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混凝土与砌体结构基本理论——读书笔记一、概述《钢筋混凝土原理和分析》主要介绍了钢筋和混凝土共同作用的基本特点和主要受力性能。钢材与混凝土在材料本质和力学性能上存在巨大差别，但是正是两者的差别，形成了性能上的互补，使得钢筋混凝土结构成为目前使用最为广泛的建筑结构。二、钢筋的力学性能钢材是混凝土结构中主要承受拉力的材料。建筑结构中，主要使用的有低碳钢以及低合金钢。钢材根据使用类型的不同，又可分为钢筋、高强钢丝、型钢和钢丝网水泥等。钢筋的截面一般为圆形，表面形状可根据结构具体要求进行加工，主要有光面、螺纹、人字纹、月牙纹、竹节形和扭转形。混凝土结构钢筋种类根据其轧制工艺、表面形状和强度等级进行分类，设计规范建议采取的钢种有：HPB235、HRB335、HRB400、RRB400、HRB400。这些钢筋的应力-应变曲线都有铭心啊的屈服台阶，因此属于“软钢”。碳素钢丝经过冷拔和热处理可以达到很高的抗拉强度，但是无明显屈服台阶，属于“硬钢”，主要应用于预应力结构。角钢、槽钢、工字钢和钢板、钢管等钢构件统称为型钢，都可应用于混凝土结构，形成型钢-混凝土组合结构。钢丝网水泥主要用细钢丝编制成的网片作为配筋，浇筑水泥砂浆后成为薄板状。钢筋的应力-应变关系，一般采用原钢筋试件进行拉伸试验加以测定。根据应力-应变曲线上有无明显屈服台阶，可以将钢材分为软钢和硬钢。软钢的典型拉伸曲线如下所示：软钢的应力-应变关系可以大致划分为弹性阶段、屈服台阶阶段、强化阶段和颈缩阶段。其计算模型又可分为以下几类，数学复杂性和拟真度各有不同。硬钢的拉伸曲线没有明显的屈服台阶，在进行结构设计时，要对这类钢材定义一个名义屈服强度作为设计值，这一值通常取残余应变为0.2×10-2时的应力作为屈服点，经过折算得出。混凝土结构在承受重复荷载或反复荷载的多次作用时，其中所配设的钢筋相应地产生应力的多次加卸过程。钢筋在屈服点以前卸载和再加载，完全卸载后不会产生残余应变；在进入屈服阶段后，完全卸载时会产生残余应变。钢材的冷加工强化性能主要有冷拉和冷拔。钢筋经过冷拉处理后，屈服强度一般可比原材料提高约20%~35%。对钢筋进行冷拉时，一般采取应力和伸长率的“双控”工艺。冷拉后钢筋没有明显的屈服台阶，但如果将钢筋放置一段时间或者加热后，屈服台阶会再次出现，但是比原材料缩短，但是屈服强度、极限强度有所增长，极限延伸率有所减小，这一现象称为时效。将钢筋强力拉过硬质合金拔丝模，使得钢筋在拉力和横向挤压力的共同作用下缩小直径，这一工艺称为冷拔。钢筋经过冷拔会产生强烈的塑性变形，材料强度得到提高。软钢长期受力或反复加卸载都不会发生徐变和松弛现象。但是高强钢筋和冷加工钢筋在非弹性变形范围内经受长期反复荷载，会发生这些现象。影响钢材松弛试验结果的主要有以下因素：钢材品种、应力持续时间、应力水平和温度。三、钢筋与混凝土的粘结根据混凝土构件中钢筋受力状态的不同，钢筋与混凝土的粘结应力状态可以分为两类问题：端部锚固粘结和裂缝间粘结。钢筋和混凝土之间的粘结力或者抗滑移力，由3部分组成：1、混凝土中的水泥胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力；2、周围混凝土对钢筋的摩阻力；3、钢筋表面粗糙不平，或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用。结构中钢筋粘结部位的受力状态复杂，现有两类钢筋拔出试验方法，采用不同形状和受力状态的试件，分别为拉式试验和梁式试验。混凝土和钢筋的粘结性能受到多种因素的影响而变化。混凝土强度是其中一种因素，它和钢筋的化学粘结力和机械咬合力随强度的提高而增加，但是对摩阻力抗滑力的影响不大，有些研究还表明，水泥用量、水灰比等也对其粘结性能有一定影响。钢筋的保护层厚度也对粘结性能有影响。增大保护层厚度可以加强外围混凝土的抗劈裂性能，显然能提高试件的极限粘结强度。但是当保护层厚度大于5~6倍钢筋直径后，试件不再发生劈裂破坏，故粘结强度不再增大。钢筋的埋长、钢筋直径和外形、横向箍筋、横向压应力等也对钢筋混凝土之间的粘结性能有一定影响。四、轴向受力特性钢筋混凝土柱在压力作用下发生压缩变形。从开始受力直至破坏，截面上个点应变值相等。构件的应变关系如下：在轴心受压条件下，钢筋混凝土柱的本构关系如下：轴心受力构件只有一个内外力平衡条件：柱子承受轴向压力后，应力和变形反应，以及柱的极限承载力等都可以运用上述基本方程，分阶段地进行分析。受拉构件在轴心拉力N的作用下的应变和变形状态也必须分阶段进行分析，三类基本方程稍有变化：几何条件：本构关系：力学平衡条件：各阶段的应力和应变分析可以分为混凝土开裂前、混凝土开裂后，钢筋屈服前以及钢筋屈服后进行分析。在混凝土开裂前，受拉杆的N-ε关系和бs、бt随N的变化与轴受压柱的受力初期相似。混凝土开裂后很快退出工作，裂缝附近局部粘结破坏，前述几何条件已经不能成立。裂缝截面上只有钢筋承受轴拉力。从混凝土达峰值应变起，至完全退出工作，轴拉力的增量很小，钢筋应力却没有突变。钢筋屈服时，混凝土的开裂情况严重，已经不再承受拉力，全部轴力由钢筋承受，若不考虑钢筋强化阶段，钢筋的屈服就成为拉杆的极限状态。从以上分析可知，杆件的开裂轴力主要取决于混凝土的抗拉力，钢筋量的多寡对其影响很小；而杆件的极限轴力完全取决于钢筋的抗拉力。如果减小配筋量，极限轴力将按比例减小。当配筋率过小时，将出现计算极限轴力小于开裂轴力的情况，这种构件称为少筋构件。少筋构件会很快地发生脆性破坏，工程中一般不宜采用，因此为避免这种情况，规定了构件的最小配筋率，应该满足ucrNN，即：这是最小配筋率的理论计算式，实际应用时还应考虑混凝土材料的离散性、环境条件和工程经验等因素加以适当调整。受拉构件开裂后，混凝土对其承载力已经不起作用。但是，混凝土的存在使裂缝间钢筋的应力减小，平均应变小于裂缝截面的应变，减小了构件的伸长，亦提高了构件的刚度，故称为受拉刚化效应。钢筋混凝土组合截面在轴心受力下的性能分析，可以归纳为以下一般性规律：1、从开始受力直到破坏，截面应力状态不断地发生充分不，是一个非线性变化的全过程。2、构件的力学反应，不仅取决于混凝土和钢筋各自的本构关系，还因而这的相对值和钢筋构造不同而有很大变化。3、钢筋和混凝土两种材料一般不会同时达到各自强度指标。4、构件受力全过程应变都符合平截面分布。5、混凝土开裂后，钢筋和混凝土的应力沿轴线的分布不再均匀。五、约束混凝土沿轴压力或最大主压应力的垂直方向配置钢筋，以约束其内部混凝土的横向膨胀变形，从而提高轴向抗压承载力，成为横向配筋或间接配筋。螺旋箍筋柱是指在受压柱内配设连续的螺旋形箍筋或单独的焊接圆形箍筋，且箍筋沿柱轴线的间距较小，构造形式如下：螺旋箍筋柱的受压轴力-应变曲线如下所示：在柱应变低于素混凝土峰值应变时，混凝土的横向膨胀变形很小；当柱的应变增大后，箍筋外围混凝土进入应力下降段，开始形成纵向裂缝，并逐渐扩展，发生表层剥落，使得这部分的混凝土承载力降低；继续加大柱子应变，核芯混凝土的横向膨胀和箍筋应力不断增大，此时，柱的纵向应变已经很大，外围混凝土即使未全部剥落，所剩压应力也极小了。螺旋箍筋混凝土柱的承载力提高，特别是其变形性能的改善是其主要受力特点，工程中可充分利用。螺旋箍筋柱的受力过程中，其极限承载力有两个控制值：纵筋受压屈服，全截面混凝土达到棱柱体抗压强度；箍筋屈服后，核芯混凝土达到约束抗压强度。矩形截面构件内的箍筋沿截面周边平行布置，矩形组合截面也采用多个矩形箍筋组成平行于周边的横向筋。故矩形箍筋是最普遍的横向筋形式。矩形箍筋约束混凝土的受力性能已有许多试验和理论的研究。其受压应力-应变全曲线随主要影响因素的增大而有很大变化，由明显的陡峰曲线向平缓、丰满、且在极限强度附近有巨大变形平台的曲线过渡。矩形箍筋柱在轴压力的作用下，核芯混凝土的横向膨胀变形使箍筋的直线段产生水平弯曲。箍筋的抗弯刚度极小，它对核芯混凝土的反作用力很小。另一方面，箍筋的转角部刚度大，变形小，两个垂直方向的拉力合成对核芯混凝土对角线防线的强力约束。故核芯混凝土承受的约束力是沿对角线的集中挤压力和沿箍筋分布的很小横向力。箍筋对约束混凝土的增强作用，因配箍数量和构造而变化，主要因素如下：约束指标、箍筋间距、箍筋的构造和形式。描述约束混凝土应力-应变全曲线的几种典型模型有Sargin模型和Sheikh模型以及数值计算的全过程分析方程以及经验公式。钢管混凝土是约束混凝土的一种特例。钢管混凝土具有承载力高、延性极好等优越的力学性能，还具备面积小、结构自重轻、节点构造方面、免除模板和钢筋加工、施工快速、减少混凝土用量等工程优点。钢管混凝土的主要参数也是约束指标或称套箍指标，其物理意义与螺旋箍筋的约束指标相同。结构体系中各种构件间传递压力时，经常出现的一种情况是，集中力作用的面积AL小于支承构件的截面积或底面积Ab，这种现象称为局部受压。六、变形差的力学反应钢筋混凝土作为一种组合材料，物理和力学性能差异巨大，在共同作用时必定有不协调甚至相矛盾的现象出现。在钢筋和混凝土粘结完好的情况下，这种变形差必将使得构件产生截面应力重分布和结构内力重分布，影响结构的使用性能，有时变形差又对结构产生有利作用。混凝土在凝固过程中失水发生收缩，凝固后又有水分交换而发生收缩或膨胀，在使用期间，混凝土的这一体积变化一直不断。若混凝土沿截面高度没有任何约束，发生自由收缩后构件变形为非线性。若假设构件沿截面高度的相邻材料互相约束，两端受其它构件或支座的约束，则构件变形后截面仍保持平面。环境温度变化时，混凝土的热惰性使构件截面上形成温度梯度很大的不均匀温度场。钢筋和混凝土的线膨胀系数在不同的温度下仍有一定差别，这使得构件截面上出现可观的温度变形差。混凝土在应力持续作用下产生徐变，而钢筋在应力低于其屈服强度时，常温下不产生徐变。钢筋混凝土构件在长期使用阶段，将因混凝土的徐变发生截面应力重分布和附加变形。七、压弯承载力矩形截面梁承受纯弯矩的作用，只在受拉侧配设钢筋是最基本的钢筋混凝土构件。这种构件的受力全过程和性能反应已有许多试验加以阐述。试件的两端简支、跨中作用着两个对称的集中荷载，梁跨中的纯弯区为试验段，在试验过程中量测截面应变分布、中和轴位置、钢筋应变和曲率等主要性能反应，其典型试验结果如下所示：根据试验结果，可以将钢筋混凝土梁从开始受力到破坏的全过程分为3个受力阶段:开裂前阶段、带裂缝工作阶段和钢筋屈服后阶段。偏心受压（拉）柱在工程中大量使用。其受力性能随偏心距、配筋率和长细比等主要因素而变化。此外，其它一些重要因素，例如采用不同种类和强度等级的混凝土和钢筋材料，构件截面的非矩形和不对称性状、构件的长度或长细比、钢筋的各种构造、荷载途径等，都将对构件的受力性能和破坏形态产生影响，必须通过试验和具体分析加以研究确定。钢筋混凝土压弯构件的极限承载力取为加载过程中丧失承载力时的轴力和弯矩，可采用下列基本假设建立其计算式：1、全截面保持平面变形；2、不考虑混凝土受拉作用；3、钢筋和混凝土材性标准试验所测定的本构关系可应用于构件分析；4、不考虑时间和环境温、湿度的作用。八、弯剪承载力工程中，剪力使另一种主要内力，总是和弯矩共存于构件。一般，只需在已知构件的截面设计后，验算其抗剪承载力，或者配设横向钢筋。在某些情况下，剪力可能成为控制构件设计的主要因素。目前国内外对钢筋混凝土结构在剪力作用下的受力性能做了大量研究，但是由于其受力状态的复杂性，至今对于抗剪的机理分析和计算精度仍不够完满。梁的构造和材料相同，当改变荷载的位置或剪跨a时，将出现不同的破坏形态，也即剪力和弯矩的相对值决定梁端的弯剪破坏形态。剪跨比很小时，荷载靠近支座，梁端竖直方向的正压应力集中在荷载板和支座面之间的斜向范围内。剪跨比很大时，荷载位置离支座已远，竖直方向正应力对梁腹部的影响很小。无腹筋梁在集中荷载作用下的弯剪承载力受许多因素的影响，主要的因素是剪跨比、混凝土强度和纵筋率。剪跨比反映了梁端弯剪破坏区的应力状态和比例。混凝土强度的提高会提高梁的弯剪承载力。不同剪跨比的梁，因破坏形态的差别，承载力分别取决于混凝土的抗压或抗拉强度，提高混凝土的强度等级，弯剪承载力的提