用配有鋼筋增強的混凝土製成的結構。

  基本原理 由於混凝土的抗拉強度遠低於抗壓強度,因而素混凝土結構不能用於受有拉應力的梁和板。如果在混凝土梁、板的受拉區內配置鋼筋,則混凝土開裂後的拉力即可由鋼筋承擔,這樣就可充分發揮混凝土抗壓強度較高和鋼筋抗拉強度較高的優勢,共同抵抗外力的作用,提高混凝土梁、板的承載能力(見圖)。

  鋼筋與混凝土兩種不同性質的材料能有效地共同工作,是由於混凝土硬化後混凝土與鋼筋之間產生瞭粘結力。它由分子力(膠合力)、摩阻力和機械咬合力三部分組成。其中起決定性作用的是機械咬合力,約占總粘結力的一半以上。將光面鋼筋的端部作成彎鉤,及將鋼筋焊接成鋼筋骨架和網片,均可增強鋼筋與混凝土之間的粘結力。為保證鋼筋與混凝土之間的可靠粘結和防止鋼筋被銹蝕,鋼筋周圍須具有15~30毫米厚的混凝土保護層。若結構處於有侵蝕性介質的環境,保護層厚度還要加大。

  梁和板等受彎構件中受拉力的鋼筋,根據彎矩圖的變化沿縱向配置在結構構件受拉的一側(見鋼筋混凝土梁)。在柱和拱等結構中,鋼筋也被用來增強結構的抗壓能力。它有兩種配置方式:一是順壓力方向配置縱向鋼筋,與混凝土共同承受壓力;另一是垂直於壓力方向配置橫向的鋼筋網和螺旋箍筋,以阻止混凝土在壓力作用下的側向膨脹,使混凝土處於三向受壓的應力狀態,從而增強混凝土的抗壓強度和變形能力(見鋼筋混凝土柱)。由於按這種方式配置的鋼筋並不直接承受壓力,所以也稱間接配筋。在受彎構件中與縱向受力鋼筋垂直的方向,還須配置分佈筋和箍筋,以便更好地保持結構的整體性,承擔因混凝土收縮和溫度變化而引起的應力,及承受橫向剪力。

  應用范圍 鋼筋混凝土結構在土木工程中的應用范圍極廣,各種工程結構都可采用鋼筋混凝土建造(見彩圖)。最近若幹年來,鋼筋混凝土結構在原子能工程、海洋工程和機械制造業的一些特殊場合,如反應堆壓力容器、海洋平臺、巨型運油船、大噸位水壓機機架等,均得到十分有效的應用,解決瞭鋼結構所難於解決的技術問題。

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  沿革 鋼筋混凝土結構在19世紀中葉才應用在建築工程中。1849年,法國人J.L.朗姆波和1867年法國人J.莫尼埃先後在鐵絲網兩面塗抹水泥砂漿制作小船和花盆。1884年德國建築公司購買瞭莫尼埃的專利,進行瞭第一批鋼筋混凝土的科學實驗,研究瞭鋼筋混凝土的強度、耐火性能,鋼筋與混凝土的粘結力。1886年德國工程師M.克嫩提出鋼筋混凝土板的計算方法。與此同時,英國人W.D.威爾金森提出瞭鋼筋混凝土樓板專利;美國人T.海厄特對混凝土梁進行試驗;法國人F.克瓦涅出版瞭一本應用鋼筋混凝土的專著。

  目前,各國鋼筋混凝土結構設計規范采用的設計方法有容許應力設計法、破壞強度設計法和極限狀態設計法。在鋼筋混凝土出現的早期,大多采用以彈性理論為基礎的容許應力設計法。在本世紀30年代後期,蘇聯開始采用考慮鋼筋混凝土破壞階段塑性的破壞強度設計法;50年代,更進一步完善為極限狀態設計法,它綜合瞭前面兩種設計方法的優點,既驗算使用階段的容許應力、容許裂縫寬度和撓度,也驗算破壞階段的承載能力,概念比較明確,考慮比較全面,目前,已為許多國傢和國際組織的設計規范所采用。

  基本特性 混凝土的收縮和徐變(蠕變)對鋼筋混凝土結構具有重要意義。由於鋼筋會阻礙混凝土硬化時的自由收縮,在混凝土中會引起拉應力,在鋼筋中會產生壓應力。混凝土的徐變會在受壓構件中引起鋼筋與混凝土之間的應力重分配,在受彎構件中引起撓度增大,在超靜定結構中引起內力重分佈等。混凝土的這些特性在設計鋼筋混凝土結構時須加以考慮。

  由於混凝土的極限拉應變值較低(約為0.15毫米/米)和混凝土的收縮,導致在使用荷載條件下構件的受拉區容易出現裂縫。為避免混凝土開裂和減小裂縫寬度,可采用預加應力的方法;對混凝土預先施加壓力(見預應力混凝土結構)。實踐證明,在正常條件下,寬度在0.3毫米以內的裂縫不會降低鋼筋混凝土的承載能力和耐久性。

  在從-40~60°C的溫度范圍內,混凝土和鋼筋的物理力學性能都不會有明顯的改變。因此,鋼筋混凝土結構可以在各種氣候條件下應用。當溫度高於60°C時,混凝土材料的內部結構會遭到損壞,其強度會有明顯降低。當溫度達到200°C時,混凝土強度降低30~40%。因此,鋼筋混凝土結構不宜在溫度高於200°C的條件下應用;當溫度超過200°C時,必須采用耐熱混凝土。

  

參考書目

 天津大學等編:《鋼筋混凝土結構學》,上、下冊,中國建築工業出版社,北京,1980。

 G.Winter &A.H.Nilson,Desiɡn of Concrete Structures,9th ed.,McGraw-Hill,New York,1979.

 V.Baikov &E.Sigalov,Reinforced Concrete Structures,Vol1~2,Mir Pub.,Moscow,1983.