一结构材料的特殊问题。第三篇给出钢筋混凝土基本受力构件（即压弯构件）的承载力、裂缝和变形，以及抗剪和抗扭构件等的一般性能规律、机理和分析方法等。第四篇针对结构常遇的几种特殊受力状态，包括抗（地）震、疲劳、抗爆和抗高温等，介绍了钢筋和混凝土的材料和基本构件的特殊性能反应及其分析方法。混凝土是以水泥为主要胶结材料，拌合一定比例的砂、石和水，有时还加入少量的各种添加剂，经过搅拌、注模、振捣、养护等工序后，逐渐凝固硬化而成的人工混合材料。它是钢筋混凝土的主体，容纳和围护各种构造的钢筋，成为合理的组合性结构材料。因而钢筋混凝土结构（构件）的力学反应，在很大程度上取决于混凝土的材料性能，及其对钢筋的支撑和约束作用。混凝土的强度和变形性能显著地区别于其它单一结构材料，如工业冶炼而成的钢材、天然生成的木材等。混凝土的拉压强度（变形）相差悬殊，质脆变形小，性能随时间和环境因素的变异大。此外，由于混凝土主要材料的地方化，配制的质量和性能的稳定性受制于施工单位的技术和管理水平，使混凝土的各项性能指标都有较大的离散度。在钢筋混凝土结构工程中，混凝土的实际应力状态千变万化，因而有不等的强度和变形值，最简单也是最基本的应力状态是均匀的单轴受压和单轴受拉。工程中最大量存在的梁、板、柱等简单构件，虽然其中的混凝土并不处于理想的单轴受压或受拉应力状态，但按此计算仍能满足工程精度要求。混凝土在单轴受压和受拉状态下的强度和变形性质，最清楚地显示了它区别于其他结构材料的力学性能特点。它们作为混凝土力学性能的最重要指标，既是确定混凝土强度等级的唯一依据，又是决定其他重要性能特征和指标，如弹性模量、峰值应变、破坏特征、延性指数、多轴强度和变形等的最主要因素。在实际工程中，混凝土结构的自重大，增加了支承结构和基础的负重，缩减了结构的有效空间和净空，在地震区还加大了惯性力和结构地震响应，是混凝土的一大缺点。随着混凝土结构的应用领域的扩展，规模的增大，使结构工程向更高、跨度更大、荷载更重的方向发展，对其性能要求也更高。因而混凝土材料的弱点更显突出，阻碍了它在工程中的应用。为了适应发展的要求，经过多年的研究、开发和工程经验的积累，已经成功地研制了高强混凝土（fcu50N/mm2）、轻质混凝土（1900kg/m3）和纤维混凝土等多种结构混凝土。钢筋混凝土是以混凝土为主体，配设不同形式的高抗拉强度的钢筋所构成的组合材料，二者的性能互补，成为迄今结构工程中应用最成功、最广泛的组合材料。钢材放置在混凝土结构中的主要作用是承受拉力，以弥补混凝土抗拉强度的低下和延性的不足。有些结构，为了减少截面，减轻结构自重，增强承载力和刚度，方便构造和快捷施工等目的，也使用不同形状的型钢。钢材是混凝土结构中主要承受拉力的材料。建筑结构中，主要使用的有低碳钢以及低合金钢。钢材根据使用类型的不同，又可分为钢筋、高强钢丝、型钢和钢丝网水泥等。钢筋的截面一般为圆形，表面形状可根据结构具体要求进行加工，主要有光面、螺纹、人字纹、月牙纹、竹节形和扭转形。混凝土结构钢筋种类根据其轧制工艺、表面形状和强度等级进行分类，设计规范建议采取的钢种有：HPB300、HRB335、HRB400、RRB400、HRB500。这些钢筋的应力-应变曲线都有明显的屈服台阶，因此属于“软钢”。碳素钢丝经过冷拔和热处理可以达到很高的抗拉强度，但是无明显屈服台阶，属于“硬钢”，主要应用于预应力结构。角钢、槽钢、工字钢和钢板、钢管等钢构件统称为型钢，都可应用于混凝土结构，形成型钢-混凝土组合结构。钢丝网水泥主要用细钢丝编制成的网片作为配筋，浇筑水泥砂浆后成为薄板状。钢筋的应力-应变关系，一般采用原钢筋、表面不经切削加工的试件进行拉伸试验加以测定。根据应力-应变曲线上有无明显屈服台阶，可以将钢材分为软钢和硬钢。软钢的应力-应变关系可以大致划分为弹性阶段、屈服台阶阶段、强化阶段和颈缩阶段。硬钢的拉伸曲线没有明显的屈服台阶，在进行结构设计时，要对这类钢材定义一个名义屈服强度作为设计值，这一值通常取残余应变为0.210-2时的应力作为屈服点，经过折算得出。混凝土结构在承受重复荷载或反复荷载的多次作用时，其中所配设的钢筋相应地产生应力的多次加卸过程。钢筋在屈服点以前卸载和再加载，完全卸载后不会产生残余应变；在进入屈服阶段后，完全卸载时会产生残余应变。钢材的冷加工强化性能主要有冷拉和冷拔。钢筋经过冷拉处理后，屈服强度一般可比原材料提高约20%35%。对钢筋进行冷拉时，一般采取应力和伸长率的“双控”工艺。冷拉后钢筋没有明显的屈服台阶，但如果将钢筋放置一段时间或者加热后，屈服台阶会再次出现，但是比原材料缩短，但是屈服强度、极限强度有所增长，极限延伸率有所减小，这一现象称为时效。将钢筋强力拉过硬质合金拔丝模，使得钢筋在拉力和横向挤压力的共同作用下缩小直径，这一工艺称为冷拔。钢筋经过冷拔会产生强烈的塑性变形，材料强度得到提高。 软钢长期受力或反复加卸载都不会发生徐变和松弛现象。但是高强钢筋和冷加工钢筋在非弹性变形范围内经受长期反复荷载，会发生这些现象。影响钢材松弛试验结果的主要有以下因素：钢材品种、应力持续时间、应力水平和温度。钢筋和混凝土是两种不同性质的材料，它们为什么能共同工作呢？原因有两点：其一，混凝土在硬化过程中体积收缩，对钢筋产生粘结力(亦叫握裹力)；其二，两者的膨胀系数基本一致 (钢筋为1.210-5/；混凝土为1.0l0-5 1.510-5/ )，受温度影响时，其变动基本相同，不致破坏钢筋混凝土结构的整体性，而导致两者脱离。实践证明，钢筋和混凝土之所以能共同使用，主要条件就是钢筋和混凝土的粘结作用。一个钢筋混凝土梁只有当钢筋沿全长与混凝土可靠地粘结，在荷载作用下此梁的钢筋应力随截面弯矩而变化，才符合梁的基本受力特点。根据混凝土构件中钢筋受力状态的不同，粘结应力状态可分作两类问题：（1）钢筋端部的锚固粘结在简支梁支座处的钢筋端部、梁跨间的主筋搭接或切断、悬臂梁和梁柱节点受拉主筋的外伸段等，钢筋的端头应力为零，在经过不长的锚固长度后，钢筋的应力应能达到其设计强度（软钢的屈服强度fy）。钢筋的应力差大（s=fy），粘结应力值高，且分布变化大。如果钢筋因粘结锚固能力不足而发生滑动，不仅其强度不能充分利用（s(56)d后，试件不再发生劈裂破坏，而是钢筋沿横肋外围切断混凝土而拔出，故粘结强度u不再增大。（3）钢筋埋长 试件的粘结强度随埋长的增加而降低，埋长很大的试件，钢筋加载端达到屈服而不被拔出。（4）钢筋的直径和外形 直径越大的钢筋，相对粘结面积减小，不利于极限粘结强度；肋的外形变化对钢筋的极限粘结强度值差别不大，对滑移值影响稍大。（5）横向箍筋 拔出试件内配设横向箍筋，能延迟和约束径向-纵向劈裂裂缝的开展，阻止劈裂破坏，提高粘结强度和增大特征滑移值（Scr，Su），而且-S下降段平缓，粘结延性好。（6）横向压应力（q） 横向压应力作用在钢筋锚固端，增大了钢筋和混凝土界面的摩阻力，有利于粘结锚固。另外，浇注钢筋混凝土时钢筋所处的位置及混凝土的密实度、骨料的粒径、数量和表面形态等也是影响粘结强度的因素。概括的来说，就是所有与钢筋和混凝土有关的因素都会影响粘结强度。三、混凝土发展前景现在,世界各地基础建设飞速发展，需要大量的建筑材料，其中混凝土用量最大，与混凝土相关的材料消耗也日益增大。根据统计，全球每年混凝土消耗的天然骨料在80亿吨以上。以生产1吨硅盐水泥来计算，所需15吨石灰，还需要一定数量的煤、电、石油等原能，并向大气释放约1吨二氧化碳，还排放一定数量的粉尘、二氧化硫、氮氧化物等重金属污染物。全球二氧化碳等污染物7%来自水泥工业。如此之大的资源消耗和严重的环境污染，如果没有有效的节制措施，将直接威胁着人类和整个地球的生命。但是，社会要前进，人类要发展，基础设施建设也不可能停步，而且还是高速、快速的姿态。面对快速发展建设的需求和日益严重的环境污染，做到既要保证基础建设步伐加快，又要降低资源能源的消耗、减少污染物的排放，这就是我们需要关注并得到解决的矛盾。要使这一矛盾得到解决，混凝土工业须走要可持续发展的道路。目前，混凝土走可持续发展的道路，需解决好四个问题：一是节能减排。利用工业废渣和天然矿物，减少水泥熟料的用量，尤其是工业废渣的利用，具有非常大的潜力。这样做既解决了工业废渣的污染，又节约了混凝土的原材料，一举双赢。同时应加大科研力度，改善水泥生产工艺，做到低排放、低能耗或寻找新型胶凝材料，以替代水泥。二是提高混凝土的耐久寿命。混凝土工业的专家和学者们应从多方面考虑，如何综合各方面的因素，使其耐久寿命的延长。三是基础工业设施建设的规划要科学化、全面化、长远化。不要今天建设，明天挖，这是对能源和资源的最大浪费。四是生态环保应贯穿于混凝土生产和使用的全过程。除了在生产混凝土所消耗资源能源带来的生态环境问题外，混凝土释放有害物质和其废弃物都会影响生态环境，所以，还需加大对混凝土的使用期以及废弃的环境问题研究。近年来，伴随着社会经济的快速发展，混凝土的耐久性等性能指标成为人们对混凝土的重点追求，相继研究、开发出各种特殊良好性能的混凝土，也就是说混凝土由过去的以强度为中心，发展为以耐久性为中心。1990年，美国国家标准与技术研究院NIST及美国混凝土协会ACI联合提出“高性能混凝土”的概念，定义高性能混凝土为同时具有高力学性能、高工作性和高耐久性的匀质混凝土。“高性能混凝土”概念的提出，既是对近年混凝土技术成就的总结，又是对混凝土未来发展的展望，至少在今后，混凝土的高性能化将成为努力方向21。随着对高性能混凝土研究的不断深入，对高性能混凝土的概念，很多专家学者都提出了自己的新看法。国外方面，1990年美国的 Mehta.P.K.提出：高性能混凝土不仅要求高强度，还应具有高耐久性(抗化学腐蚀) 等其他重要性能，如高体积稳定性(高弹性模量, 低的干缩率、低徐变和低的温度变形)、高抗渗性和高工作性等。1992 年法国的Malie把高性能混凝土定义为：高性能混凝土的特点在于具有良好的工作性，高的强度和早期强度，工程经济性高和高耐久性，特别适用于桥梁、港口、核反应堆以及高速公路等重要的混凝土建筑结构。同年，日本小泽一稚和冈村莆提出，高性能混凝土应具有高工作性(高流动性、粘聚性和可浇注性)、低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。然而，具有对比意义的是，加拿大的研究者则将填充废矿井的强度约为1MPa的混凝土亦称为高性能混凝土。国内方面，22蒲心诚教授认为高性能混凝土应具有优良的施工性能、高的硬化后强度、良好的体积稳定性和高的耐久性。他认为，不能因为某种性能好，将满足了工程某种功能要求的混凝土称为高性能混凝土，否则，高性能混凝土涵盖太广，也就失去了高性能混凝土的意义。冯乃谦教授认为，高性能混凝土必须是高强度，且要保证施工的密实性、高的工作度和高的耐久性。他亦指出，耐久性还应与使用的环境相结合，采取相应的对策，仅仅是高强度是不够的。23已故吴中伟院士认为第一，高性能混凝土应以耐久性作为设计的主要指标，针对不同的用途要求，第二，对下列性能有重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。为此，高性能混凝土的配制的特点是低的水胶比，选用优质原材料，除水泥、水、集料外，还必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂24。“高性能混凝土”的概念是基于土木工程的需要，在强调混凝土高强度的同时，兼顾到混凝土的高耐久性和高工作性要求而提出的。但由于不同的领域对高性能混凝土的要求不尽相同，因此，不同的国家、不同的研究者对高性能混凝土概念的界定也不尽相同。在这些定义中，有强调强度的，有强调流动性的，有强调耐久性的，有同时强调流动性、强度和耐久性的。不少研究者还将满足某种功能或某种功能良好的混凝土，都称为高性能混凝土。可见，目前高性能混凝土的定义非常混乱，很不严格。近年来，“绿色高性能混凝土”作为一个重要的概念被提了出来。25它要求在使用混凝土的同时，要同时降低水泥用量、减轻环境污染，合理利用工业三废，有效替代部分水泥、降低混凝土用水量，提高混凝土的工作性、耐久性，延长使用寿命，降低维修费用，减少废弃物，从而减轻混凝土产业对环境的危害，使其成为可持续发展产品。“绿色高性能混凝土”是高性能混凝土的延续与发展。把绿色高性能作为混凝土的发展方向，目的在于加深人们对绿色的重视，加强绿色意识，使混凝土工作者更自觉地提高混凝土的绿色含量或加深其绿色度；节约更多的资源、能源，不仅会使工程建设对环境的破坏减少到最少，而且还有利于环境的改善。这不仅是混凝土材料和土建工程健康发展的需要，也是可持续发展的需要，更是人类生存和发展的需要。绿色混凝土是指制作混凝土的原材料符合节能环保要求，混凝土的制作过程符合保护环境减少污染的要求，混凝土的使用过程能够达到与自然生态系统协调共生，维护生态平衡，实现可持续发展的要求。如再生混凝土、自密实混凝土等都为绿色混凝土。混凝土既符合绿色混凝土的要求，又具备高性能混凝土的特点，即为绿色高性能混凝土，绿色高性能混凝土是混凝土的发展方向。再生混凝土是由废弃的混凝土经过破碎、清洗、分级并按一定比例组合后得到的“再生骨料”作为部分或全部骨料配制而成的混凝土。再生混凝土实现了废旧的混凝土的合理利用，能够节约资源，减少污染。日本在1977年制定了再生骨料和再生混凝土使用规范，并对再生混凝土的性能做了大量研究。美国、德国等国家主要将再生混凝土用于公路工程。我国目前还没有完整的再生混凝土规范，再生混凝土主要用于配置中低强度混凝土，近年来我国对再生混凝土的配置、性能等做了大量研究，取得了一定的成果。有一些道路改造项目，已将再生混凝土用于实际工程，因此再生混凝土会成为高性能混凝土的发展方向。自密实混凝土是不需要用机械振捣，而是依靠混凝土的自重使其达到密实。自密实混凝土在施工中能大大减少混凝土浇捣时间，提高效率，减轻了人的劳动强度，节约了劳动成本，同时，避免了施工过程中人为因素导致的漏振和过振等，混凝土结构更致密、表面光洁，还可以消除施工时振捣产生噪音。自密实混凝土在日本、美国、英国、加拿大、德国等国家的应用已很普遍。自密实混凝土在我国的应用已有一些工程实例，但占我国混凝土总用量的比例还很低。济西国家湿地公园南出入口道路跨南水北调东线工程济平干渠，新建桥梁，采用 50自密实混凝土。西安北站，主站房分三层，建筑面积约1.3万多平方米，采用60自密实混凝土。东莞新区的台商大厦，主楼68层，地下4层，建筑总高度为289，该工程主楼地下层至27层钢管柱使用60自密实混凝土。减少环境污染，保护生态环境，实现经济与自然环境的协调可持续发展是我国的主要目标，因此，在我国推行绿色高性能混凝土具有更重要的实际意义，提高再生混凝土和自密实混凝土的设计与施工水平，使其在更多的实际工程中得到应用。四、心得体会通过这一个学期对钢筋混凝土原理与分析的学习，我对这门课以及研究生阶段如何学习有了初步的认识。1.本科阶段我学习的是钢筋混凝土原理与设计主要是学习“是什么”，比较简单概括的讲了一下原理，重点在于如何运用某种方法进行计算和设计。研究生阶段我学习的是钢筋混凝土原理与分析主要是学习“为什么”，比较详细的介绍各种原理，以及各种试验中试件的受力机理分析，重点在于分析前人研究总结这种原理的过程，即解决问题的思想和方法。2.混凝土是一种非均质、不定向的，且随时间和环境条件而变化的多相混合材料，因此钢筋混凝土力学性能复杂多变。在做试验时，所有与钢筋和混凝土有关的因素都有可能会影响试验的结果，所以在进行试验前应考虑所有影响试验结果的因素，设置多种对比试件，这样才能排除次要因素的影响，得出科学真实的结论。3.钢筋混凝土内部应力状态复杂，在对试验结果进行分析时，时常会做各种简化假设，巧妙并且贴合实际的假设能避免很多分析上的困难。因此，“如何简化假设以及为什么这样简化假设”将会是我学习和实践的重要环节之一。所有前人的研究成果，加深了我们对钢筋混凝土的材料和结构性能的规律性认识，提高了结构设计和施工的水平，促进了钢筋混凝土结构的发展。今后，随着建设事业的发展，钢筋混凝土结构必有更广阔的发展前景。参考文献1王传志,滕志明主编.钢筋混凝土结构理论M.北京.中国建筑工业出版社.198