钢筋与混凝土共同工作原理的认识

钢筋与混凝土共同工作原理的认识【摘要】钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理、力学性能完全不同的材料所组成。

混凝土的抗压能力较强而抗拉能力却很弱。

钢材的抗拉和抗压能力都很强。

为了充分利用材料的性能以及降低造价，把混凝土和钢筋这两种材料结合在一起共同工作，使混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力，以满足工程结构的使用要求。

【关键词】钢筋混凝土强度和变形极限强度冷加工绪论本论文研究钢筋与混凝土的共同工作原理，第一章为绪论，第二章介绍钢筋工程，第三章介绍混凝土工程，第四章论述二者共同工作原理。

首先对钢筋与混凝土作如下简介。

钢筋是配置在钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土构件中的钢条或钢丝的总称。

按生产加工工艺分为热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋、钢丝。

按外形分为光圆钢筋和变形钢筋（有螺纹，人字形和月牙形）。

按物理性能分为有明显物理屈服点的软钢和无明显物理屈服点的硬钢。

混凝土是一种人工石材，按表观密度分为普通混凝土、重混凝土、轻混凝土。

混凝土结构是在19世纪中期开始得到应用的，在工程中最初仅在最简单的结构物如拱、板以及基础中作为抗压结构使用。

在20世纪70年代以来混凝土结构有了较大发展，很多国家已把高强钢筋及高强混凝土应用于大跨度，重型，高层结构中。

如今钢筋混凝土作为世界上运用最广泛的建筑材料，其工作原理及安全性是建筑科学研究的重点，因此在这里研究二者的共同工作原理。

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理、力学性能完全不同的材料所组成。

混凝土的抗压能力较强而抗拉能力却很弱。

钢材的抗拉和抗压能力都很强。

为了充分利用材料的性能以及降低造价，把混凝土和钢筋这两种材料结合在一起共同工作，使混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力，以满足工程结构的使用要求。

钢筋混凝土构件除了能够合理利用钢筋和混凝土两种材料的性能外，还有其他优点[3]：如耐久件，耐火性，整体性，可模性和节约钢材等。

钢筋工程钢筋作为钢筋混凝土结构中的一部分，主要承受拉应力。

按强度和变形性能分为软钢和硬钢，这里研究有明显流幅的软钢，原因在于当结构破坏时，钢筋受拉延长，在达到屈服强度时所能承受的拉应力会增大且有明显流幅，这时能明显发现构件破坏而停止使用。

而且剩余的钢筋强度可作为安全储备。

工程中常将钢筋进行冷加工以提高其受力等性能。

2.1 钢筋力学性能2.1.1 钢筋强度和变形钢筋的强度和变形可以用拉伸试验得到的应力-应变曲线来说明。

如图2-1为有明显流幅钢筋应力-应变曲线。

应力值在A点以前，应力与应变成比例变化，与A点对应的应力称为比例极限。

过A点后，应变较应力增长较快，到达B上钢后筋开始塑流此点称为屈服上限。

当到达B下后直到R点水平距离的大小称为流幅或屈服台阶。

过R点后应力继续上升说明钢筋的抗拉能力又有所提高。

直到C点到达钢筋的极限强度，RC段为强化阶段。

过了C点以后钢筋薄弱处将会发生颈缩，到D处将拉断。

1 钢筋的屈服强度[2]：有明显流幅的钢筋屈服下限作为其屈服强度，计算承载力时以屈服点作为钢筋强度限值。

构件中钢筋的应力到达屈服点后，会产生很大的塑性变形，使钢筋混凝土构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以至不能使用。

2 对钢筋质量检验的四项指标[1]：屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能是有明显物理屈服点钢筋进行检验的四项主要指标；对无明显物理屈服点的钢筋只测定后三项。

3 屈强比[2]：屈服强度与极限强度的比值称为屈强比。

它表示结构可靠性的潜力。

4 伸长率[2]：反映钢筋塑性性能及变形能力的物理量。

其物理意义是表示钢筋试件拉断后的伸长值与原长之比。

5 冷弯性能[2]：在常温下将钢筋绕一定直径的辊轴进行弯曲，而不出现裂纹或断裂的现象，称为冷弯性能符合条件。

其主要参数是弯心直径和冷弯角度。

2.2 钢筋的冷加工2.2.1 冷拉1 概念[1]：在常温下将普通热轧钢筋进行强力拉伸至屈服点而进入强化阶段，迫使钢筋内部晶体组织发生改变，从而提高钢筋屈服强度的钢筋。

2 冷拉强化与冷拉时效：冷拉强化卸载后，重新加载，则其屈服强度有所提高，即为冷拉强化（此时应力应变曲线按卸荷线发展）；若过一段时间再加载，则屈服强度较冷拉强化的屈服强度还高（其应力应变曲线不再按原先曲线发展）。

2.2.2 冷拔文摘[2]将热轧钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝模，使其产生塑性变形，拔成较细的钢丝。

其与冷拉区别在于：冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，不能提高其抗压强度；冷拔既能提高钢筋的抗拉强度，又能提高钢筋的抗压强度。

共同点在于它们的塑性都降低。

2.2.3 冷轧1 概念：以普通低碳钢、优质碳素钢或低合金钢热轧圆盘条为母材，在常温下进行轧制而成的表面带有纵肋和月牙纹横肋的钢筋。

2 特点：冷轧钢筋的极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。

用之取代普通低碳钢和冷拔低碳钢丝，可改善构件在正常使用阶段的受力性能和节约钢材。

混凝土混凝土结构广泛应用于工业与民用建筑、桥梁、隧道、矿井及水利、海港中。

混凝土承受压力能力远强于受拉能力，故其在结构中主要用于承受压应力。

其各种优点已被广泛认可，本章中介绍其主要性能并对其强度性能做重点介绍。

3.1 混凝土组成文献[2]混凝土是一种人工石材，是使用水泥、水、细骨料等原料按一定比例搅拌浇筑，并经养护硬化后做成的人工石材。

3.2 混凝土的性能3.2.1 和易性和易性是指混凝土拌合物的施工操作难易程度和抵抗离析作用程度的性质。

是混凝土拌合物最重要的性能。

它综合表示拌合物的稠度、流动性、可塑性、抗分层离析泌水的性能及易抹面性等。

测定和表示拌合物和易性的方法和指标很多，我国主要采用标准圆锥形筒测定的坍落度(毫米)及用维勃仪测定的维勃时间（秒），作为稠度的主要指标。

3.2.2 耐久性耐久性：是材料抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用的能力。

抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性为混凝土耐久性。

在一般情况下，混凝土具有良好的耐久性。

但在寒冷地区，特别是存在水位变化的工程部位以及在饱水状态下受到频繁的冻融交替作用时，混凝土易于损坏。

为此对混凝土要有一定的抗冻性要求。

用于不透水的工程时，要求混凝土具有良好的抗渗性和耐蚀性。

抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性为混凝土耐久性指标。

3.2.3 变形混凝土在一次短期加载、荷载长期作用和多次重复荷载作用下会产生变形。

这类变形称为受力变形。

混凝土由于硬化过程中收缩以及温度和湿度变化也会产生变形，这类变形称为体积变形。

变形是混凝土的一个重要力学性能。

钢筋混凝土共同工作原理钢筋受拉，易腐蚀。

混凝土抗压能力强但抗拉能力弱，在了解钢筋及混凝土的这些性能后，本章将讨论二者的共同工作原理。

4.1 钢筋在混凝土中布置钢筋位于混凝土内部，其保护层厚度为25mm。

钢筋在构件中分为：拉结钢筋，弯起钢筋，箍筋，受力钢筋，架力筋。

二者工作原理为：混凝土主要承受受压区的压应力，受力钢筋位于构件受拉区部分，主要承受拉应力。

如此布置使得构件能够承受比素混凝土更大的作用力。

如图4-1 a为素混凝土，b为受拉区配置钢筋的混凝土。

4.2 钢筋与混凝土之间的作用力钢筋和混凝土这两种材料能够结合在一起共同工作，除二者具有相似的线性膨胀系数外，更主要的是二者之间有良好的粘接力及锚固措施。

4.2.1 粘接力在受力时钢筋与混凝土接触面上产生剪应力以抵抗钢筋与混凝土相对位移，这种剪应力称为粘结应力。

4.2.2 粘接力产生的原因及其组成1. 化学胶结力：这种作用力来自浇筑时水泥浆体对钢筋表面氧化层的渗透以及水化过程中水泥晶体的生长和硬化。

这种吸附作用力一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。

2. 摩阻力：混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力。

它是由于混凝土凝固时收缩，对钢筋产生垂直于摩擦面的压应力。

这种压应力越大，接触面的粗糙程度越大，摩阻力就越大。

3. 机械咬合力：由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。

对于光圆钢筋这种咬合力来自表面的粗糙不平。

4上三条为光圆钢筋粘接机理，对于变形钢筋与混凝土之间有机械咬合作用，改变了钢筋与混凝土间相互作用的方式，显著提高了粘接强度。

对于变形钢筋，咬合力是由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。

光圆钢筋和变形钢筋的粘接机理主要差别在于光圆钢筋粘接力主要来自胶结力和摩阻力，而变形钢筋的粘接力主要来自机械咬合作用。

4.2.3 影响粘接强度的因素1）混凝土强度：与劈拉强度呈正比。

2）保护层厚度：增加保护层，提高混凝土劈裂抗力。

3）横向钢筋：约束微裂缝发展，粘接强度得到提高。

4）横向压力：约束微裂缝发展，使钢筋与混凝土摩擦力增大。

5）浇注位置：浇注深度，顶部筋由于水分、气泡逸出，混凝土泌水下沉影响。

4.2.4 钢筋锚固钢筋受拉产生向外的膨胀力，这个膨胀力导致拉力传送到构件表面。

为了保证钢筋与混凝土之间有可靠的粘结，钢筋必须有一定的锚固长度。

4.2.5 保证钢筋和混凝土之间锚固的措施1 保证锚固粘结力和局部粘结应力的可靠传递。

1）锚固长度要求。

2）采用直径较小的钢筋和变形钢筋：增加接触面积等。

2 钢筋周围的混凝土应有足够的厚度（钢筋间距和保护层厚度）[4]3 钢筋末端设置弯钩。

4 混凝土的浇筑：与钢筋位置、振捣等。

5 锚固区的侧向压力。

结论通过调查研究，钢筋抗拉性能与抗压性能均良好，其经加工后具有多种性能，能够满足多种工程要求。

作为构件具有良好工程实用性，但是其抗腐蚀性能较弱，易生锈且易发生电化学反应。

混凝土抗压性能好抗拉能力弱，单独作为构件易被剪切力破坏，作为梁板构件受拉区易被拉坏。

当混凝土与钢筋共同工作时能充分发挥二者性能，钢筋布置于梁板受拉区可承受构件的大部分拉应力，在混凝土构件中使用预应力钢筋能够大幅提高构件承载力。

二者共同工作比其他材料更能发挥各自性能上的优点[1-3]。

在寒冷地区混凝土遇水冻胀及在水中易发生碱骨料反应，因此需要在混凝土中添加外加剂。

混凝土结构自重大仍是限制其发展的一个要素，世界各国正在研究各种轻质高强混凝土，目前已有进展。

在未来几十年中我国城市化的步伐进一步加快，钢筋混凝土将有更大的发展前景。

参考文献[1] 陈守兰建筑施工技术[M] 科学出版社2001：142-177，203-277.[2] 张海梅袁雪峰建筑材料[M] 科学出版社2001：55-66，139-147.[3] 丁天庭建筑结构[M] 高等教育出版社2003:16-23.[4] 王铁成混凝土结构[M] 中国建筑工业出版社2005：6-27.注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。