王美艷

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

關鍵詞：鋼筋；混凝土；性能優(yōu)勢；分工；合作

鋼筋混凝土是現在建筑結構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合而成的一種建筑材料。在建筑結構受力過程中，他們各自發(fā)揮自身的力學性能優(yōu)勢，協(xié)同工作，共同造就了鋼筋混凝土結構的輝煌和特色。

1 鋼筋和混凝土材料的力學性能

在力學性能方面，兩種材料各有特點。

混凝土的強度等級是按照150mm×150mm×150mm的標準立方體試件，標準養(yǎng)護28d后用標準的試驗方法測得的具有95%以上保證率的抗壓強度標準值確定的?；炷涟凑掌鋸姸鹊燃壙梢苑譃镃15，C20，C25，C30……C75，C80，共14個等級。通過查閱《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2010）4.1.3和4.1.4可知各種型號混凝土軸心抗壓/抗拉強度標準值（fck/ftk）和設計值（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。在結構設計中我們取的是鋼筋的屈服強度為其設計的極限強度，因此鋼筋的分類是按照其屈服強度進行的，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《混凝土結構設計規(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度標準值（fyk），極限強度標準值，抗拉強度設計值（fy）和抗壓強度設計值（fy′）。例如HRB335鋼筋，其fyk=335N/mm2，fy=300N/mm2，fy′=300N/mm2。

通過以上數據分析，我們可以發(fā)現，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。在建筑結構設計中，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 建筑結構構件的受力特點

構件的四種基本變形形式是軸向拉伸或壓縮變形、剪切變形、彎曲變形和扭轉變形。建筑結構構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，找到危險點進行完成。

軸向受壓構件最典型的就是軸壓柱了。軸壓柱承受的軸向外荷載，在其內部產生軸向壓力，微分到每一點上，就是壓應力。這就是軸壓柱的受力特點—承受軸向壓力，產生壓應力。

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

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

通過上述我們找到了在外力作用下內力在各點上的分布情況。在鋼筋混凝土結構中，我們就是利用鋼筋和混凝土兩種材料各自的力學性能優(yōu)勢，統(tǒng)籌考慮安全和經濟因素進行設計的。

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，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，統(tǒng)籌協(xié)調，協(xié)同工作。

首先，鋼材和混凝土具有相近的線膨脹系數?；炷恋木€膨脹系數是1.0×10-5/℃，鋼筋的線膨脹系數是1.2×10-5/℃。這使得他們不會由于溫度變化而產生應力導致他們之間產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作用。這種粘結作用主要包括化學粘結作用，摩擦作用和機械咬合作用。它們可以承受粘結表面上的剪應力，抵抗鋼筋和混凝土由于溫度影響和外力影響而產生的相對滑動。

以上兩方面原因使得鋼筋和混凝土可以共同工作。那么他們在結構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立完成，設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的抗壓工作，fcA表示的是鋼筋分擔的抗壓工作。φ是考慮壓桿穩(wěn)定時的穩(wěn)定系數，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。

在受彎構件的典型代表構件梁中，由于混凝土的抗拉能力實在是太差了，統(tǒng)籌經濟和安全，在設計中，沒有特殊要求的情況下，忽略掉混凝土微薄的抗拉能力，把鋼筋混凝土梁設計成帶裂縫工作階段，拉區(qū)鋼筋獨立抗拉。在壓區(qū)首先考慮讓混凝土抗壓。如果混凝土不能獨立抗壓，再設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計的，而是構造設計的，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生的應力。

4 結語

鋼筋和混凝土兩種性質迥異的建筑材料，在我們對其有了較為全面的認識之后，將兩種建筑材料各自發(fā)揮其優(yōu)勢，又互相補足其劣勢。在工程中，鋼筋充分發(fā)揮了其抗拉能力強的優(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又把混凝土的抗拉能力非常差補足。鋼筋和混凝土的協(xié)同工作可謂完美。當然這完美，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件中只能設計成普通鋼筋（Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級）才不浪費。那么高強鋼筋Ⅳ級又如何發(fā)揮其高強性能呢？現在又一種新型的復合材料—預應力混凝土，可謂是思想創(chuàng)新與材料性能的又一次完美結合。

參考文獻

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