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浅谈钢筋和混凝土两种材料在建筑结构中的协同工作

2014-11-24王美艳

建材发展导向 2014年6期
关键词:分工钢筋合作

王美艳

摘 要:文章从分析钢筋和混凝土各自的力学性能出发,阐述了普通钢筋和普通混凝土两种材料在建筑结构受力中的分工和合作,同时对高强钢筋和预应力混凝土提出了美好的展望。

关键词:钢筋;混凝土;性能优势;分工;合作

钢筋混凝土是现在建筑结构中不可缺少的建筑材料。钢筋混凝土是由钢材和混凝土两种建筑材料复合而成的一种建筑材料。在建筑结构受力过程中,他们各自发挥自身的力学性能优势,协同工作,共同造就了钢筋混凝土结构的辉煌和特色。

1 钢筋和混凝土材料的力学性能

在力学性能方面,两种材料各有特点。

混凝土的强度等级是按照150mm×150mm×150mm的标准立方体试件,标准养护28d后用标准的试验方法测得的具有95%以上保证率的抗压强度标准值确定的。混凝土按照其强度等级可以分为C15,C20,C25,C30……C75,C80,共14个等级。通过查阅《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)4.1.3和4.1.4可知各种型号混凝土轴心抗压/抗拉强度标准值(fck/ftk)和设计值(fc/ft)。例如C30混凝土,fck=20.1N/mm2,fc=14.3N/mm2,ftk=2.01N/mm2,ft=1.43N/mm2。

钢筋这种建筑材料几乎是伴随着混凝土的存在而存在。在结构设计中我们取的是钢筋的屈服强度为其设计的极限强度,因此钢筋的分类是按照其屈服强度进行的,可以分为四个级别,分别是Ⅰ级(HPB300),Ⅱ级(HRB335,HRBF335),Ⅲ级(HRB400,HRBF400,RRB400),Ⅳ级(HRB500,HRBF500)。查阅《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)4.2.2和4.2.3可知各个型号的普通钢筋的屈服强度标准值(fyk),极限强度标准值,抗拉强度设计值(fy)和抗压强度设计值(fy′)。例如HRB335钢筋,其fyk=335N/mm2,fy=300N/mm2,fy′=300N/mm2。

通过以上数据分析,我们可以发现,钢材的抗拉能力和抗压能力都非常好,混凝土的抗压能力还可以,但其抗拉能力非常差。在建筑结构设计中,正是利用了他们各自的优势能力,才使得钢筋混凝土这种建筑材料得以蓬勃发展。

2 建筑结构构件的受力特点

构件的四种基本变形形式是轴向拉伸或压缩变形、剪切变形、弯曲变形和扭转变形。建筑结构构件在荷载的作用下发生各种变形,可能是基本变形中的一种,也可能是组合变形。对于组合变形的处理方式,一般就是把组合变形拆成基本变形,然后叠加在一起完成的。因此,各种变形,无论是复杂的组合变形,还是单一的基本变形,最终都是从基本变形为切入点,找到危险点进行完成。

轴向受压构件最典型的就是轴压柱了。轴压柱承受的轴向外荷载,在其内部产生轴向压力,微分到每一点上,就是压应力。这就是轴压柱的受力特点—承受轴向压力,产生压应力。

钢筋混凝土的弯曲构件最典型的就是梁了。工程中的弯曲变形绝大多数是横力弯曲。横力弯曲中既有正应力,又有切应力。通过研究发现,在梁的跨高比l/h大于5时,横力弯曲的误差非常小。因此在梁的设计中,只要满足跨高比l/h>5,我们就忽略掉切应力产生的误差,按照纯弯曲的经验公式来进行。

在弯曲变形中,构件的同一个截面的各个点,以中性轴为界,一部分受拉,另一部分受压,离中性轴越远,应力越大。也就是说,在梁中,既有压应力,又有拉应力,边缘处应力最大。

通过上述我们找到了在外力作用下内力在各点上的分布情况。在钢筋混凝土结构中,我们就是利用钢筋和混凝土两种材料各自的力学性能优势,统筹考虑安全和经济因素进行设计的。

3 钢筋和混凝土的协同工作

钢筋和混凝土各自有自己的优势。钢材的抗拉能力和抗压能力都很强,混凝土的抗压能力虽与钢筋相比相差较大,但其造价相对低廉,耐久性好。钢筋和混凝土各自取其优点,统筹协调,协同工作。

首先,钢材和混凝土具有相近的线膨胀系数。混凝土的线膨胀系数是1.0×10-5/℃,钢筋的线膨胀系数是1.2×10-5/℃。这使得他们不会由于温度变化而产生应力导致他们之间产生不可忽略的破坏作用。

其次,钢材和混凝土表面有良好的粘结作用。这种粘结作用主要包括化学粘结作用,摩擦作用和机械咬合作用。它们可以承受粘结表面上的剪应力,抵抗钢筋和混凝土由于温度影响和外力影响而产生的相对滑动。

以上两方面原因使得钢筋和混凝土可以共同工作。那么他们在结构受力中是怎样分工和合作的呢?基本的分工和合作原则是钢筋抗拉,混凝土抗压。如果抗压工作混凝土不能独立完成,设置部分钢筋和混凝土共同抗压。

在轴压柱中,由于柱中只有压应力。所有钢筋混凝土柱中的纵向钢筋和混凝土一起共同抗压,即N≤0.9φ(fy′As+fcA)。式中fy′As表示的是混凝土分担的抗压工作,fcA表示的是钢筋分担的抗压工作。φ是考虑压杆稳定时的稳定系数,0.9是考虑施工和使用过程中造成的偏差使得柱子不完全是轴向受压的而采取的折减系数。

在受弯构件的典型代表构件梁中,由于混凝土的抗拉能力实在是太差了,统筹经济和安全,在设计中,没有特殊要求的情况下,忽略掉混凝土微薄的抗拉能力,把钢筋混凝土梁设计成带裂缝工作阶段,拉区钢筋独立抗拉。在压区首先考虑让混凝土抗压。如果混凝土不能独立抗压,再设计上部分钢筋和混凝土共同抗压。单筋梁和双筋梁的区别是压区的钢筋是否参与抗压工作。当然,一般情况下单筋梁的压区也会有纵向钢筋,不过这时候这纵向钢筋不是为受力设计的,而是构造设计的,其作用是固定箍筋的位置,同时抵抗压区混凝土收缩过程中产生的应力。

4 结语

钢筋和混凝土两种性质迥异的建筑材料,在我们对其有了较为全面的认识之后,将两种建筑材料各自发挥其优势,又互相补足其劣势。在工程中,钢筋充分发挥了其抗拉能力强的优势,混凝土充分发挥了其抗压能力还不错以及造价相对低廉的优势。同时,由于混凝土的保护作用,使得钢材易氧化和防火性能差等劣势得以规避;钢材的抗拉能力非常强又把混凝土的抗拉能力非常差补足。钢筋和混凝土的协同工作可谓完美。当然这完美,是有限度的。由于混凝土的能力较钢筋的能力有一定的差距,这使得普通的钢筋混凝土构件中只能设计成普通钢筋(Ⅰ级,Ⅱ级,Ⅲ级)才不浪费。那么高强钢筋Ⅳ级又如何发挥其高强性能呢?现在又一种新型的复合材料—预应力混凝土,可谓是思想创新与材料性能的又一次完美结合。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范(GB50 010-2010)[M].中国建筑工业出版社,2011.

[2] 沈养中.建筑力学(上册)[M].科学出版社,2003.

[3] 刘凤翰.建筑结构(上册)[M].机械工业出版社,2009.

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