第七章混凝土结构.docx
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第七章混凝土结构
Reinforcedconcrete
钢筋混凝土
Reinforcedconcreteisconcreteinwhichreinforcementbars("rebars"),reinforcementgrids,platesorfibershavebeenincorporatedtostrengthentheconcreteintension.ItwasinventedbyFrenchgardenerJosephMonierin1849andpatentedin1867.ThetermFerroConcreterefersonlytoconcretethatisreinforcedwithironorsteel.Othermaterialsusedtoreinforceconcretecanbeorganicandinorganicfibersaswellascompositesindifferentforms.Concreteisstrongincompression,butweakintension,thusaddingreinforcementincreasesthestrengthintension.Inaddition,thefailurestrainofconcreteintensionissolowthatthereinforcementhastoholdthecrackedsectionstogether.Forastrong,ductileanddurableconstructionthereinforcementshallhavethefollowingproperties:
钢筋混凝土就是混凝土中应用钢筋、钢筋网、钢板、纤维共同作用来承受拉力。
1849年,一位名叫JosephMonier的法国园丁发明了钢筋混凝土,并于1867年申请专利。
术语中所指的钢筋混凝土仅指利用铸铁或者钢进行增强的混凝土。
此外一些有机纤维、无机纤维或者很多形式的复合材料也可用来增强混凝土。
混凝土的抗压能力很强,但是抗拉能力很弱,因此这些增强措施提高了混凝土的抗拉能力。
另外因为混凝土的抗拉能力很弱,所采用的增强措施必须具备将混凝土破碎的部分连接起来的功能。
一个结构坚固、延展性好、耐久的混凝土结构需要具备以下的性能:
∙Highstrength
∙Hightensilestrain
∙Goodbondtotheconcrete
∙Thermalcompatibility
∙Durabilityintheconcreteenvironment
∙强度高
∙抗拉刚度高
∙混凝土之间粘结性能好
∙温度相容性
∙耐久性好
Inmostcasesreinforcedconcreteusessteelrebarsthathavebeeninsertedtoaddstrength.
在大多数情况下利用在混凝土中配置钢筋的方式来提高强度。
Useinconstruction
在建筑中的应用
Concreteisreinforcedtogiveitextratensilestrength;withoutreinforcement,manyconcretebuildingswouldnothavebeenpossible.
混凝土的增强钢筋主要是提高混凝土的抗拉强度;正是混凝土采用钢筋才使得许多混凝土建筑成为可能。
Reinforcedconcretecanencompassmanytypesofstructuresandcomponents,includingslabs,walls,beams,columns,foundations,framesandmore.
钢筋混凝土包括许多种类的结构和构件,例如楼板、墙,梁,柱,基础,框架等等。
Reinforcedconcretecanbeclassifiedasprecastorcastin-situconcrete.
钢筋混凝土可以归类为预制混凝土和现浇混凝土。
Muchofthefocusonreinforcingconcreteisplacedonfloorsystems.Designingandimplementingthemostefficientfloorsystemiskeytocreatingoptimalbuildingstructures.Smallchangesinthedesignofafloorsystemcanhavesignificantimpactonmaterialcosts,constructionschedule,ultimatestrength,operatingcosts,occupancylevelsandenduseofabuilding.
工程中主要承担荷载的钢筋混凝土构件是楼盖系统。
设计并施工建造最有效的楼盖系统是达到理想的建筑结构的关键。
楼盖设计的一个小小的改变会对材料费,施工进度,强度极限,生产费用,居住水平,和建筑的最终用途产生很大的影响。
Behaviorofreinforcedconcrete
钢筋混凝土的性能
Materials
材料
Concreteisamixtureofofcoarse(stoneorbrickchips)andfine(generallysand)aggregateswithabindermaterial(usuallyPortlandcement).Whenmixedwithasmallamountofwater,thecementhydratesformmicroscopicopaquecrystallatticesencapsulatingandlockingtheaggregateintoarigidstructure.Typicalconcretemixeshavehighresistancetocompressivestresses(about4,000psi(28MPa));however,anyappreciabletension(e.g.,duetobending)willbreakthemicroscopicrigidlattice,resultingincrackingandseparationoftheconcrete.Forthisreason,typicalnon-reinforcedconcretemustbewellsupportedtopreventthedevelopmentoftension.
混凝土由是粗的(石头或碎砖块)和细的(普通的沙子)骨料与胶凝材料(通常是硅酸盐水泥)混合制成的。
当掺入少量水,水泥与水化合形成微小的不透明的晶体,将整体封闭成一个稳定的结构。
混凝土混合物的典型特征是有很强的受压能力(大约是28MPa);然而,任何拉力(由于拉力造成的弯曲)都会打破微观的晶格从而导致混凝土裂缝和分离。
也是由于这个原因,无钢筋的素混凝土主要是防止受拉破坏。
Ifamaterialwithhighstrengthintension,suchassteel,isplacedinconcrete,thenthecompositematerial,reinforcedconcrete,resistsnotonlycompressionbutalsobendingandotherdirecttensileactions.Areinforcedconcretesectionwheretheconcreteresiststhecompressionandsteelresiststhetensioncanbemadeintoalmostanyshapeandsizefortheconstructionindustry.
像复合材料,钢筋混凝土等有很强的抗拉能力的材料,他们不仅能够抗压抗拉还能够抗弯或者是抵抗其他形式的拉力。
钢筋和混凝土分工协作,混凝土抗压,钢筋抗拉,在建筑行业中钢筋混凝土的形式可以被制成任何形状和任何大小。
Keycharacteristics:
Threephysicalcharacteristicsgivereinforcedconcreteitsspecialproperties.
主要性能:
三个使钢筋混凝土有独特性能的物理特征
First,thecoefficientofthermalexpansionofconcreteissimilartothatofsteel,eliminatinglargeinternalstressesduetodifferencesinthermalexpansionorcontraction.
第一,混凝土的温度膨胀系数与钢筋相近,消除了由于温度膨胀系数不同导致过大的应力和收缩。
Second,whenthecementpastewithintheconcretehardensthisconformstothesurfacedetailsofthesteel,permittinganystresstobetransmittedefficientlybetweenthedifferentmaterials.Usuallysteelbarsareroughenedorcorrugatedtofurtherimprovethebondorcohesionbetweentheconcreteandsteel.
第二,水泥浆依附在钢筋表面,依据钢筋的螺纹形状而硬化,使得任何形式的应力能够在不同材料间高效的传递。
通常钢筋是粗糙的或者有螺纹的,这样可以进一步增大混凝土和钢筋之间的粘结力。
Third,thealkalinechemicalenvironmentprovidedbythealkalireserve(KOH,NaOH)andtheportlandite(calciumhydroxide)containedinthehardenedcementpastecausesapassivatingfilmtoformonthesurfaceofthesteel,makingitmuchmoreresistanttocorrosionthanitwouldbeinneutraloracidicconditions.WhenthecementpasteexposedtotheairandmeteoricwaterreactswiththeatmosphericCO2,portlanditeandtheCalciumSilicateHydrate(CSH)ofthehardenedcementpastebecomeprogressivelycarbonatedandthehighpHgraduallydecreasesfrom13.5–12.5to8.5,thepHofwaterinequilibriumwithcalcite(calciumcarbonate)andthesteelisnolongerpassivated.
第三,存留的碱性物质(KOH,NaOH)和水泥浆中含有的氢氧钙石形成了碱性的化学环境,无形中在钢筋的表面形成了一层钝化膜,使得钢筋比在中性环境和酸性环境中更加抗腐蚀。
当水泥浆被暴露在空气中时,大气水和空气中的CO2相互作用使得硬化的水泥浆中的氢氧钙石和水化硅酸钙含碳量逐渐增加,pH值逐渐从13.5–12.5减少到8.5,水和碳酸钙维持的恒定pH值开始变化,钢筋也不再是钝化的。
Asaruleofthumb,onlytogiveanideaonordersofmagnitude,steelisprotectedatpHabove11butstartstocorrodebelow10dependingonsteelcharacteristicsandlocalphysico-chemicalconditionswhenconcretebecomescarbonated.Carbonationofconcretealongwithchlorideingressareamongstthechiefreasonsforthefailureofreinforcementbarsinconcrete.
一般说来,当混凝土碳化时,根据钢筋的性能和当地的物理化学条件,钢筋在pH大于11时处于保护状态,但pH小于10时开始腐蚀。
碳化混凝土被氯离子侵蚀是混凝土中的钢筋被腐蚀的最主要原因。
Therelativecross-sectionalareaofsteelrequiredfortypicalreinforcedconcreteisusuallyquitesmallandvariesfrom1%formostbeamsandslabsto6%forsomecolumns.Reinforcingbarsarenormallyroundincross-sectionandvaryindiameter.Reinforcedconcretestructuressometimeshaveprovisionssuchasventilatedhollowcorestocontroltheirmoisture&humidity.
相对来说,一般的钢筋混凝土对钢筋截面面积要求非常小,通常只有大多数的梁、板配筋率要求为1%,柱配筋率要求为6%。
钢筋通常是直径不同的圆钢。
为了控制合理的湿度,钢筋混凝土结构有时会对通风口有要求。
Distributionofconcrete(inspiteofreinforcement)strengthcharacteristicsalongthecross-sectionofverticalreinforcedconcreteelementsisinhomogeneousarticle"ConcreteInhomogeneityofVerticalCast-In-SituElementsInFrame-TypeBuildings"
依据文章“框架结构中竖向现浇构件混凝土的不均匀性”我们可以了解到,竖向钢筋混凝土构件虽然得到了增强,但在内部沿着钢筋,混凝土的应力分布也是不均匀的。
ReinforcementandterminologyofBeams
梁的增强和概念
Abeambendsunderbendingmoment,resultinginasmallcurvature.Attheouterface(tensileface)ofthecurvaturetheconcreteexperiencestensilestress,whileattheinnerface(compressiveface)itexperiencescompressivestress.
梁在弯矩的作用下会产生一个小的弯曲变形。
在弯曲外表面(拉伸面)混凝土产生拉应力,在弯曲内表面(压缩面)混凝土产生压应力。
Asingly-reinforcedbeamisoneinwhichtheconcreteelementisonlyreinforcednearthetensilefaceandthereinforcement,calledtensionsteel,isdesignedtoresistthetension.
单筋梁是指只在混凝土构件受拉区设置抗拉钢筋,用来抵抗拉力。
Adoubly-reinforcedbeamisoneinwhichbesidesthetensilereinforcementtheconcreteelementisalsoreinforcednearthecompressivefacetohelptheconcreteresistcompression.Thelatterreinforcementiscalledcompressionsteel.Whenthecompressionzoneofaconcreteisinadequatetoresistthecompressivemoment(positivemoment),extrareinforcementhastobeprovidedifthearchitectlimitsthedimensionsofthesection.
双筋梁是指混凝土梁既设置抗拉钢筋来抵抗拉力,也在受压区设置抗压钢筋。
当构件受压区混凝土不足以抵抗弯矩(正弯矩)所产生的压力时,且构件的设计截面尺寸受到了限制,那就需要额外的钢筋增强。
Anunder-reinforcedbeamisoneinwhichthetensioncapacityofthetensilereinforcementissmallerthanthecombinedcompressioncapacityoftheconcreteandthecompressionsteel(under-reinforcedattensileface).Whenthereinforcedconcreteelementissubjecttoincreasingbendingmoment,thetensionsteelyieldswhiletheconcretedoesnotreachitsultimatefailurecondition.Asthetensionsteelyieldsandstretches,an"under-reinforced"concretealsoyieldsinaductilemanner,exhibitingalargedeformationandwarningbeforeitsultimatefailure.Inthiscasetheyieldstressofthesteelgovernsthedesign.
适筋梁是梁受拉区的抗拉能力比受压区的混凝土和抗压钢筋的抗压能力弱的梁(受拉区适筋)。
当混凝土构件的弯矩逐渐增加,抗拉钢筋屈服,此时混凝土并没有达到极限破坏条件。
随着抗拉钢筋的屈服和拉伸,“适筋”混凝土也以一种韧性破坏的方式屈服,并在最终破坏前有较大形变,产生预兆。
所以,在设计时应该主要考虑钢筋的屈服强度。
Anover-reinforcedbeamisoneinwhichthetensioncapacityofthetensionsteelisgreaterthanthecombinedcompressioncapacityoftheconcreteandthecompressionsteel(over-reinforcedattensileface).Sothe"over-reinforcedconcrete"beamfailsbycrushingofthecompressive-zoneconcreteandbeforethetensionzonesteelyields,whichdoesnotprovideanywarningbeforefailureasthefailureisinstantaneous.
超筋梁是抗拉钢筋的抗拉能力比混凝土和抗压钢筋的抗压能力强的梁(在受拉区超筋)。
在受拉区钢筋屈服前,超筋梁受压区的混凝土就发生破坏,破坏非常突然,没有任何预兆。
Abalanced-reinforcedbeamisoneinwhichboththecompressiveandtensilezonesreachyieldingatthesameimposedloadonthebeam,andtheconcretewillcrushandthetensilesteelwillyieldatthesametime.Thisdesigncriterionishoweverasriskyasover-reinforcedconcrete,becausefailureissuddenastheconcretecrushesatthesametimeofthetensilesteelyields,whichgivesaverylittlewarningofdistressintensionfailure.
少筋梁是指受拉区和受压区在同一荷载作用下达到屈服强度,混凝土突然破坏,抗拉钢筋也同时破坏。
然而这种设计标准非常危险,混凝土和抗拉钢筋同时破坏,在破坏前几乎没有任何预兆。
Steel-reinforcedconcretemoment-carryingelementsshouldnormallybedesignedtobeunder-reinforcedsothatusersofthestructurewillreceivewarningofimpendingcollapse.
重要的钢筋混凝土构件通常都设计成适筋梁形式,这样在即将破坏前会有预兆。
Thecharacteristicstrengthisthestrengthofamaterialwherelessthan5%ofthespecimenshowslowerstrength.
强度是材料的力学性能,通常取值低于材料的试件试验强度的5%。
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