钢筋混凝土

钢筋混凝土(RC)，也称为钢筋水泥混凝土(RCC)和钢筋混凝土，是一种复合材料，其中混凝土相对较低的抗拉强度和延展性通过包含具有较高抗拉强度或延展性的钢筋来补偿。钢筋通常（但不一定）是钢筋（钢筋），并且通常在混凝土凝固之前被动地嵌入混凝土中。然而，后张法也被用作加固混凝土的技术。就每年使用量而言，它是最常见的工程材料之一。在腐蚀工程术语中，如果设计正确，混凝土的碱度可以保护钢筋免受腐蚀。

加固方案通常设计用于抵抗可能导致不可接受的开裂和/或结构失效的混凝土特定区域的拉应力。现代钢筋混凝土可以包含由钢、聚合物或替代复合材料制成的各种增强材料，是否与钢筋结合使用。钢筋混凝土也可以承受xxx应力（混凝土受压，钢筋受拉），以改善最终结构在工作载荷下的性能。在美国，最常用的方法是预张紧和后张紧。对于坚固、延展和耐用的结构，钢筋至少需要具有以下特性：

• 相对强度高
• 对拉伸应变的高耐受性
• 与混凝土的良好粘合，不受pH值、湿度和类似因素的影响
• 热相容性，不会因温度变化而引起不可接受的应力（例如膨胀或收缩）。
• 在混凝土环境中的耐久性，例如不受腐蚀或持续应力的影响。

位于俄罗斯斯维尔德洛夫斯克州涅维扬斯克镇的涅维扬斯克斜塔是已知的xxx座使用钢筋混凝土作为施工方法的建筑。它建于1721年至1725年间的实业家AkinfiyDemidov的命令之上。FrançoisCoignet使用钢筋混凝土作为建造建筑结构的技术。1853年，Coignet在巴黎郊区的72rueCharlesMichels建造了xxx座钢筋混凝土结构的四层房屋。Coignet对钢筋混凝土的描述表明，他这样做不是为了增加混凝土的强度，而是为了防止整体结构中的墙壁倾覆。布鲁克林的皮蓬大楼就是他技术的证明。1854年，英国建筑师威廉·B·威尔金森加固了他正在建造的两层楼房的混凝土屋顶和地板。他对钢筋的定位表明，与他的前任不同，他了解拉伸应力。JosephMonier是19世纪的法国园丁，他是结构、预制和钢筋混凝土开发的先驱，他对现有可用于制作耐用花盆的材料不满意。他获得了一项通过混合金属丝网和砂浆壳来加固混凝土花盆的专利。1877年，莫尼尔获得了另一项专利，该专利采用了一种更先进的混凝土柱和梁加固技术，该技术使用以网格形式放置的铁棒。虽然莫尼尔无疑知道钢筋混凝土会提高其内部凝聚力，但他是否甚至不清楚钢筋混凝土的抗拉强度提高了多少。在1870年代之前，混凝土建筑的使用虽然可以追溯到罗马帝国，并在19世纪初被重新引入，但还不是一种经过验证的科学技术。ThaddeusHyatt发表了一份题为“关于将波特兰水泥混凝土与铁结合作为建筑材料的一些实验的记录”的报告，其中提到了建筑中金属的经济性以及屋顶、地板和人行道表面的防火安全，其中他报告了他关于钢筋混凝土行为的实验。他的工作在混凝土建筑作为一门经过验证和研究的科学的演变中发挥了重要作用。如果没有凯悦的工作，技术进步可能会依赖更危险的试错方法。ErnestL.Ransome是一位英国出生的工程师，是19世纪末钢筋混凝土技术的早期创新者。利用过去50年来发展起来的钢筋混凝土知识，Ransome改进了几乎所有早期钢筋混凝土发明者的风格和技术。Ransome的关键创新是扭转钢筋，从而提高其与混凝土的结合力。Ransome从他的混凝土建筑中获得了越来越多的名气，他能够建造北美xxx座钢筋混凝土桥梁中的两座。他的一座桥仍然矗立在纽约东区的谢尔特岛上，美国最早建造的混凝土建筑之一是威廉沃德设计的私人住宅，于1876年完工。这座住宅的设计特别是防火。GAWayss是德国土木工程师，也是钢铁混凝土结构的先驱。1879年，Wayss购买了Monier的德国专利权，1884年，他的公司Wayss&Freytag首次将钢筋混凝土用于商业用途。直到1890年代，Wayss和他的公司为莫尼尔加固系统的进步做出了巨大贡献，并将其确立为一项发达的科学技术。最早用钢筋混凝土建造的摩天大楼之一是辛辛那提的16层英格尔斯大厦，建于1904年。南加州xxx座钢筋混凝土建筑是洛杉矶市中心的劳克林附楼，建于1905年。据报道，1906年，洛杉矶市的钢筋混凝土建筑获得了16个建筑许可证，包括圣殿礼堂和8层的海沃德酒店。1906年，长滩的比克斯比酒店在施工期间因过早拆除支撑物而部分倒塌，造成10名工人死亡。该事件引发了对混凝土安装实践和建筑检查的审查。该结构由钢筋混凝土框架构成，带有空心粘土瓦肋地板和空心粘土瓦填充墙。这种做法受到专家的强烈质疑，并提出了“纯”混凝土结构的建议，在地板和墙壁以及框架上使用钢筋混凝土。1904年4月，开创了钢筋混凝土美学用途的美国建筑师和工程师JuliaMorgan在米尔斯学院完成了她的xxx个钢筋混凝土结构ElCampanil，这是一座72英尺（22m）的钟楼，位于对面从旧金山湾。两年后，ElCampanil在1906年旧金山地震中安然无恙地幸存下来，这帮助她建立了声誉并开始了她多产的职业生涯。1906年的地震也改变了公众对钢筋混凝土作为建筑材料的最初抵抗力，这种材料因被认为乏味而受到批评。1908年，旧金山监事会修改了该市的建筑规范，以允许更广泛地使用钢筋混凝土。1906年，全国水泥用户协会(NACU)发布了第1号标准，并于1910年发布了钢筋混凝土使用标准建筑法规。

许多不同类型的结构和结构组件可以使用钢筋混凝土建造，包括板、墙、梁、柱、基础、框架等。钢筋混凝土可分为预制混凝土或现浇混凝土。设计和实施最高效的地板系统是创建最佳建筑结构的关键。地板系统设计的微小变化会对材料成本、施工进度、极限强度、运营成本、占用水平和建筑物的最终用途产生重大影响。没有钢筋，就不可能用混凝土材料建造现代结构。

梁在弯矩作用下弯曲，导致曲率很小。在曲率的外表面（受拉面），混凝土承受拉应力，而在内表面（受压面）承受压应力。单筋梁是这样一种梁，其中混凝土构件仅在受拉面附近进行加固，而钢筋称为受拉钢，旨在抵抗拉力。双钢筋梁是除了受拉钢筋外，混凝土构件还在受压面附近进行加固的部分，以帮助混凝土抵抗压力并承受应力。后一种钢筋称为压缩钢。当混凝土的受压区不足以抵抗弯矩（正弯矩）时，如果建筑师限制截面的尺寸，则必须提供额外的钢筋。欠筋梁是受拉钢筋的抗拉能力小于混凝土和受压钢筋的组合抗压能力（受拉面欠筋）的梁。当钢筋混凝土构件承受不断增加的弯矩时，受拉钢筋屈服，而混凝土并未达到其极限破坏状态。随着受拉钢筋的屈服和拉伸，钢筋不足的混凝土也以延展方式屈服，在最终失效之前表现出大的变形和警告。在这种情况下，钢材的屈服应力决定了设计。超配筋梁是一种受拉钢筋的抗拉能力大于混凝土和受压钢筋的组合受压能力（在受拉面超配）的梁。因此，超钢筋混凝土梁在受压区混凝土的压碎和受拉区钢筋屈服之前发生破坏，由于破坏是瞬时的，因此在破坏前不会提供任何警告。平衡钢筋梁是在梁上施加相同荷载的情况下，受压区和受拉区都达到屈服，混凝土会压碎，受拉钢筋会同时屈服。然而，这种设计标准与过度钢筋混凝土一样具有风险，因为混凝土在受拉钢筋屈服的同时压碎，破坏是突然的，这几乎不会对张力破坏中的痛苦发出警告。钢筋混凝土承重构件通常应设计为钢筋不足，以便结构的用户会收到即将倒塌的警告。特征强度是一种材料的强度，其中少于5%的试样显示出较低的强度。设计强度或标称强度是材料的强度，包括材料安全系数。在许用应力设计中，安全系数的取值一般在0.75到0.85之间。极限状态是具有一定概率的理论失效点。它在分解载荷和分解电阻下进行说明。钢筋混凝土结构通常根据规则和法规或诸如ACI-318、CEB、Eurocode2等规范的建议进行设计。WSD、USD或LRFD方法用于RC结构构件的设计。钢筋混凝土构件的分析和设计可以使用线性或非线性方法进行。在应用安全系数时，建筑规范通常建议采用线性方法，但在某些情况下采用非线性方法。要查看非线性数值模拟和计算的示例，请访问参考资料：

预应力混凝土是一种xxx提高混凝土梁的承载强度的技术。梁底部的钢筋在使用时会受到拉力，在周围浇注混凝土之前，它会受到拉力。一旦混凝土硬化，钢筋上的张力就会被释放，从而在混凝土上施加一个内置的压缩​​力。当施加载荷时，钢筋承受更大的应力，混凝土中的压缩力减小，但不会变成拉力。由于混凝土始终处于受压状态，因此不易开裂和破坏。

钢筋混凝土可能因强度不足而失效，导致机械故障，或由于其耐久性降低。腐蚀和冻融循环可能会损坏设计或构造不佳的钢筋混凝土。当钢筋腐蚀时，氧化产物（锈）会膨胀并趋于剥落，使混凝土开裂并使钢筋与混凝土脱开。下面讨论导致耐久性问题的典型机制。

在钢板结构中，纵梁连接平行钢板。板组件在场外制造，并在现场焊接在一起以形成由纵梁连接的钢墙。墙壁成为混凝土浇注的形式。钢板施工省去了耗时的现场手动绑扎钢筋和建筑模板的步骤，从而加快了钢筋混凝土的施工速度。该方法产生了极好的强度，因为钢在外面，那里的拉力通常是xxx的。

纤维增强主要用于喷射混凝土，但也可用于普通混凝土。纤维增强普通混凝土主要用于地面地板和人行道，但也可以考虑用于各种建筑部件（梁、柱、基础等），无论是单独使用还是与手绑钢筋一起使用。用纤维（通常是钢、玻璃、塑料纤维）或纤维素聚合物纤维增强的混凝土比手绑钢筋便宜。纤维的形状、尺寸和长度很重要。细而短的纤维，例如短的毛状玻璃纤维，仅在混凝土浇筑后的最初几个小时内有效（其作用是在混凝土硬化时减少开裂），但不会增加混凝土的抗拉强度.用于欧洲喷射混凝土的普通尺寸纤维（直径1毫米，长度45毫米——钢或塑料）将增加混凝土的抗拉强度。纤维增强最常用于补充或部分替代主要钢筋，在某些情况下，它可以设计为完全替代钢筋。钢是最坚固的常用纤维，具有不同的长度（欧洲为30至80毫米）和形状（端钩）。钢纤维只能用于可以耐受或避免腐蚀和锈迹的表面。在某些情况下，钢纤维表面会面对其他材料。玻璃纤维价格低廉且耐腐蚀，但不如钢具有延展性。最近，在东欧长期可用的玄武岩纺丝纤维已在美国和西欧可用。玄武岩纤维比玻璃更坚固、更便宜，但从历史上看，它不能很好地抵抗波特兰水泥的碱性环境，无法用作直接增强材料。新材料使用塑料粘合剂将玄武岩纤维与水泥隔离。优质纤维是石墨增强塑料纤维，其强度几乎与钢一样，重量更轻且耐腐蚀。一些实验已经在碳纳米管上取得了可喜的早期结果，但这种材料对于任何建筑来说仍然过于昂贵。

混凝土的非钢筋增强和纤维增强的主题之间存在相当大的重叠。混凝土非钢筋的引入是相对较新的；它有两种主要形式：非金属钢筋和掺入水泥基体中的非钢（通常也是非金属）纤维。例如，人们对玻璃纤维增​​强混凝土(GFRC)和掺入混凝土的聚合物纤维的各种应用越来越感兴趣。虽然目前并没有太多的建议表明此类材料将取代金属钢筋，但其中一些在特定应用中具有重大优势，也有一些新的应用根本无法选择金属钢筋。然而，非钢加固的设计和应用充满挑战。一方面，混凝土是一种高碱性环境，其中包括大多数玻璃在内的许多材料的使用寿命都很差。此外，这种增强材料的行为不同于金属的行为，例如在剪切强度、蠕变和弹性方面。纤维增强塑料/聚合物(FRP)和玻璃增强塑料(GRP)由聚合物、玻璃、碳、芳纶或其他聚合物的纤维或设置在树脂基体中的高强度纤维组成，以形成钢筋棒或网格，或纤维。这些钢筋的安装方式与钢筋大致相同。成本较高，但如果应用得当，这些结构具有优势，特别是通过固有的混凝土碱度或可能渗透混凝土的外部腐蚀性流体，显着减少了与腐蚀有关的问题。这些结构可以明显更轻，并且通常具有更长的使用寿命。自从这些材料在航空航天工业和军队中被广泛采用以来，它们的成本已经大幅下降。特别是，FRP棒可用于不能接受钢的结构。例如，MRI机器具有巨大的磁铁，因此需要非磁性建筑物。同样，读取无线电标签的收费站需要对无线电波透明的钢筋混凝土。此外，在混凝土结构的设计寿命比其初始成本更重要的情况下，非钢筋钢筋通常具有其优势，其中钢筋腐蚀是失效的主要原因。在这种情况下，防腐蚀加固可以显着延长结构的使用寿命，例如在潮间带。FRP杆在未来几年混凝土结构可能会受到损害的情况下也可能有用，例如更换栏杆时的阳台边缘，与钢筋相比，塑料增强材料通常更坚固，或者至少具有更好的强度重量比。此外，由于它耐腐蚀，它不需要像钢筋一样厚的混凝土保护层（通常为30至50毫米或更多）。因此，FRP增强结构可以更轻且使用寿命更长。因此，对于某些应用，整个生命周期的成本将与钢筋混凝土相比具有价格竞争力。FRP或GRP钢筋的材料特性与钢有明显区别，因此在设计考虑方面存在差异。FRP或GRP钢筋的抗拉强度相对较高，但刚度较低，因此挠度可能高于同等钢筋单元。具有内部FRP增强结构的结构通常具有与钢筋结构的塑性变形能力（延展性）相当的弹性变形能力。在这两种情况下，混凝土受压而不是钢筋断裂更容易发生失效。挠度始终是钢筋混凝土的主要设计考虑因素。设置挠度限制以确保控制钢筋混凝土中的裂缝宽度，以防止水、空气或其他腐蚀性物质到达钢筋并引起腐蚀。对于FRP钢筋混凝土，美观和可能的水密性将是裂缝宽度控制的限制标准。与钢筋相比，FRP杆的抗压强度也相对较低，因此需要对钢筋混凝土柱采用不同的设计方法。使用FRP增强材料的一个缺点是其有限的耐火性。在考虑防火安全的情况下，采用FRP的结构必须在发生火灾时的预期温度下保持其强度和锚固力。为了防火，需要足够厚度的水泥混凝土覆盖层或保护覆层。已证明在混凝土中添加1kg/m3的聚丙烯纤维可减少模拟火灾期间的剥落。（这种改进被认为是由于在混凝土主体中形成了通道，从而使蒸汽压力消散。）另一个问题是抗剪加固的有效性。与钢箍筋或直纤维结构相比，在硬化前通过弯曲形成的FRP钢筋箍筋的性能通常相对较差。当应变时，直线和弯曲区域之间的区域会受到强烈的弯曲、剪切和纵向应力。处理此类问题需要特殊的设计技术。人们对使用复合材料（玻璃纤维、玄武岩、碳）钢筋等先进材料对现有结构进行外部加固越来越感兴趣，这种材料可以赋予出色的强度。在全球范围内，有多个不同国家认可的复合钢筋品牌，如Aslan、DACOT、V-rod和ComBar。从美国、俄罗斯、韩国到德国，世界各地使用复合钢筋的项目数量日益增加。