1、鋼筋混凝土性能之淺析摘要：鋼筋混凝土制品用于結(jié)構工程，至今略過百年。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于工程領域?；炷潦且环N以水硬性的水泥為主要膠結(jié)材料，以各種礦物成分的粗骨料為基體拌和而成的人工混合材料。它是鋼筋混凝土的主體，容納和圍護各種構造的鋼筋，成為合理的組合性結(jié)構材料。因而鋼筋混凝土結(jié)構（構件）的力學反應，在很大程度上取決于混凝土的材料性能，及其對鋼筋的支撐和約束作用。關鍵詞：鋼筋混凝土、耐久性、鋼管、箍筋、混凝土裂縫混凝土的耐久性混凝土結(jié)構應能在自然和人為環(huán)境的化學和物理作用下,滿足在規(guī)定的設計工作壽命期內(nèi)不出現(xiàn)無法接受的承載力減小、使用功能降低和不能接受的外觀破損等稱為混凝土結(jié)構的耐久性要求。耐

2、久性是指結(jié)構或構件在預定設計工作壽命期內(nèi),在正常維護條件下,不需要進行大修即可滿足正常使用和安全性功能要求的能力。對于一般混凝土結(jié)構,設計工作壽命為50年,重要的建筑物為100年。近年來,隨著建筑市場化的發(fā)展,業(yè)主也可以對建筑的壽命提出更高的要求。但是,實際工程中常發(fā)現(xiàn)這樣的問題,某些地區(qū)或環(huán)境條件下的成批結(jié)構,建成后不久,在遠低于預期的使用期限前,就因為各種原因而出現(xiàn)不同程度的損傷和局部破裂現(xiàn)象。如混凝土嚴重開裂、掉皮、棱角缺損,強度下降,鋼筋保護層剝落、裸露和銹蝕,構件彎曲下垂等,妨礙結(jié)構的繼續(xù)使用;更嚴重的甚至造成承載力損失,埋下安全隱患。例如某些化工和冶金工業(yè)建筑遭受化學侵蝕,建成后不

3、到10年就發(fā)生嚴重破壞,甚至尚未投入生產(chǎn)就要廢棄;沿海地區(qū)和海洋工程的混凝土結(jié)構受氯鹽侵蝕;露天的公路橋梁和路面,因冬季撒除冰鹽而造成嚴重腐蝕;嚴寒地區(qū)的結(jié)構,因遭受反復凍融作用而使混凝土脹裂等。這些都屬于混凝土結(jié)構的耐久性劣化或失效。據(jù)統(tǒng)計,我國現(xiàn)有的工業(yè)建筑中,約有半數(shù)需進行耐久性評估,其中半數(shù)以上急需維修加固后才能正常使用,鐵路橋梁中約有19%存在不同程度的損傷。可見,結(jié)構在預定的使用期限內(nèi),出現(xiàn)耐久性失效,不僅影響建筑物的正常生產(chǎn)和生活功能,而且造成巨大的直接經(jīng)濟損失。據(jù)國內(nèi)外資料,有些工程過早地出現(xiàn)破損現(xiàn)象,為了延長其使用年限而投入檢修和加固的費用,甚至超出原來投資的數(shù)倍?；炷两Y(jié)構

4、的特殊性能(抗震、疲勞、抗暴、抗高溫)有一共同特點,即主要研究材料和結(jié)構在不同條件下的受力(包括慣性力、沖擊力)作用所產(chǎn)生的承載力失效,與材料的力學性能(f,E)聯(lián)系密切。但混凝土及其結(jié)構的耐久性劣化或失效,本質(zhì)上并非外力作用所致,它具有以下主要特點。(1)在所處環(huán)境條件下,耐久性失效是由于外界介質(zhì)或材料內(nèi)部對混凝土的化學和物理作用的結(jié)果,混凝土耐久性失效的主要原因有:空氣中的CO2、海水或除冰鹽中的氯離子Cl-、水泥中的堿質(zhì)等與混凝土或鋼筋(Fe)的化學作用,多次溫度升降或凍融循環(huán),使混凝土交替地膨脹和收縮的物理作用等,造成混凝土內(nèi)部細觀結(jié)構的破壞,引發(fā)性能的退化。(2)耐久性失效是個緩慢的

5、積累過程。結(jié)構所受的荷載增大至極限值后,即時出現(xiàn)承載力失效,是以小時計、甚至以分秒計的短期現(xiàn)象。而結(jié)構的耐久性失效則是一個由外界環(huán)境因素和材料內(nèi)部對混凝土和鋼筋的緩慢作用后材料的損傷和退化由小擴大、由表及里的逐漸積累過程,是以月、年計甚至難以制定一個確切的失效標準和失效時刻。(3)引起耐久性失效的諸多因素相互關聯(lián)、相互影響。例如混凝土的碳化和化學腐蝕促使鋼筋銹蝕;堿骨料反應和凍融循環(huán)產(chǎn)生混凝土裂縫,促使混凝土碳化深入內(nèi)部和鋼筋銹蝕;鋼筋銹蝕后體積膨脹,產(chǎn)生順筋裂縫保護層爆裂等。(4)耐久性失效首先受控于正常使用極限狀態(tài)、而非承載力極限狀態(tài)。當混凝土結(jié)構因各種原因招致不可接受的外觀損傷,如裂縫寬

6、大、混凝土剝落、鋼筋外露和銹蝕等,已不能滿足使用功能,首先達到正常使用性極限狀態(tài)。此時,結(jié)構的承載力損失有限,并不立刻失效。當然,經(jīng)過更長的時間,材性劣化嚴重和損傷積累擴張后,仍有可能進入承載力極限狀態(tài)。混凝土的材性劣化和耐久性受損是一個復雜而緩慢的化學和物理作用的過程,影響因素眾多。許多因素,如環(huán)境條件和變遷、介質(zhì)含量等的隨機性強,更兼混凝土材料成分多樣,施工質(zhì)量不均,離散性大等,增大了不確定性和分析的難度。同時,也存在著不同的學術觀點、機理分析和計算模型。至今仍難以制定一個統(tǒng)一的、概念明確和定量準確的計算方法,供工程師們在設計新結(jié)構時采用。為了保證和提高混凝土結(jié)構的耐久性,目前采用的措施是

7、,依靠工程經(jīng)驗加強構造處理以及宏觀控制混凝土的材料成分和施工質(zhì)量。由于各類耐久性劣化之間相互聯(lián)系,多數(shù)都與混凝土內(nèi)部的空隙率和空結(jié)構有密切關系,因而它們的許多改進措施是一致和有利的。但是,也應注意到有些措施的兩面性,對改善某些耐久性的劣化現(xiàn)象有利,而對另一些現(xiàn)象可能反而有害。故對于提高混凝土耐久性所采取的措施,應做到全面深入的分析和評估,以免顧此失彼,適得其反?；炷恋牧W性能混凝土具有抗壓強度高、抗拉強度低的性能；而鋼筋具有抗拉強度高，且與混凝土具有良好的咬合作用，使它們成為天然的組合。混凝土結(jié)構中受力鋼筋的配設有兩種基本方式。沿構件的軸力或主應力方向設置縱向鋼筋，以保證抗拉承載力或增強抗壓

8、承載力，鋼筋的應力與軸力方向一致，稱為直接配筋。沿軸壓力或最大主壓應力的垂直方向配置箍筋，以約束其內(nèi)部混凝土的橫向膨脹變形，從而提高軸向抗壓承載力，這種方式稱橫向配筋或間接配筋。橫向配筋的構造有多種，如螺旋箍筋、矩形箍筋、鋼管等。它們的主要作用是約束其內(nèi)部混凝土的橫向變形。（一）鋼管混凝土 鋼管混凝土由鋼和混凝土兩種材料組成，是在鋼管中填充混凝土形成的構件。鋼管混凝土結(jié)構有效地利用鋼管和混凝土相互配合的作用，充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)點。它具有普通混凝土無法比擬的優(yōu)點，可節(jié)省鋼材、水泥、減少構件的橫斷面、減輕構件的自重，鋼管的內(nèi)部由于澆注了密實的混凝土而不易銹蝕，還可省去鋼筋、模板等敷設件。鋼管混

9、凝土最顯著的優(yōu)點是它改善了核心混凝土的受力狀態(tài)，提高了構件的塑性、韌性和承載能力，外型美觀，施工方便，經(jīng)濟效果好。鋼管混凝土是一種新型的結(jié)構形式，在我國主要研究和采用圓形截面的鋼管混凝土結(jié)構已取得了豐碩的成果，其研究理論在工程上得到廣泛運用。鋼管混凝土與高強高性能混凝土相比，具有廣闊的發(fā)展前景。高強混凝土雖在強度、節(jié)約水泥、減少構件截面尺寸、減輕自重等方面優(yōu)越于普通混凝土結(jié)構，廣泛地應用在高層建筑、大跨度結(jié)構和地下工程等。然而高強混凝土在實際工程運用中也暴露出脆性大、延性差等弱點，特別是在復雜的受力狀態(tài)下，脆性破壞控制難度較大，隨著建筑結(jié)構發(fā)展的要求，阻礙了其在實際工程中的應用。鋼管混凝上的發(fā)

10、展是將高強度混凝土灌人鋼管中形成的，吸納了兩種材料的特性優(yōu)點，核心棍凝土由于受到鋼管的約束，構件的塑性、韌性和承載力以及抗剪、抗扭能力有了較大地提高?？朔烁邚娀炷恋拇嘈源蟆⒀有圆畹娜觞c，并且具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。近年來，鋼管混凝土已在單層和多層工業(yè)廠房、地下工程、高爐和輸電構架等各種支架中得到了較為廣泛地應用，建造了大量的建筑物、構筑物和橋梁工程。具有關資料統(tǒng)計，鋼管混凝土柱與鋼柱相比可節(jié)鋼50%左右，與鋼筋混凝土相比，可節(jié)約混凝土50%以上。根據(jù)其自身的特點，鋼管混凝土尤為適用于拱橋、高層和超高層建筑以及震區(qū)建筑，不僅可以節(jié)約材料、減輕自重、提高抗震性能、減小構件面積，而且還可以

11、增加空間利用、降低造價。因此，鋼管混凝土在大跨結(jié)構、橋梁和高層建筑等工程方面將會有廣闊而良好的發(fā)展前景。 近年來，國內(nèi)外有關學者對鋼管混凝土構件的力學性能進行了大量的理論分析和試驗研究，應用各種不同的方法，其區(qū)別在于如何估算鋼管和核心混凝土之間相互約束而產(chǎn)生的“效應”，這種“效應”的存在導致其力學性能的復雜性。觀測試驗過程表明，所有的試件都有較好的延性和后期承載能力、。試件在受荷初期處于彈性階段，其外形無明顯的變化。當荷載加至極限荷載的40%-50%時，鋼管表面出現(xiàn)輕微的鐵皮脫落，局部開始出現(xiàn)45度剪切滑移線，表明鋼管已局部開始屈服，進人彈塑性階段。隨著外荷載的繼續(xù)增加，滑移線由少到多逐漸布滿

12、鋼管。當荷載加到極限荷載的70%-80%時，在鋼管徑試件中部開始有局部凸出現(xiàn)象，此時，鋼管的環(huán)向應變急劇增大，而試件的承載力有一定的下降，但很快又逐漸同升表明鋼管的縱向應力在下降，其承擔的部分荷載在轉(zhuǎn)移到核心徑上，環(huán)向應力在迅速增人，此時環(huán)箍效應才逐漸發(fā)揮。持續(xù)慢速加載，首先是 試件的上端局部出現(xiàn)凸出現(xiàn)象，其后試件的下端部逐步出現(xiàn)凸出現(xiàn)象，試件達到極限承載力。但是試件的承載力在一定范圍內(nèi)保持不動，并沒有下降的趨勢，可見鋼管混凝土構件在達到極限承載力之后，具有較好的后期承載能力。（二）箍筋柱在柱等主要承受軸壓力的構件中，箍筋的主要作用有：制作構件時，它與縱筋構成骨架，以保持鋼筋的正確形狀和位置；

13、長期使用階段，它可承受因混凝土收縮和環(huán)境溫濕度變化等產(chǎn)生的橫向應力，以防止或減少縱向裂縫；在構件的承載力極限階段，它減小了縱筋壓屈的自由長度，使之充分發(fā)揮抗壓強度，并有利于保證抗剪承載力等。所以，箍筋又是鋼筋混凝土結(jié)構中必不可少的組成部分。配有普通箍筋和縱向鋼筋的軸心受壓柱研究表明對長細比不大的短柱,不須考慮初始偏心矩的影響。在受力開始階段隨著荷載增加,縱向壓應變的增量與荷載的增加成正比,鋼筋和混凝土的壓應變增量也與荷載的增加成正比。當荷載較大時,由于混凝土的塑性變形,縱向壓應變的增加速度加快,縱向配筋率愈小,這個現(xiàn)象愈明顯。同時,在相同荷載增量下,縱向鋼筋的應力增量加快,而混凝土應力的增長減

14、緩。臨近破壞時,縱向鋼筋屈服(當鋼筋強度較高時,可能不會屈服),應力保持不變,混凝土壓應力增長加快,最后柱子出現(xiàn)與荷載平行的縱向裂縫,箍筋間的縱向鋼筋壓屈,向外鼓出,混凝土被壓碎,構件即告破壞。對長細比較大的柱子,則須考慮荷載由于初始偏心矩而產(chǎn)生的附加彎曲和相應的側(cè)向撓度,使長柱在軸力和彎矩的共同作用下,最終在受壓側(cè)的混凝土被壓碎而告破壞。根據(jù)以上受力特點,混凝土結(jié)構設計規(guī)范給出了軸心受壓柱正截面計算公式: (1)式中:0.9為使軸心受壓構件承載力設計值與偏心受壓承載力能協(xié)調(diào)而引入的系數(shù);為柱子的穩(wěn)定系數(shù); 為混凝土軸心抗壓強度設計值;A為混凝土柱的截面面積; 為縱向鋼筋的抗壓強度設計值; 為

15、全部縱向鋼筋的截面面積。從(1)式可見混凝土結(jié)構設計規(guī)范并未考慮箍筋核心混凝土約束而提高的承載力,這是因為箍筋的數(shù)量及形式還沒達到值得考慮它的作用的程度。但從下面的討論中將會看到,隨著箍筋的數(shù)量和形式的變化,它對提高混凝土柱的承載力的影響是不可忽視的。從圖1中看出,混凝土的抗壓強度在過了峰值應變后下降的很快,這與配普通箍筋的軸心受壓柱的破壞形態(tài)的描述一致。由此而見,只要阻止混凝土的側(cè)向應變,就能有效地提高其抗壓強度。2配有螺旋箍筋和縱向鋼筋的軸心受壓柱研究表明,在臨界荷載(大致相當于=0.8)以前,螺旋箍筋的應力很小,螺旋箍筋柱的荷載應變曲線與普通箍筋柱基本相同。當荷載繼續(xù)增加,直至混凝土和縱

16、向鋼筋的縱向壓應變達=0.0030.0035時,縱向鋼筋已經(jīng)屈服,箍筋外面的混凝土保護層開始崩裂脫落,混凝土的截面減少,荷載略有下降。這時,核心部分混凝土由于受到螺旋箍筋的約束,仍然繼續(xù)承受壓力,其抗壓強度超過了軸心抗壓強度,補償了剝落的外圍混凝土所承愛的壓力,曲線逐漸回升。隨著荷載的不斷增大,螺旋箍筋中環(huán)向拉應力也不斷增大,直至螺旋箍筋達到屈服,不能再約束核心混凝土的橫向變形,核心部分的混凝土抗壓強度不再提高,混凝土被壓碎,構件即告破壞。這時荷載達到第二次峰值,柱子的縱向應變可達0.01以上。第二次荷載峰值及相應的壓應變值與螺旋箍筋的配筋率(箍筋直徑和間距)有關。螺旋箍筋的配筋率越大,其值就

17、越大。此外,螺旋箍筋柱具有很好的延性,在承載力不降低的情況下,其變形能力比普通箍筋混凝土柱提高很多。3配有復合箍筋和縱向鋼筋的鋼筋混凝土柱這類柱子在承載力和延性方面介于單肢箍柱或無箍筋柱與螺旋箍筋柱之間,參考文獻指出,當箍筋的間距S4cm時,應力不出現(xiàn)第二次峰值,而峰值應變比素混凝土的大得多。當使用高強鋼筋5做箍筋時,其延性得到改善,核心混凝土的應力應變曲線幾乎同鋼材的應力應變曲線相似。這說明當箍筋配置到一定程度時,可達到所需要的延性。一般認為箍筋對受壓混凝土的應力應變曲線后階段有所改善,對峰值應變之前階段無多大的改善。而根據(jù)國內(nèi)外對復合綁扎筋約束混凝土的應力應變的研究表明,復合綁扎箍筋和螺旋

18、箍筋對核心混凝土的峰值應變都有相當大的改善?；炷亮芽p建筑結(jié)構產(chǎn)生裂縫是很普遍的現(xiàn)象。只要仔細觀察,就會發(fā)現(xiàn),普通的鋼筋混凝土結(jié)構一般都是帶裂縫工作的,而且有些裂縫還是時刻發(fā)展變化的。隨著裂縫的發(fā)展變化,結(jié)構構件的耐久性和適用性就會不同程度的降低,嚴重的會影響到結(jié)構的安全,甚至引起結(jié)構構件的破壞。這主要是因為混凝土抗拉強度很低,在不大的拉應力作用下就有可能出現(xiàn)裂縫。裂縫按其引起的原因可分為由荷載效應引起的裂縫及由非荷載效應引起的裂縫兩大類。（一）由非荷載效應引起的裂縫1.溫度收縮裂縫。它是混凝土收縮與冷縮的共同結(jié)果。當混凝土的收縮與冷縮受到內(nèi)部或外部的約束時,就會在混凝土內(nèi)產(chǎn)生約束拉應力,進而

19、產(chǎn)生裂縫。在工程實踐中,這類裂縫較多見,如平面尺寸較大的建筑物,其屋面板往往會產(chǎn)生平行于建筑短向的裂縫;煙囪由于外表面間溫差較大而產(chǎn)生垂直裂縫等。2.由于基礎的不均勻沉降也會使結(jié)構的某些部位產(chǎn)生裂縫。由于地基變形造成的應力相對較大,使得裂縫一般是貫穿性的。例如與裙房連成一體的高層建筑可能在主裙樓交接處的某些部位產(chǎn)生裂縫。3.由混凝土的碳化引起的鋼筋銹蝕膨脹裂縫是應予重視的又一類裂縫。鋼筋因銹蝕而體積增大,將混凝土脹裂而形成沿鋼筋長度方向的縱向裂縫,其特點是先銹后裂,一旦出現(xiàn)問題就十分嚴重。4.大體積混凝土硬結(jié)時,其水化熱使結(jié)構的內(nèi)外表面產(chǎn)生較大的溫差,導致外表面出現(xiàn)垂直構件表面的裂縫。最常見的

20、是鋼筋混凝土梁、板等受彎構件,在使用荷載作用下往往會出現(xiàn)不同程序的裂縫。5.混凝土的徐變?；炷恋男熳冊斐砷_裂或裂縫發(fā)展的例子工程中也很常見。據(jù)文獻記載受彎構件截面混凝土徐變,會使構件的變形增大23倍,在鋼筋混凝土截面中引起應力重分布,在預應力混凝土結(jié)構中會造成預應力損失。（二）荷載效應的直接作用引起的裂縫荷載效應包括彎矩、剪力、扭矩及拉力等。當荷載效應使截面的拉應力超過混凝土的抗拉強度時,就會產(chǎn)生裂縫。裂縫的位置、方向、寬度等與結(jié)構的受力狀態(tài)直接有關,最常見的鋼筋混凝土梁板受彎構件,在使用荷載作用下往往會出現(xiàn)不同程度的裂縫。（三）裂縫預防措施調(diào)查表明:工程實踐中結(jié)構物的裂縫,由荷載效應產(chǎn)生的

21、、影響正常使用的裂縫僅占一小部分,大部分裂縫是由非荷載效應產(chǎn)生的。實際工程中應綜合考慮,從計算、構造、施工、材料等方面采取措施,避免出現(xiàn)影響適用性和耐久性的各類裂縫。1.在溫度、收縮應力較大的現(xiàn)澆板區(qū)域、加配溫度收縮鋼筋。溫度收縮鋼筋可利用原有鋼筋貫通布置,也可另行設置構造鋼筋網(wǎng)。對體形較長的建筑,應設置伸縮縫或施工后澆帶等措施來避免溫度收縮裂縫。2.建筑平面力求簡單,合理調(diào)整各部分承重結(jié)構的受力情況,使荷載分布均勻,盡量防止應力過于集中?？刂平ㄖ锏牡雀弑?增加整體剛度,正確設置沉降縫,適當增加基礎剛度和強度等,以上措施可減少由于基礎不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫。3.合理確定混凝土保護層的厚度。規(guī)范

22、中混凝土保護層厚度的確定,對于二、三類環(huán)境中的構件,主要是按設計使用年限混凝土保護層完全碳化確定的,但并不是說,混凝土保護層越厚越好,因為增大厚度一方面不經(jīng)濟,另一方面使裂縫寬度更大,起不到保護鋼筋不被銹蝕的作用。4.對大體積混凝土的施工,應優(yōu)先選用水化熱較低的水泥,嚴禁使用安定性不合格的水泥,并宜摻加適當?shù)耐饧觿?減少混凝土硬結(jié)時產(chǎn)生的水化熱。5.對于混凝土的徐變,應了解其以下特點:加荷時混凝土齡期越早,徐變越大;水泥用量越多,徐變越大;水灰越大,徐變越大;骨料越堅硬,彈性模量越高、對水泥徐變的約束作用越大,混凝土的徐變越小;養(yǎng)護的溫度高,濕度大,水泥水化作用充分,徐變越小。了解了徐變的以上

23、特點,可有效地減少由于混凝土徐變而產(chǎn)生的裂縫。6.施工中注意混凝土的養(yǎng)護,特別是早期養(yǎng)護質(zhì)量與裂縫的關系密切,混凝土尚處于未完全硬化狀態(tài)時,如干燥過快,則產(chǎn)生收縮裂縫,通常發(fā)生在表面上,裂縫不規(guī)則,寬度小,另外水泥在水化及硬化過程中,散發(fā)大量熱量,使混凝土內(nèi)外部產(chǎn)生溫差,超過一定值時,因混凝土的收縮不一致而產(chǎn)生裂縫。（四）混凝土耐火性結(jié)構材料耐火性的研究是建筑結(jié)構耐火研究領域的主要方向之一, 作為主要結(jié)構材料的混凝土的耐火性一直備受重視?；炷聊突鹦约椿炷猎诨馂母邷叵碌男阅? 包括高溫下的抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、粘結(jié)強度、彈性模量、應力- 應變曲線、導熱系數(shù)、比熱、顯氣孔率、體積密度、

24、線膨脹率、耐火度、荷重軟化溫度、熱震穩(wěn)定性等等指標。科學研究表明, 混凝土耐火性一旦得到提升, 相應的建筑結(jié)構的耐火性也會有較大程度的增強。混凝土自身的耐火性通過對混凝土構件的耐火性的顯著影響, 從而影響建筑結(jié)構的耐火性?；炷翉哪突鸪潭壬峡梢苑譃橐话慊炷梁湍突? 熱) 混凝土兩大類。一般混凝土是由水泥、水、骨料和外加劑經(jīng)過攪拌、澆搗和硬化過程形成的一種水硬性復合材料。在高溫作用下, 混凝土將發(fā)生熱分解, 從而改變混凝土的力學性能。溫度達到 100時,混凝土排出游離水; 200時, 排出化學結(jié)合水; 350時, 硅酸鈣和鋁酸鈣脫水; 570時, 氫氧化鈣脫水分解, 導致混凝土結(jié)構破壞, 使得混凝土強度大大降低。同時, 混凝土的彈性模量也隨溫度升高而降低, 當溫度達到 500時, 彈性模量降為原來的一半左右; 達到 700時, 彈性模量約為原來的四分之一。對