土木工程reinforced concrete

1、Unit 6Reinforced Concrete Concrete and reinforced concrete are used as building materials in every country. In many, including the United States and Canada, reinforced concrete is a dominant（主要的）主要的） structural material in engineered construction（建造的建筑建造的建筑物）物）. The universal（通用的）通用的）nature of reinf

2、orced concrete construction stems from（归因于）归因于）the wide availability of reinforcing bars（钢筋）钢筋）and the constituents（组成部分）组成部分）of concrete, gravel,sand, and cement, the relatively simple skills required in concrete construction（施工）施工）, and the economy（经济性）经济性）of reinforced concrete compared to other

3、form of construction. Concrete and reinforced concrete are used in bridges, buildings of all sorts（各种各样）各种各样）, underground structures, water tanks, television towers, offshore oil exploration and production structures（近海石油开采和生产近海石油开采和生产结构）结构）, dams, and even in ships. 混凝土与钢筋混凝土作为建筑材料在每混凝土与钢筋混凝土作为建筑材

4、料在每个国家被使用着。在很多国家，包括美国和个国家被使用着。在很多国家，包括美国和加拿大，钢筋混凝土是建造的建筑物中主要加拿大，钢筋混凝土是建造的建筑物中主要的结构材料。钢筋混凝土建筑物通用的特性的结构材料。钢筋混凝土建筑物通用的特性归因于能大量得到钢筋和混凝土的组分（即归因于能大量得到钢筋和混凝土的组分（即碎石、砂和水泥），混凝土施工需要相对简碎石、砂和水泥），混凝土施工需要相对简单的技术，以及与其他形式的建筑相比钢筋单的技术，以及与其他形式的建筑相比钢筋混凝土的经济性。混凝土与钢筋混凝土用于混凝土的经济性。混凝土与钢筋混凝土用于桥梁、各种房屋、地下结构、水箱、电视塔、桥梁、各种房屋、地下结

5、构、水箱、电视塔、近海石油开采和生产结构、大坝甚至船舶。近海石油开采和生产结构、大坝甚至船舶。Mechanics of Reinforced Concrete钢筋混凝土的力学钢筋混凝土的力学 Concrete is strong in compression but weak in tension. As a result, cracks develop（形成）形成）whenever（每当）每当）loads, or restrained shrinkage（收缩限制）收缩限制）or temperature changes, give rise to（导致）导致）tensile stresses

6、 in excess of（超过）超过）the tensile strength of the concrete. In the plain concrete（素混凝土）素混凝土）beam, the moments due to applied loads are resisted by an internal tension-compression couple（拉压力偶）拉压力偶）involving tension in the concrete. Such a beam fails very suddenly and completely when the first crack for

7、ms. In a reinforced concrete beam, steel bars（钢筋）钢筋）are embedded in the concrete in such a way that the tension forces needed for moment equilibrium after the concrete cracks can be developed in the bars. 混凝土受压强、受拉弱。因此，每当受混凝土受压强、受拉弱。因此，每当受荷、收缩受阻或温度变化引起的拉应力超荷、收缩受阻或温度变化引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，便会发生开裂。过混凝土的抗拉

8、强度时，便会发生开裂。在素混凝土梁中，因外力引起的力矩由内在素混凝土梁中，因外力引起的力矩由内部的拉部的拉-压形成的力偶来抵抗，此力偶中包压形成的力偶来抵抗，此力偶中包含了混凝土的拉力。当第一条裂缝形成时，含了混凝土的拉力。当第一条裂缝形成时，此梁会突然、完全地失效。在钢筋混凝土此梁会突然、完全地失效。在钢筋混凝土梁中，钢筋埋置在混凝土内的方式应能使梁中，钢筋埋置在混凝土内的方式应能使混凝土开裂后在钢筋中产生平衡力矩所需混凝土开裂后在钢筋中产生平衡力矩所需的拉力。的拉力。 The construction（施工）施工）of a reinforced concrete member involv

9、es building a form or mold（模具）模具）in the shape of the member being built. The form must be strong enough to support the weight and hydrostatic pressure（静水压力）静水压力）of the wet concrete, and any forces applied to it by workers, concrete buggies（料料车）车）, wind, and so on. The reinforcement（钢筋）钢筋）is placed i

10、n this form and held in place（固定就位）固定就位）during the concreting（用混凝土浇筑）用混凝土浇筑）operation. After the concrete has hardened, the forms are removed（拆除）拆除）. 钢筋混凝土构件的施工包括以在建构件的形状搭钢筋混凝土构件的施工包括以在建构件的形状搭建模板或模具。模板必须足够强劲以支承湿混凝土的建模板或模具。模板必须足够强劲以支承湿混凝土的重量和静水压力，以及任何由工人、混凝土料车、风重量和静水压力，以及任何由工人、混凝土料车、风等施加给它的力。钢筋置于模板中，

11、并在混凝土浇筑等施加给它的力。钢筋置于模板中，并在混凝土浇筑过程中固定就位。当混凝土硬化后便拆除模板。过程中固定就位。当混凝土硬化后便拆除模板。 The choice of whether a structure should be built of concrete, steel, masonry, or timber（木木材）材）depends on the availability（可得性）可得性）of materials and on a number of（许多）许多）value decisions（价值判断）价值判断）. 一个结构选择由混凝土、钢材、砌体还是一个结构选择由混凝土、钢

12、材、砌体还是木材建造取决于材料的可得性和许多价值判断。木材建造取决于材料的可得性和许多价值判断。Factors Affecting Choice of Concrete For a Structure 影响一个结构选择混凝土的因素影响一个结构选择混凝土的因素Economy Frequently, the foremost（最重要的）最重要的）consideration is the overall cost（总费用）总费用）of the structure. This is, of course, a function of the costs（费用函数）费用函数）of the materia

13、ls and the labor necessary to erect them. Frequently, however, the overall cost is affected as much or more by the overall construction time（总的建造时间）总的建造时间）since the contractor and owner must allocate（分配）分配）money（资金）资金）to carry out the construction and will not receive a return on this investment （收回

14、投资）收回投资）until the building is ready for occupancy（居住）居住）. As a result, financial savings（财务的节约）财务的节约）due to rapid construction may more than offset（足以抵消）足以抵消）increased material costs. Any measures designer can take to standardize the design and forming（加工）加工）will generally pay off（使人使人得益）得益）in reduc

15、ed overall costs. 经济性经济性 最重要的考虑常常是该结构的总最重要的考虑常常是该结构的总费用。当然，这是一个建造结构而必需的材费用。当然，这是一个建造结构而必需的材料和劳动力费用的函数。但是，总费用经常料和劳动力费用的函数。但是，总费用经常同样地或更多地受总的建造时间的影响，因同样地或更多地受总的建造时间的影响，因为承包商和业主必须分配资金来进行建造，为承包商和业主必须分配资金来进行建造，并直到建筑物可以使用才能收回投资。因快并直到建筑物可以使用才能收回投资。因快速施工而使财务的节约可足以抵消增加的材速施工而使财务的节约可足以抵消增加的材料费用。设计者为使设计和加工标准化所采

16、料费用。设计者为使设计和加工标准化所采取的任何措施通常都将在降低的总费用中得取的任何措施通常都将在降低的总费用中得益。益。 In many cases the long-term economy（长期的经济性）长期的经济性）of the structure may be more important than the first cost. As a result, maintenance（维护）维护）and durability（耐久性）耐久性）are important considerations. 在很多情况下，结构长期的经济性可能在很多情况下，结构长期的经济性可能比初始费用更重要。因

17、此，维护和耐久性是比初始费用更重要。因此，维护和耐久性是重要的考虑因素。重要的考虑因素。Suitability of Material for Architectural and Structural Function A reinforced concrete system frequently allows the designer to combine the architectural and structural functions（功能）功能）. Concrete has the advantage that it is placed in a plastic condition（

18、塑性状态）塑性状态）and is given the desired shape and texture（密度）密度）by means of the forms and the finishing techniques（加工技术）加工技术）. This allows such elements（构件）构件）as flat plates or other types of slabs to serve as load-bearing elements while providing the finished floor and ceiling surface（楼面和顶棚面）楼面和顶棚面）. Si

19、milarly, reinforced concrete walls can provide architecturally attractive surfaces in addition to having the ability to resist gravity, wind, or seismic loads. Finally, the choice of size or shape is governed（决定）决定）by the designer and not by the availability of standard manufactured members.材料对建筑和结构

20、功能的适应性材料对建筑和结构功能的适应性 钢筋混凝土钢筋混凝土系统常常允许设计者将建筑和结构的功能结合起系统常常允许设计者将建筑和结构的功能结合起来。混凝土的优势是能以塑性的状态放置，并通来。混凝土的优势是能以塑性的状态放置，并通过模板和加工技术给出需要的形状和密度。当楼过模板和加工技术给出需要的形状和密度。当楼面和顶棚面完成时，允许这些构件诸如平面板或面和顶棚面完成时，允许这些构件诸如平面板或其他类型的板充当受力构件。类似地，钢筋混凝其他类型的板充当受力构件。类似地，钢筋混凝土墙除了能抵抗重力、风或地震荷载外，还能提土墙除了能抵抗重力、风或地震荷载外，还能提供建筑上吸引人的外观。最后，尺寸和

21、形状的选供建筑上吸引人的外观。最后，尺寸和形状的选择由设计者来决定，而不是由标准制造构件的可择由设计者来决定，而不是由标准制造构件的可得性来决定。得性来决定。Fire Resistance The structure in a building must withstand the effects of a fire and remain standing（直立）直立）while the building is evacuated（撤空）撤空）and the fire is extinguished（熄灭）熄灭）. A concrete building inherently（固有地）固有地）

22、has a 1- to 3-hour fire rating（耐火等级）耐火等级）without special fireproofing （防火）防火）or other details（说明）说明）. Structural steel or timber（钢结构或木结构）钢结构或木结构） buildings must be fireproofed to attain similar fire ratings.抗火性抗火性 当房屋被撤空、火被熄灭时，建筑中的结当房屋被撤空、火被熄灭时，建筑中的结构必须经得起火的影响，并仍能保持直立。混凝土构必须经得起火的影响，并仍能保持直立。混凝土房屋在没有采

23、取特殊的防火措施或其他说明的情况房屋在没有采取特殊的防火措施或其他说明的情况下本来就有下本来就有1-3小时的耐火等级。钢结构或木结构的小时的耐火等级。钢结构或木结构的房屋必须采取防火措施，以得到相似的耐火等级。房屋必须采取防火措施，以得到相似的耐火等级。Rigidity The occupants of a building may be disturbed （干扰）干扰）if their building oscillates（摇动）摇动）in the wind or the floors vibrate as people walk by（走过）走过）. Due to the greate

24、r stiffness and mass（刚度和质量）刚度和质量）of a concrete structure, vibrations are seldom a problem.刚性刚性 如果房屋在风中摇动，或者人们走过如果房屋在风中摇动，或者人们走过时底板振动，则房屋的居住者可能会被干扰。时底板振动，则房屋的居住者可能会被干扰。由于混凝土结构具有较大的刚度和质量，振由于混凝土结构具有较大的刚度和质量，振动很少成为问题。动很少成为问题。Low Maintenance Concrete members inherently require less maintenance than do st

25、ructural steel or timber members （结构钢构件或结构木构件）结构钢构件或结构木构件）. This is particularly true（尤其正确）尤其正确）if dense, air-entrained concrete has been used for surfaces exposed to the atmosphere, and if care has been taken in the design to provide adequate drainage off and away （使水排出）使水排出） from the structure.低维护

26、性低维护性 混凝土构件比结构钢构件或结构木构件混凝土构件比结构钢构件或结构木构件需要的维护本来就少。特别是当暴露在空气中的表需要的维护本来就少。特别是当暴露在空气中的表面混凝土采用密实的加气混凝土，并在设计中小心面混凝土采用密实的加气混凝土，并在设计中小心地让水分充分地排出结构时更是如此。地让水分充分地排出结构时更是如此。Availability of Materials Sand, gravel, cement, and concrete mixing facilities（搅拌设施）搅拌设施） are very widely available, and reinforcing steel

27、（钢筋）钢筋）can be transported to most job sites（施工现场）施工现场）more easily than can structural steel（结构钢）结构钢）. As a result, reinforced concrete is frequently used in remote areas.材料的可得性材料的可得性 砂、碎石（砾石）、水泥以及混砂、碎石（砾石）、水泥以及混凝土的搅拌设施可以非常广泛的得到，且钢筋比凝土的搅拌设施可以非常广泛的得到，且钢筋比结构钢更容易地运至多数施工现场。因此，钢筋结构钢更容易地运至多数施工现场。因此，钢筋混凝土经常

28、用在偏远的区域。混凝土经常用在偏远的区域。 On the other hand, there are a number of factors that may cause one to select a material other than (.除外，不是除外，不是.）reinforced concrete. These include： 另一方面，有许多因素可能导致一个另一方面，有许多因素可能导致一个人选择的材料不是钢筋混凝土。这包括：人选择的材料不是钢筋混凝土。这包括：Low Tensile Strength As stated（叙述）叙述）earlier, the tensile st

29、rength of concrete is much lower than its compressive strength (about 1/10), and hence concrete is subject to（易易遭受）遭受）cracking. In structural uses this is overcome by using reinforcement to carry tensile forces and limit crack widths（宽度）宽度）to within acceptable values. Unless care is taken in design

30、and construction, however, these cracks may be unsightly（难看）难看）or may allow（使使.能）能）penetration（渗透）渗透）of water.低的抗拉强度低的抗拉强度 正如前面所述的，混凝土的抗拉强度正如前面所述的，混凝土的抗拉强度比它的抗压强度要低得多（约比它的抗压强度要低得多（约1/10），因而混凝土易遭受），因而混凝土易遭受开裂。在结构使用中，通过采用钢筋承受拉力，并限制开裂。在结构使用中，通过采用钢筋承受拉力，并限制裂缝宽度在可接受的数值内来克服这一点。但是，除非裂缝宽度在可接受的数值内来克服这一点。但是，除

31、非在设计与施工中小心谨慎，否则这些裂缝可能会难看或在设计与施工中小心谨慎，否则这些裂缝可能会难看或使水渗透。使水渗透。Forms and Shoring The construction of a cast-in-place structure（现浇结构）现浇结构）involves（涉及）涉及）three steps（步骤）步骤）not encountered in the construction of steel or timber structures. These are (a) the construction of the forms, (b) the removal（拆除）拆除）

32、of these forms, and (c) propping or shoring（支撑）支撑）the new concrete to support its weight until its strength is adequate. Each of these steps involves（包含）包含）labor（人工）人工）and/or materials which are not necessary with other forms of construction（建筑形式）建筑形式）.模板和支撑模板和支撑 现浇结构的施工涉及到三个步骤在钢结构现浇结构的施工涉及到三个步骤在钢结构

33、或木结构的施工中不会遇到。它们是或木结构的施工中不会遇到。它们是(a)模板的施工；模板的施工；(b)模模板的拆除；板的拆除；(c)支撑新浇混凝土，支撑其重量直至混凝土达支撑新浇混凝土，支撑其重量直至混凝土达到足够的强度。每一步都包括其他建筑形式中不必要的人工到足够的强度。每一步都包括其他建筑形式中不必要的人工和和/或材料。或材料。Relatively Low Strength Per Unit of Weight or Volume The compressive strength of concrete is roughly 5% to 10% that of steel, while it

34、s unit density is roughly 30% that of steel. As a result, a concrete structure requires a larger volume and a greater weight of material than does a comparable（类似的）类似的） steel structure. As a result, long-span structures（大跨结构）大跨结构）are often built from steel.相对低的单位重量或单位体积的强度相对低的单位重量或单位体积的强度 混凝土混凝土的抗压强

35、度大约是钢材的的抗压强度大约是钢材的5%-10%，而它的单位密度，而它的单位密度约是钢材的约是钢材的30%。因此，混凝土结构与类似的钢结构。因此，混凝土结构与类似的钢结构相比需要较大的材料体积和较重的材料重量。因此，相比需要较大的材料体积和较重的材料重量。因此，大跨结构常常由钢材制造。大跨结构常常由钢材制造。Time-dependent volume changes Both concrete and steel undergo approximately the same amount of thermal expansion and contraction. Because there i

36、s less mass of steel to be heated or cooled（变热或变变热或变冷）冷）, and because steel is a better conductor（导体）导体）than concrete, a steel structure is generally affected by temperature changes to a greater extent （程度）程度）than is a concrete structure. On the other hand, concrete undergoes drying shrinkage（干缩）干缩）

37、, which, if restrained, may cause deflections or cracking. Furthermore, deflections will tend to increase with time（随时间）随时间）, possibly doubling（双倍）双倍）, due to creep（徐变）徐变）of the concrete under sustained loads（持续荷载）持续荷载）.体积随时间变化体积随时间变化 混凝土与钢筋都经过了大混凝土与钢筋都经过了大约相同量的热膨胀和收缩。因为变热或变冷的约相同量的热膨胀和收缩。因为变热或变冷的钢材质

38、量较少，且钢材与混凝土相比是一种较钢材质量较少，且钢材与混凝土相比是一种较好的导体，因此，钢结构通常受温度变化的影好的导体，因此，钢结构通常受温度变化的影响程度比混凝土结构要大。另一方面，混凝土响程度比混凝土结构要大。另一方面，混凝土经历了干缩，如果受到约束，干缩可能会引起经历了干缩，如果受到约束，干缩可能会引起挠度或开裂。而且，挠度往往会随着时间增加，挠度或开裂。而且，挠度往往会随着时间增加，其值由于混凝土在持续荷载作用下的徐变而可其值由于混凝土在持续荷载作用下的徐变而可能会是两倍。能会是两倍。 The first set of building regulations（建筑规范）建筑规范）

39、for reinforced concrete were drafted（起草）起草）under the leadership of（在在.的领导下）的领导下） Professor Morsch of the University of Stuttgart and were issued（发布）发布）in Prussia in 1904. Design regulations were issued in Britain, France, Austria, and Switzerland between 1907and 1909. 在在Stuttgart（斯图加特）大学斯图加特）大学Morsc

40、h教授的教授的领导下起草了第一套钢筋混凝土的建筑规范，并领导下起草了第一套钢筋混凝土的建筑规范，并于于1904年在年在Prussia（普鲁士）发布。普鲁士）发布。1907-1909年年在英国、法国、奥地利和瑞士发布了设计规范。在英国、法国、奥地利和瑞士发布了设计规范。Building Codes 建筑规范建筑规范 The American Railway Engineering Association（协会）协会） appointed（任命）任命）a Committee on Masonry（砌体委员会）砌体委员会）in 1890. In 1903 this committee present

41、ed（提出）提出）specifications for Portland cement concrete. Between 1908 and 1910 a series of committee reports led to the Standard Building Regulations for the Use of Reinforced Concrete published（发表）发表）in 1910 by the National（国家的）国家的）Association of Cement Users（用户）用户）which subsequently（随后）随后）became the

42、American Concrete Institute（协会）协会）. 美国的铁路工程协会在美国的铁路工程协会在1890年任命了一个砌体委年任命了一个砌体委员会。该委员会在员会。该委员会在1903年提出了波特兰水泥混凝土的年提出了波特兰水泥混凝土的规范。规范。1908-1910间，一些列的委员会报告使国家水泥间，一些列的委员会报告使国家水泥用户协会在用户协会在1910年发表了钢筋混凝土使用的标准建筑年发表了钢筋混凝土使用的标准建筑规范，其随后成为美国混凝土协会。规范，其随后成为美国混凝土协会。 A Joint Committee（联合委员会）联合委员会）on Concrete and Rein

43、forced Concrete was established in 1904 by the American Society of Civil Engineers（土木工程师协会）土木工程师协会）, American Society for Testing and Materials, the American Railway Engineering Association, and the Association of American Portland Cement Manufactures. This group was later joined by（加入）加入）the Americ

44、an Concrete Institute. Between 1904 and 1910 the Joint Committee carried out research. A preliminary （初步的）初步的）report issued in 1913 lists the more important papers and books on reinforced concrete published（发表）发表）between 1898 and 1911. The final report of this committee was published in 1916. The hi

45、story of reinforced concrete building codes in the United States was reviewed（回顾）回顾）in 1954 by Kerekes and Reid. 水泥与钢筋混凝土的联合委员会于水泥与钢筋混凝土的联合委员会于1904年建立，包括美国土木工程师协会、年建立，包括美国土木工程师协会、美国测试和材料协会、美国铁路工程协会美国测试和材料协会、美国铁路工程协会和美国波特兰水泥制造协会。该团体中后和美国波特兰水泥制造协会。该团体中后来又加入了美国混凝土协会。在来又加入了美国混凝土协会。在1904-1910年间，联合委员会进行了研

46、究。在年间，联合委员会进行了研究。在1913年年发布的初步报告中列出了在发布的初步报告中列出了在1898-1911年间年间发表的关于钢筋混凝土的较重要的文件和发表的关于钢筋混凝土的较重要的文件和书籍。该委员会最后的报告发表于书籍。该委员会最后的报告发表于1916。Kerekes and Reid在在1954对钢筋混凝土建筑对钢筋混凝土建筑规范在美国的发展历史作了回顾。规范在美国的发展历史作了回顾。 The design and construction of buildings is regulated（控制）控制）by municipal bylaws（市政细则）市政细则）called bu

47、ilding codes. These exist to protect（用以保护）用以保护）the public health and safety. Each city and town is free to（允许）允许）write（编编制）制）or adopt its own building code, and in that city or town, only that particular code has legal status（合法地位）合法地位）. Because of the complexity of building code writing, cities in

48、the United States generally base their building codes on one of three model（典型）典型）codes: the Uniform（统一）统一）Building Code, the Standard Building Code, or the Basic Building Code. These codes cover（包括）包括） such things as use and occupancy requirements, fire requirements, heating and ventilating（供热和通风）供热和通风） requirements, and structural design. 建筑的设计和施工是由称为建筑规范的建筑的设计和施工是由称为建筑规范的市政细则来控制的。这些规范是用以保护公市政细则来控制的。这些规范是用以保护公众的健康和安全。每个城市和城镇允许编制众的健康和安全。每个城市和城镇允许编制或采用其自己的建筑规范，并且在那个城市或采用其自己的建筑规范，并且在那个城市或城镇只有那个特定的规范才有合法的地位。或城镇只有那个特定的规范才有合法的地位。由于建筑规范编制的复杂性，美国的城市通由于建筑规范编制的复杂性，美国的城市通常将它们的建筑规范以三个典型规范中的一