《鋼筋混凝土原理和分析(過鎮(zhèn)海)》讀書報告

1、混凝土與砌體結(jié)構(gòu)基本理論讀書筆記一、 概述鋼筋混凝土原理和分析主要介紹了鋼筋和混凝土共同作用的基本特點和主要受力性能。鋼材與混凝土在材料本質(zhì)和力學性能上存在巨大差別，但是正是兩者的差別，形成了性能上的互補，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)成為目前使用最為廣泛的建筑結(jié)構(gòu)。二、 鋼筋的力學性能鋼材是混凝土結(jié)構(gòu)中主要承受拉力的材料。建筑結(jié)構(gòu)中，主要使用的有低碳鋼以及低合金鋼。鋼材根據(jù)使用類型的不同，又可分為鋼筋、高強鋼絲、型鋼和鋼絲網(wǎng)水泥等。鋼筋的截面一般為圓形，表面形狀可根據(jù)結(jié)構(gòu)具體要求進行加工，主要有光面、螺紋、人字紋、月牙紋、竹節(jié)形和扭轉(zhuǎn)形。混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋種類根據(jù)其軋制工藝、表面形狀和強度等級進行分類，設(shè)計

2、規(guī)范建議采取的鋼種有：HPB235、HRB335、HRB400、RRB400、HRB400。這些鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都有銘心啊的屈服臺階，因此屬于“軟鋼”。碳素鋼絲經(jīng)過冷拔和熱處理可以達到很高的抗拉強度，但是無明顯屈服臺階，屬于“硬鋼”，主要應(yīng)用于預應(yīng)力結(jié)構(gòu)。角鋼、槽鋼、工字鋼和鋼板、鋼管等鋼構(gòu)件統(tǒng)稱為型鋼，都可應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)，形成型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。鋼絲網(wǎng)水泥主要用細鋼絲編制成的網(wǎng)片作為配筋，澆筑水泥砂漿后成為薄板狀。鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，一般采用原鋼筋試件進行拉伸試驗加以測定。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上有無明顯屈服臺階，可以將鋼材分為軟鋼和硬鋼。軟鋼的典型拉伸曲線如下所示：軟鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)

3、系可以大致劃分為彈性階段、屈服臺階階段、強化階段和頸縮階段。其計算模型又可分為以下幾類，數(shù)學復雜性和擬真度各有不同。硬鋼的拉伸曲線沒有明顯的屈服臺階，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要對這類鋼材定義一個名義屈服強度作為設(shè)計值，這一值通常取殘余應(yīng)變?yōu)?.210-2時的應(yīng)力作為屈服點，經(jīng)過折算得出?；炷两Y(jié)構(gòu)在承受重復荷載或反復荷載的多次作用時，其中所配設(shè)的鋼筋相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)力的多次加卸過程。鋼筋在屈服點以前卸載和再加載，完全卸載后不會產(chǎn)生殘余應(yīng)變；在進入屈服階段后，完全卸載時會產(chǎn)生殘余應(yīng)變。鋼材的冷加工強化性能主要有冷拉和冷拔。鋼筋經(jīng)過冷拉處理后，屈服強度一般可比原材料提高約20%35%。對鋼筋進行冷拉時，一般

4、采取應(yīng)力和伸長率的“雙控”工藝。冷拉后鋼筋沒有明顯的屈服臺階，但如果將鋼筋放置一段時間或者加熱后，屈服臺階會再次出現(xiàn)，但是比原材料縮短，但是屈服強度、極限強度有所增長，極限延伸率有所減小，這一現(xiàn)象稱為時效。將鋼筋強力拉過硬質(zhì)合金拔絲模，使得鋼筋在拉力和橫向擠壓力的共同作用下縮小直徑，這一工藝稱為冷拔。鋼筋經(jīng)過冷拔會產(chǎn)生強烈的塑性變形，材料強度得到提高。軟鋼長期受力或反復加卸載都不會發(fā)生徐變和松弛現(xiàn)象。但是高強鋼筋和冷加工鋼筋在非彈性變形范圍內(nèi)經(jīng)受長期反復荷載，會發(fā)生這些現(xiàn)象。影響鋼材松弛試驗結(jié)果的主要有以下因素：鋼材品種、應(yīng)力持續(xù)時間、應(yīng)力水平和溫度。三、 鋼筋與混凝土的粘結(jié)根據(jù)混凝土構(gòu)件中鋼

5、筋受力狀態(tài)的不同，鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力狀態(tài)可以分為兩類問題：端部錨固粘結(jié)和裂縫間粘結(jié)。鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力或者抗滑移力，由3部分組成：1、混凝土中的水泥膠體在鋼筋表面產(chǎn)生的化學粘著力或吸附力；2、周圍混凝土對鋼筋的摩阻力；3、鋼筋表面粗糙不平，或變形鋼筋凸肋和混凝土之間的機械咬合作用。結(jié)構(gòu)中鋼筋粘結(jié)部位的受力狀態(tài)復雜，現(xiàn)有兩類鋼筋拔出試驗方法，采用不同形狀和受力狀態(tài)的試件，分別為拉式試驗和梁式試驗?；炷梁弯摻畹恼辰Y(jié)性能受到多種因素的影響而變化?；炷翉姸仁瞧渲幸环N因素，它和鋼筋的化學粘結(jié)力和機械咬合力隨強度的提高而增加，但是對摩阻力抗滑力的影響不大，有些研究還表明，水泥用量、水灰比等也

6、對其粘結(jié)性能有一定影響。鋼筋的保護層厚度也對粘結(jié)性能有影響。增大保護層厚度可以加強外圍混凝土的抗劈裂性能，顯然能提高試件的極限粘結(jié)強度。但是當保護層厚度大于56倍鋼筋直徑后，試件不再發(fā)生劈裂破壞，故粘結(jié)強度不再增大。鋼筋的埋長、鋼筋直徑和外形、橫向箍筋、橫向壓應(yīng)力等也對鋼筋混凝土之間的粘結(jié)性能有一定影響。四、 軸向受力特性鋼筋混凝土柱在壓力作用下發(fā)生壓縮變形。從開始受力直至破壞，截面上個點應(yīng)變值相等。構(gòu)件的應(yīng)變關(guān)系如下：在軸心受壓條件下，鋼筋混凝土柱的本構(gòu)關(guān)系如下：軸心受力構(gòu)件只有一個內(nèi)外力平衡條件：柱子承受軸向壓力后，應(yīng)力和變形反應(yīng)，以及柱的極限承載力等都可以運用上述基本方程，分階段地進行分

7、析。受拉構(gòu)件在軸心拉力N的作用下的應(yīng)變和變形狀態(tài)也必須分階段進行分析，三類基本方程稍有變化：幾何條件：本構(gòu)關(guān)系：力學平衡條件：各階段的應(yīng)力和應(yīng)變分析可以分為混凝土開裂前、混凝土開裂后，鋼筋屈服前以及鋼筋屈服后進行分析。在混凝土開裂前，受拉桿的N-關(guān)系和s、t隨N的變化與軸受壓柱的受力初期相似?；炷灵_裂后很快退出工作，裂縫附近局部粘結(jié)破壞，前述幾何條件已經(jīng)不能成立。裂縫截面上只有鋼筋承受軸拉力。從混凝土達峰值應(yīng)變起，至完全退出工作，軸拉力的增量很小，鋼筋應(yīng)力卻沒有突變。鋼筋屈服時，混凝土的開裂情況嚴重，已經(jīng)不再承受拉力，全部軸力由鋼筋承受，若不考慮鋼筋強化階段，鋼筋的屈服就成為拉桿的極限狀態(tài)。

8、從以上分析可知，桿件的開裂軸力主要取決于混凝土的抗拉力，鋼筋量的多寡對其影響很??；而桿件的極限軸力完全取決于鋼筋的抗拉力。如果減小配筋量，極限軸力將按比例減小。當配筋率過小時，將出現(xiàn)計算極限軸力小于開裂軸力的情況，這種構(gòu)件稱為少筋構(gòu)件。少筋構(gòu)件會很快地發(fā)生脆性破壞，工程中一般不宜采用，因此為避免這種情況，規(guī)定了構(gòu)件的最小配筋率，應(yīng)該滿足，即：這是最小配筋率的理論計算式，實際應(yīng)用時還應(yīng)考慮混凝土材料的離散性、環(huán)境條件和工程經(jīng)驗等因素加以適當調(diào)整。受拉構(gòu)件開裂后，混凝土對其承載力已經(jīng)不起作用。但是，混凝土的存在使裂縫間鋼筋的應(yīng)力減小，平均應(yīng)變小于裂縫截面的應(yīng)變，減小了構(gòu)件的伸長，亦提高了構(gòu)件的剛度

9、，故稱為受拉剛化效應(yīng)。鋼筋混凝土組合截面在軸心受力下的性能分析，可以歸納為以下一般性規(guī)律：1、 從開始受力直到破壞，截面應(yīng)力狀態(tài)不斷地發(fā)生充分不，是一個非線性變化的全過程。2、 構(gòu)件的力學反應(yīng)，不僅取決于混凝土和鋼筋各自的本構(gòu)關(guān)系，還因而這的相對值和鋼筋構(gòu)造不同而有很大變化。3、 鋼筋和混凝土兩種材料一般不會同時達到各自強度指標。4、 構(gòu)件受力全過程應(yīng)變都符合平截面分布。5、 混凝土開裂后，鋼筋和混凝土的應(yīng)力沿軸線的分布不再均勻。五、 約束混凝土沿軸壓力或最大主壓應(yīng)力的垂直方向配置鋼筋，以約束其內(nèi)部混凝土的橫向膨脹變形，從而提高軸向抗壓承載力，成為橫向配筋或間接配筋。螺旋箍筋柱是指在受壓柱內(nèi)配

10、設(shè)連續(xù)的螺旋形箍筋或單獨的焊接圓形箍筋，且箍筋沿柱軸線的間距較小，構(gòu)造形式如下：螺旋箍筋柱的受壓軸力-應(yīng)變曲線如下所示：在柱應(yīng)變低于素混凝土峰值應(yīng)變時，混凝土的橫向膨脹變形很??；當柱的應(yīng)變增大后，箍筋外圍混凝土進入應(yīng)力下降段，開始形成縱向裂縫，并逐漸擴展，發(fā)生表層剝落，使得這部分的混凝土承載力降低；繼續(xù)加大柱子應(yīng)變，核芯混凝土的橫向膨脹和箍筋應(yīng)力不斷增大，此時，柱的縱向應(yīng)變已經(jīng)很大，外圍混凝土即使未全部剝落，所剩壓應(yīng)力也極小了。螺旋箍筋混凝土柱的承載力提高，特別是其變形性能的改善是其主要受力特點，工程中可充分利用。螺旋箍筋柱的受力過程中，其極限承載力有兩個控制值：縱筋受壓屈服，全截面混凝土達到

11、棱柱體抗壓強度；箍筋屈服后，核芯混凝土達到約束抗壓強度。矩形截面構(gòu)件內(nèi)的箍筋沿截面周邊平行布置，矩形組合截面也采用多個矩形箍筋組成平行于周邊的橫向筋。故矩形箍筋是最普遍的橫向筋形式。矩形箍筋約束混凝土的受力性能已有許多試驗和理論的研究。其受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€隨主要影響因素的增大而有很大變化，由明顯的陡峰曲線向平緩、豐滿、且在極限強度附近有巨大變形平臺的曲線過渡。矩形箍筋柱在軸壓力的作用下，核芯混凝土的橫向膨脹變形使箍筋的直線段產(chǎn)生水平彎曲。箍筋的抗彎剛度極小，它對核芯混凝土的反作用力很小。另一方面，箍筋的轉(zhuǎn)角部剛度大，變形小，兩個垂直方向的拉力合成對核芯混凝土對角線防線的強力約束。故核芯混凝土

12、承受的約束力是沿對角線的集中擠壓力和沿箍筋分布的很小橫向力。箍筋對約束混凝土的增強作用，因配箍數(shù)量和構(gòu)造而變化，主要因素如下：約束指標、箍筋間距、箍筋的構(gòu)造和形式。描述約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的幾種典型模型有Sargin模型和Sheikh模型以及數(shù)值計算的全過程分析方程以及經(jīng)驗公式。鋼管混凝土是約束混凝土的一種特例。鋼管混凝土具有承載力高、延性極好等優(yōu)越的力學性能，還具備面積小、結(jié)構(gòu)自重輕、節(jié)點構(gòu)造方面、免除模板和鋼筋加工、施工快速、減少混凝土用量等工程優(yōu)點。鋼管混凝土的主要參數(shù)也是約束指標或稱套箍指標，其物理意義與螺旋箍筋的約束指標相同。結(jié)構(gòu)體系中各種構(gòu)件間傳遞壓力時，經(jīng)常出現(xiàn)的一種情況是

13、，集中力作用的面積AL小于支承構(gòu)件的截面積或底面積Ab，這種現(xiàn)象稱為局部受壓。六、 變形差的力學反應(yīng)鋼筋混凝土作為一種組合材料，物理和力學性能差異巨大，在共同作用時必定有不協(xié)調(diào)甚至相矛盾的現(xiàn)象出現(xiàn)。在鋼筋和混凝土粘結(jié)完好的情況下，這種變形差必將使得構(gòu)件產(chǎn)生截面應(yīng)力重分布和結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，影響結(jié)構(gòu)的使用性能，有時變形差又對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有利作用?；炷猎谀踢^程中失水發(fā)生收縮，凝固后又有水分交換而發(fā)生收縮或膨脹，在使用期間，混凝土的這一體積變化一直不斷。若混凝土沿截面高度沒有任何約束，發(fā)生自由收縮后構(gòu)件變形為非線性。若假設(shè)構(gòu)件沿截面高度的相鄰材料互相約束，兩端受其它構(gòu)件或支座的約束，則構(gòu)件變形后截面仍

14、保持平面。環(huán)境溫度變化時，混凝土的熱惰性使構(gòu)件截面上形成溫度梯度很大的不均勻溫度場。鋼筋和混凝土的線膨脹系數(shù)在不同的溫度下仍有一定差別，這使得構(gòu)件截面上出現(xiàn)可觀的溫度變形差?；炷猎趹?yīng)力持續(xù)作用下產(chǎn)生徐變，而鋼筋在應(yīng)力低于其屈服強度時，常溫下不產(chǎn)生徐變。鋼筋混凝土構(gòu)件在長期使用階段，將因混凝土的徐變發(fā)生截面應(yīng)力重分布和附加變形。七、 壓彎承載力矩形截面梁承受純彎矩的作用，只在受拉側(cè)配設(shè)鋼筋是最基本的鋼筋混凝土構(gòu)件。這種構(gòu)件的受力全過程和性能反應(yīng)已有許多試驗加以闡述。試件的兩端簡支、跨中作用著兩個對稱的集中荷載，梁跨中的純彎區(qū)為試驗段，在試驗過程中量測截面應(yīng)變分布、中和軸位置、鋼筋應(yīng)變和曲率等主

15、要性能反應(yīng)，其典型試驗結(jié)果如下所示：根據(jù)試驗結(jié)果，可以將鋼筋混凝土梁從開始受力到破壞的全過程分為3個受力階段:開裂前階段、帶裂縫工作階段和鋼筋屈服后階段。偏心受壓（拉）柱在工程中大量使用。其受力性能隨偏心距、配筋率和長細比等主要因素而變化。此外，其它一些重要因素，例如采用不同種類和強度等級的混凝土和鋼筋材料，構(gòu)件截面的非矩形和不對稱性狀、構(gòu)件的長度或長細比、鋼筋的各種構(gòu)造、荷載途徑等，都將對構(gòu)件的受力性能和破壞形態(tài)產(chǎn)生影響，必須通過試驗和具體分析加以研究確定。鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件的極限承載力取為加載過程中喪失承載力時的軸力和彎矩，可采用下列基本假設(shè)建立其計算式：1、全截面保持平面變形；2、不考慮

16、混凝土受拉作用；3、鋼筋和混凝土材性標準試驗所測定的本構(gòu)關(guān)系可應(yīng)用于構(gòu)件分析；4、不考慮時間和環(huán)境溫、濕度的作用。八、 彎剪承載力工程中，剪力使另一種主要內(nèi)力，總是和彎矩共存于構(gòu)件。一般，只需在已知構(gòu)件的截面設(shè)計后，驗算其抗剪承載力，或者配設(shè)橫向鋼筋。在某些情況下，剪力可能成為控制構(gòu)件設(shè)計的主要因素。目前國內(nèi)外對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在剪力作用下的受力性能做了大量研究，但是由于其受力狀態(tài)的復雜性，至今對于抗剪的機理分析和計算精度仍不夠完滿。梁的構(gòu)造和材料相同，當改變荷載的位置或剪跨a時，將出現(xiàn)不同的破壞形態(tài)，也即剪力和彎矩的相對值決定梁端的彎剪破壞形態(tài)。剪跨比很小時，荷載靠近支座，梁端豎直方向的正壓應(yīng)力集中在荷載板和支座面之間的斜向范圍內(nèi)。剪跨比很大時，荷載位置離支座已遠，豎直方