淺談鋼筋和混凝土兩種材料在建筑結(jié)構(gòu)中的協(xié)同工作

王美艷

摘 要：文章從分析鋼筋和混凝土各自的力學(xué)性能出發(fā)，闡述了普通鋼筋和普通混凝土兩種材料在建筑結(jié)構(gòu)受力中的分工和合作，同時對高強(qiáng)鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土提出了美好的展望。

關(guān)鍵詞：鋼筋；混凝土；性能優(yōu)勢；分工；合作

鋼筋混凝土是現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)中不可缺少的建筑材料。鋼筋混凝土是由鋼材和混凝土兩種建筑材料復(fù)合而成的一種建筑材料。在建筑結(jié)構(gòu)受力過程中，他們各自發(fā)揮自身的力學(xué)性能優(yōu)勢，協(xié)同工作，共同造就了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的輝煌和特色。

1 鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能

在力學(xué)性能方面，兩種材料各有特點(diǎn)。

混凝土的強(qiáng)度等級是按照150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后用標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法測得的具有95%以上保證率的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定的?；炷涟凑掌鋸?qiáng)度等級可以分為C15，C20，C25，C30……C75，C80，共14個等級。通過查閱《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）4.1.3和4.1.4可知各種型號混凝土軸心抗壓/抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fck/ftk）和設(shè)計值（fc/ft）。例如C30混凝土，fck=20.1N/mm2，fc=14.3N/mm2，ftk=2.01N/mm2，ft=1.43N/mm2。

鋼筋這種建筑材料幾乎是伴隨著混凝土的存在而存在。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中我們?nèi)〉氖卿摻畹那?qiáng)度為其設(shè)計的極限強(qiáng)度，因此鋼筋的分類是按照其屈服強(qiáng)度進(jìn)行的，可以分為四個級別，分別是Ⅰ級（HPB300），Ⅱ級（HRB335，HRBF335），Ⅲ級（HRB400，HRBF400，RRB400），Ⅳ級（HRB500，HRBF500）。查閱《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）4.2.2和4.2.3可知各個型號的普通鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fyk），極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值（fy）和抗壓強(qiáng)度設(shè)計值（fy′）。例如HRB335鋼筋，其fyk=335N/mm2，fy=300N/mm2，fy′=300N/mm2。

通過以上數(shù)據(jù)分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，鋼材的抗拉能力和抗壓能力都非常好，混凝土的抗壓能力還可以，但其抗拉能力非常差。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，正是利用了他們各自的優(yōu)勢能力，才使得鋼筋混凝土這種建筑材料得以蓬勃發(fā)展。

2 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點(diǎn)

構(gòu)件的四種基本變形形式是軸向拉伸或壓縮變形、剪切變形、彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載的作用下發(fā)生各種變形，可能是基本變形中的一種，也可能是組合變形。對于組合變形的處理方式，一般就是把組合變形拆成基本變形，然后疊加在一起完成的。因此，各種變形，無論是復(fù)雜的組合變形，還是單一的基本變形，最終都是從基本變形為切入點(diǎn)，找到危險點(diǎn)進(jìn)行完成。

軸向受壓構(gòu)件最典型的就是軸壓柱了。軸壓柱承受的軸向外荷載，在其內(nèi)部產(chǎn)生軸向壓力，微分到每一點(diǎn)上，就是壓應(yīng)力。這就是軸壓柱的受力特點(diǎn)—承受軸向壓力，產(chǎn)生壓應(yīng)力。

鋼筋混凝土的彎曲構(gòu)件最典型的就是梁了。工程中的彎曲變形絕大多數(shù)是橫力彎曲。橫力彎曲中既有正應(yīng)力，又有切應(yīng)力。通過研究發(fā)現(xiàn)，在梁的跨高比l/h大于5時，橫力彎曲的誤差非常小。因此在梁的設(shè)計中，只要滿足跨高比l/h>5，我們就忽略掉切應(yīng)力產(chǎn)生的誤差，按照純彎曲的經(jīng)驗公式來進(jìn)行。

在彎曲變形中，構(gòu)件的同一個截面的各個點(diǎn)，以中性軸為界，一部分受拉，另一部分受壓，離中性軸越遠(yuǎn)，應(yīng)力越大。也就是說，在梁中，既有壓應(yīng)力，又有拉應(yīng)力，邊緣處應(yīng)力最大。

通過上述我們找到了在外力作用下內(nèi)力在各點(diǎn)上的分布情況。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，我們就是利用鋼筋和混凝土兩種材料各自的力學(xué)性能優(yōu)勢，統(tǒng)籌考慮安全和經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行設(shè)計的。

3 鋼筋和混凝土的協(xié)同工作

鋼筋和混凝土各自有自己的優(yōu)勢。鋼材的抗拉能力和抗壓能力都很強(qiáng)，混凝土的抗壓能力雖與鋼筋相比相差較大，但其造價相對低廉，耐久性好。鋼筋和混凝土各自取其優(yōu)點(diǎn)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，協(xié)同工作。

首先，鋼材和混凝土具有相近的線膨脹系數(shù)?；炷恋木€膨脹系數(shù)是1.0×10-5/℃，鋼筋的線膨脹系數(shù)是1.2×10-5/℃。這使得他們不會由于溫度變化而產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致他們之間產(chǎn)生不可忽略的破壞作用。

其次，鋼材和混凝土表面有良好的粘結(jié)作用。這種粘結(jié)作用主要包括化學(xué)粘結(jié)作用，摩擦作用和機(jī)械咬合作用。它們可以承受粘結(jié)表面上的剪應(yīng)力，抵抗鋼筋和混凝土由于溫度影響和外力影響而產(chǎn)生的相對滑動。

以上兩方面原因使得鋼筋和混凝土可以共同工作。那么他們在結(jié)構(gòu)受力中是怎樣分工和合作的呢？基本的分工和合作原則是鋼筋抗拉，混凝土抗壓。如果抗壓工作混凝土不能獨(dú)立完成，設(shè)置部分鋼筋和混凝土共同抗壓。

在軸壓柱中，由于柱中只有壓應(yīng)力。所有鋼筋混凝土柱中的縱向鋼筋和混凝土一起共同抗壓，即N≤0.9φ（fy′As+fcA）。式中fy′As表示的是混凝土分擔(dān)的抗壓工作，fcA表示的是鋼筋分擔(dān)的抗壓工作。φ是考慮壓桿穩(wěn)定時的穩(wěn)定系數(shù)，0.9是考慮施工和使用過程中造成的偏差使得柱子不完全是軸向受壓的而采取的折減系數(shù)。

在受彎構(gòu)件的典型代表構(gòu)件梁中，由于混凝土的抗拉能力實(shí)在是太差了，統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)和安全，在設(shè)計中，沒有特殊要求的情況下，忽略掉混凝土微薄的抗拉能力，把鋼筋混凝土梁設(shè)計成帶裂縫工作階段，拉區(qū)鋼筋獨(dú)立抗拉。在壓區(qū)首先考慮讓混凝土抗壓。如果混凝土不能獨(dú)立抗壓，再設(shè)計上部分鋼筋和混凝土共同抗壓。單筋梁和雙筋梁的區(qū)別是壓區(qū)的鋼筋是否參與抗壓工作。當(dāng)然，一般情況下單筋梁的壓區(qū)也會有縱向鋼筋，不過這時候這縱向鋼筋不是為受力設(shè)計的，而是構(gòu)造設(shè)計的，其作用是固定箍筋的位置，同時抵抗壓區(qū)混凝土收縮過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。

4 結(jié)語

鋼筋和混凝土兩種性質(zhì)迥異的建筑材料，在我們對其有了較為全面的認(rèn)識之后，將兩種建筑材料各自發(fā)揮其優(yōu)勢，又互相補(bǔ)足其劣勢。在工程中，鋼筋充分發(fā)揮了其抗拉能力強(qiáng)的優(yōu)勢，混凝土充分發(fā)揮了其抗壓能力還不錯以及造價相對低廉的優(yōu)勢。同時，由于混凝土的保護(hù)作用，使得鋼材易氧化和防火性能差等劣勢得以規(guī)避；鋼材的抗拉能力非常強(qiáng)又把混凝土的抗拉能力非常差補(bǔ)足。鋼筋和混凝土的協(xié)同工作可謂完美。當(dāng)然這完美，是有限度的。由于混凝土的能力較鋼筋的能力有一定的差距，這使得普通的鋼筋混凝土構(gòu)件中只能設(shè)計成普通鋼筋（Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級）才不浪費(fèi)。那么高強(qiáng)鋼筋Ⅳ級又如何發(fā)揮其高強(qiáng)性能呢？現(xiàn)在又一種新型的復(fù)合材料—預(yù)應(yīng)力混凝土，可謂是思想創(chuàng)新與材料性能的又一次完美結(jié)合。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50 010-2010）[M].中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] 沈養(yǎng)中.建筑力學(xué)（上冊）[M].科學(xué)出版社，2003.

[3] 劉鳳翰.建筑結(jié)構(gòu)（上冊）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.