钢筋混凝土原理和分析

钢筋混凝土原理和分析

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理一力学性能完全不同的材料所组成。混

凝土的抗压力量较强而抗拉力量却很弱。钢材的抗拉和抗压力量都很强。为了充分

采用材料的件能，把混凝土和钢筋这两种材料结合在一起共同工作，使混凝土主要

承受压力，钢筋上要承受拉力，以满意工程结构的使用要求。

一混凝土结构的进展简况及其应用

钢筋混凝土是在19世纪中叶开头得到应用的，由于当时水泥和混凝土的质量都

很差，同时设计计算理论尚未建立，所以进展比较缓慢。直到19世纪末，随着生产

及建设的进展需要.钢筋混凝土的试验工作、计算理论、材料及施工技术均得到了

较快的进展。目前己成为现代工程建设中应用最广泛的建筑材料之一。在工程应用

方面，钢筋混凝土最初仅在最简洁的结构物如拱、板等中使用，随着水泥和钢铁工

业的进展.混凝土和钢材的质量不断改进，强度逐步提高。20世纪20年月以后，混

凝土和钢筋的强度有了提高，消失了装配式钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和

壳体空间结构，构件承载力开头按破坏阶段计算，计算理论开头考虑材料的塑性。

20世纪50年月以后，高强混凝土和高强钢筋的消失使钢筋混凝土结构有了飞速的进

展。装配式混凝土、泵送商品混凝土等工业化的生产结构，使钢筋混凝土结构的应

用范围不断扩大。

近20年来，随着生产水平的提高，试验的深化，计算理论讨论的进展，材料及

施工技术的改进，新型结构的开发讨论，混凝土结构的应用范围在不断的扩大，己

经从工业与民用建筑、交通设施、水利水电建筑和基础工程扩大到近海工程、海底

建筑、地下建筑、核电站平安壳等领域，并已开头构思和试验用于月面建筑。随着

轻质高强材料的使用，在大跨度、高层建筑中的混凝土结构越来越多。近年来，随

着高强度钢筋、高强度高性能混凝土以及高性能外加剂和混合材料的研制使用，高

强高性能混凝土的应用范围不断扩大，钢纤维混凝土和聚合物混凝土的讨论和应用

有了很大的进展。还有，轻质混凝土、加气混凝土、陶粒混凝土以及采用工业废渣

的“绿色混凝土”，不但改善了混凝土的性能而且对节能和爱护环境具有重要的意义。

此外，防射线、耐磨、耐腐蚀、防渗透、保温等特殊的混凝土以及智能型混凝土及

结构也正在讨论中。

我们我国是使用混凝土结构最多的我国，在高层建筑和多层框架中大多采纳钢

筋混凝土结构。在民用建筑中已广泛地采纳定型化、标准化的装配式钢筋混凝土构

件。预应力混凝土用于高层建筑、桥隧建筑、海洋结构、压力容器、飞机跑道及大

路路面等。已建成的88层的上海金茂大厦，高420.5米，是我们我国目前最高的建筑。

电视塔、水塔、水池、冷却塔、烟囱、筒仓等特殊构筑物也普遍采纳了钢筋混凝土

和预应力混凝土，如上海电视塔高468米，当时其高度是亚洲第一。此外，在大跨度

的公共建筑和工业建筑中，钢筋混凝土桁架、门式刚架、拱、薄壳等结构形式也有

广泛的应用。在国外，朝鲜平壤105层的柳京饭店高达319.8米，加拿大多仑多的预

应力混凝土电视塔高达549米，是有代表性钢筋混凝土高层建筑物和预应力混凝土建

筑物。预应力混凝土用于高层建筑、桥隧建筑、海洋结构、压力容器、飞机跑道及

大路路面等方面。

在铁路、大路、城市立交桥、高架桥、地铁隧道以及水利港口等交通工程中，

用钢筋混凝土建筑的水闸、水电站、船坞和码头已是星罗棋布。随着改革开放的深

化，我们我国混凝土结阂的应用将更加广泛，更加丰富多彩。

二、钢筋混凝土结构的分类

1.按结构的受力状态和构造外形，结构可分为杆件系统和非杆件系统。杆件系

统可山受弯、受拉、受压或受扭构件等相互组合面成。非杆件系统可以是空间薄壁

结构或是外形简单的大体积结构。

2.按结构的制造方法，结构可分为整体式、装配式及装配整体式。

整体式结构，大多是结阂外形不规章，而且难以分割制造。它要求整体性强，刚度

大。这类结构必需现场浇筑，这些结构一般位用在工期长的施工现场，它需要有较

多的模板及支撑。装配式结构，外形规章，可由若干标准构件拼组而成。这些标准

构件是在工厂预制，然后运往施工场地装配。采纳装配式结构可使建筑事业工业化,

即设计标准化、制造工厂化、安装机械化，整个施工过程不受季节的限制，施工速

度快，对提高质量、节省材料大有好处。目前在建筑结构中已普遍采纳，但装配式

结构的接头、构造较为简单，整体性较差，对抗渗、抗震也不利，而且必需有肯定

的工厂房屋、起重、装配等机械设施。装配整体式结构是指结构内有一部分为预制

的装配式构件，另一部分为现场浇筑结构。预制部分常可作为现浇部分的模板与支

架，它比整体式结构有较高的工业化程度，比装配式结构有较好的整体性。如多层

框架式房屋结构，多采纳这种结构形式。

3.按结构在使用荷载作用前的应力状态，结构可分为一般钢筋混凝土结构和预

应力钢筋混凝土结构。顶应力钢筋混凝土结构是在结构承受使用荷载作用前，预先

在混凝土内施加应力，造成人为的应力状态，这些应力可全部或部分地抵消由使用

荷载在混凝土中所产生的拉应力。预应力结构的抗裂性能好，承载力量较大，一般

多用于跨度较大的结构。

对上述各种钢筋混凝土结构的类型，在详细选用时，应结合使用要求、施工条

件及经济效益等因素，通过方案比较后再取合。

三、钢筋混凝土结构的特点

钢筋混凝土了能合理采用钢筋和混凝土两种材料的性能外，尚有下列优点：

耐久件：在钢筋混凝土结构中.混凝土的强度随时间的增加而增长，且钢筋受

混凝土的爱护而不易锈蚀，所以钢筋混凝上的耐久性是很好的，不像钢结构那样需

要常常的保养和修理，处于侵蚀性气体或受海水浸泡的钢筋混凝土结构，经过合理

的设计及实行特殊的措施.一般也可满意工程需要。

耐火性：混凝土包裹在钢筋之外，起着爱护作用。若有足够厚度的爱护层，就

不致因火灾饺钢材很快达到软化的危急温度而造成结构的整体破坏。与钢木结构相

比，钠筋混凝土结构的耐火性很好。

整体性：钢筋混凝土结构特殊是现浇的钢筋混凝土结构，由于整体性好，对于

反抗地震作用（或剧烈爆炸时冲击波的作用）具有较好的性能。

可模性：钢筋混凝土可以依据需要浇制成各种外形和尺寸的结构。

就地取材：钢筋混凝上所用的原材料砂和石。一般较易于就地取材。在工业废

料（例如矿渣、粉煤灰等）比较多的地方，还可以将工业废料制成人造骨料用于钢筋

混凝土结构中。

节省钢材：钢筋混凝工结构合理地发挥了材料的性能，在某些状况下可以代替

钢结构、从而节省钢材并降低造价。

出于钢筋混凝土具有上述一系列优点，所以在国内外的工程建设中均得到广泛

应用。

面非匀称受力（即存在应力和应变的梯度），非28天龄期加载，荷载长期持续作用等,

明显都不符合标准试验条件。

这些因素对混凝土的力学性能都有不同程度的影响。本篇介绍了有关的试验讨

论成果，探明其变化规律，以便正确地处理实际工程问题。此外，更有些结构患病

特殊受力条件，如荷载的高速（冲击）作用，疲惫荷载作用，高温柔荷载同时作用

等。

此外，钢筋混凝土结构中，混凝土极少承受单一的单轴压或拉应力状态。即使

是最简洁的梁、板、柱构件，截面上的弯矩和剪力的共同作用产生正应力和剪应力,

支座和集中荷载作用处局部存在横向应力。因此，混凝土的多轴应力状态必需要考

虑。

2基本构件的承载力和变形

工程中最大量的钢筋混凝土结构是由一维构件所组成。在各种荷载作用下，它

们的截面内力无非是轴力、弯矩、剪力和扭矩等，以及其不同组合。即使是二维和

三维结构，也常将其整体或局部等效为、或者简化为一维受力状态，例如将剪力墙

视作截面高而窄的悬臂梁，将核芯筒视作箱形截面的偏压构件，折板的横向由偏心

受压的各折组成，壳体端部的横隔板则为偏心受拉构件，等等。

本篇分别介绍了钢筋混凝土构件在正常工作条件下，承受各种基本内力及其组

合作用下的承载力、裂筵和变形性能、各种主要因素的影响，以及相应的分析原理

和计算方法。

钢筋混凝土构件在不同的内力作用下，其应力分布、变外形况和破坏形态（极

限状态）都各有特点。以试验结果为基础建立的阅历性工程计算方法缺少统一的物

理基础，只能各行其是，互不相通。有限元分析方法的进展，为统一各种构件的计

算制造了条件。

3构件的特殊受力性能

前两篇中介绍的钢筋混凝，材料和基本构件的力学性能，都是针对处丁常常的、

正常工作状态，一般是指室温下，短时间（数小时）内一次施加静力荷载后的反应。

它反映了钢筋混凝土的主要受力特点和性能规律，但是不能完全代表实际结构工程

所处的各种简单环境，以及偶然消失的非正常状况下的特殊受力性能，例如：

非静力作用——厂房和桥梁结构的振动、地震引起的往复振动、爆炸产生的振

动等等

非短期一次加载——荷载多次重复作用的疲惫现象、荷载的长期持续（以年计）

作用、高速荷载（核爆炸、重物撞击）的瞬时作用等等

特别温环境——长期经受高温（200~500度）的烟囱和厂房结构、火灾事故中

的高温或超低温容器等，也包括大体积混凝土中水泥水化热的温度应力。

由于钢筋混凝土材料的力学性能和本构关系在这些特别状况下的巨大变化，引

起构件和结构性能的特殊反应和显著差异，需要分别予以讨论和解决。

此外，混凝土结构建成后，在所处的自然环境和使用条件下，长期地经受温湿

度的交替变化，以及四周水气介质中有害物质的物理和化学侵蚀作用，使结构的外

表和内部消失材料性能劣化和不同程度的裂开、损伤等现象，甚至承载力下降，不

能满意结构在预期年限内连续平安、正常地使用，称为耐久性失效。

五.弯曲刚度和变形

在结构的使用期限内，各种荷载的作用都将产生相应的变形，如梁和板的跨中

挠度、简支端的转角、注和墙的侧向位移等。

构件的变形过大，可能对结构过程产生的不良影响有：

（1）转变结构的内力或承载力

（2）阻碍建筑物的使用功能

（3）引起相连建筑部件的损伤

（4）人们心理的担心全感

钢筋混凝土结构的材料的主体是混凝土，混凝土结构的总体刚度大、肯定变形

小，因而实际工程中很少因变形过大而发生问题。

但是，随着混凝土结构的进展，消失了一些新的状况。例如高强钢筋的采纳降低了

构件的配筋率，使用阶段的应变增大；结构的跨度加大或柱子的高度增加；为了减

轻结构自重而采纳多种空心或箱形截面、薄壁构件，等等。这些因素都使得（构件）

在使用荷载作用下的变形增大，特殊是在混凝土开裂后，以及荷载长期作用下混凝

土发生徐变后，过大的变形可能影响结构的使用性能，甚至平安性。

所以，在设计混凝土结陶时就应当对使用阶段的构件最大变形进行验算，并按允许

值加以限制

1什么是截面的弹性弯曲刚度？

2截面的弹性弯曲刚度是指截面反抗变形的力量，表达式为材料弹性模量或剪

切模量和相应的截面惯性矩或截面面积的乘积

3确定一个钢筋混凝土构件的截面刚度及其变化过程，最简洁、最行之有效的

方法就是进行试验，量测其弯矩-曲率曲线。

4如何计算变形？

5一般状况下钢筋混凝土构件在荷载作用下，各截面的弯矩值不等，其截面刚

度或曲率必随之变化。荷载增大后弯矩值相应增大，各截面的刚度值和其分

布又有变化。

6所以，要精确的计算构件的变形，必需计及各截面刚度的非线性

分布和变化。

弹性弯曲刚度的计算方法主要有以下两种：

（1）有效惯性矩法

21.在钢筋混凝土结构应用的早期，构件的承载力设计和变形（刚度）验算的方法

都引用当时已经成熟的匀质弹性材料的计算方法。

32.其主要原则是将截面上的钢筋，通过弹性模量比值的折换，得到等效的匀

质材料换算截面，推导并建立相应的计算公式。

4这一原则和方法，至今仍在混凝土结构的一些设计和分析状况中应用，例如

开裂前预应力混凝土结构、刚度分析、疲惫验算等。

钢筋混凝土的受弯构件和偏心受压（拉）构件，在受拉区裂缝消失的前后有不同的换

算截面.需分别进行计算。

1）开裂前截而的换算惯性矩

1换算混凝土截面与原钢筋混凝土截面的力学性能等效：

21.构件消失裂缝之前，全截面混凝，受力（压或拉）。拉区钢筋面积为As,其

换算面积为nAs,其中n=Es/Eo为弹性模量比（式7-6）；

32.除了钢筋原位置的面积外，需在截面同一高度处增设附加面积（n—l）As。

钢筋换算面积上的应力与相应截面高度混凝土的应力（£sE0）相等。

4换算截面的总面积为AO=bh+(n-l)As……：12—5)

2)裂缝截面的换算惯性矩

6构件消失裂缝后，假设裂缝截面上拉区的混凝土完全退出工作，只有钢筋担

当拉力，将钢筋的换算面积(nAs)置于相同的截面高度，得到的换算混凝土截

面。

7对此裂缝截面的受压区高度xcr用同样方法确定。

3)有效惯性矩

2钢筋混凝土梁的截面刚度或惯性矩随弯矩值的增大而减小。

3混凝土开裂前的刚度EOIO是其上限值，钢筋屈服、受拉混凝土完全退出工作

后的刚度EOIcr是其下限值。

4在计算构件变形的使用阶段(M/Mu=0.5—0.7),弯矩一曲率关系比较稳定，

刚度值(Bs,图12—1(c))变化幅度小，在工程应用中可取近似值进行计算。

(2)刚度解析法

41.梁的纯弯段，在弯矩作用下消失裂缝，进入裂缝稳定进展阶段后，裂缝的

间距大致匀称。

52.各截面的实际应变分布不再符合平截面假定，中和轴的位置受裂缝的影响

成为波浪形，裂缝截面处的压区高度xcr为最小值。

63.各截面的顶面混凝土压应变和受拉钢筋应变也因此成波浪形变化，平均应

变为£C和£S和”最大应变缸和£S)也消失在裂缝截面。

六梁受力开裂全过程特点

①开头加载到开裂阶段(MWMcr)

这一阶段为弹性阶段，从开头加载到开裂。通过观看g根钢筋混凝土梁的试

验现象以及试验得到的荷载——挠度曲线，可以看到:在加载初期，梁承受的弯矩很

小，截面的应变也很小，荷载—挠度曲线呈线性提升，混凝土处于弹性工作阶段,

应力与应变成正比例，再生混凝上梁和一般混凝_L梁的特性全都。当荷载达到开裂

荷载左右时，钢筋混凝土梁的受拉区混凝土应变达到混凝土的极限拉应变，受拉区

开头消失细小的裂缝，呈现出较大的塑性变形。此后再增加荷载，受拉区混凝土就

会开裂，这时的荷载为开裂弯矩(Mcr)。开裂弯矩与再生骨料替代率无明显相关性。

此时，受压区混凝土的压应力还远远小于混凝土的抗压强度，

所以压区混凝土仍处于弹性阶段。

②带裂缝工作阶段(M<M《My)

弯矩达到开裂弯矩后，连续增加荷载，在纯弯段内或加荷点四周混凝土抗拉

强度较薄弱的截面上，首先消失第一条(批)肉眼可见裂缝。裂缝细而短，靠近

截面下部，与钢筋的轴线垂直相交。此时，裂缝截而拉区混凝土的一部分退出工

作，钢筋的拉应力突增。随着荷载的增加，己有裂缝缓慢的增宽，并向上延长，

隔肯定间隔相继消失新的裂缝。钢筋和混凝土的应力、中和轴位置和挠度等都继

续稳定的增大。大约到达极限荷载的65%左右，裂缝基本出齐，数目不再增加，

最大裂缝宽度大约在0.2mm左右。当荷载接近极限荷载的80%-90%时，纵向钢

筋达到屈服强度，这一阶段结束，这时的弯矩称为屈服弯矩My.

③钢筋屈服后(M>My)

此阶段为破坏阶段，从钢筋屈服到最终破坏。受拉钢筋屈服后，钢筋应力保

持不变或有较小的增幅，弯矩的增量只能靠加大力臂来平衡。此时裂缝快速向上

延长，宽度增加较快，梁的挠度也在快速增大，并伴随有肯定的响声，在纯弯段

内钢筋屈服的截面处形成一条宽度很大、井快速向梁顶进展的主裂缝，而周边的裂

缝则有闭合的迹象，一些细小的裂缝基本上完全闭合。此时梁还可以连续担当

荷载。当连续加载后，梁顶部主裂缝两侧的肯定区域内，受压区混凝土产生了很

大的塑性变形，形成了一个较集中的塑性变形区域，并在塑性区域四周消失有水

平裂纹和鳞片状凸起，受压区实测应变也有很大增加，此时梁的挠度激增，中和

轴快速提升，截面的转角急剧增大，而后受压区混凝土被压酥，随即梁体发生破

坏。

七受弯承载力理论计算

正截面受弯承载力的计算方法

基本假定

(1)平截面假定

构件正截面弯曲变形后，其截面依旧保持平面，截面应变分布听从平截面假

定，即截而内任意点的应变到中和轴的距离成正比，钢筋与外围混凝土的应变相

同。从加载开头至破坏，若受拉区的应变时采纳跨过几条裂缝的长标距量测时，

所测得的破坏区段的混凝土与钢筋的平均应变，基本上符合平截面假定。

(2)不考虑混凝土的抗拉强度，即认为拉力全部由受拉钢筋担当。

(3)混凝土受压应力一一应变关系

(4)钢筋应力一一应变关系

钢筋应力取等于钢筋应变与弹性模量的乘积，但不大于其强度设计值，受拉

钢筋的极限拉应变取0