钢筋混凝土力学的发展与现状

钢筋混凝土力学的发展与现状

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摘

要 钢筋混凝土力学作为一门新的分支学科，并得到迅速发展 文章介绍了谆学科的形成与发展

过程及其特点，着重阐述丁本学科研究工作的进展情况及其现状。

关键词；钮瑟i士壁磐

.亚佥堑 J亳连结单元

Ab ta t Red c dCo c e e M v h n c san w icpi eb a c n a e eo e s r c: i f e n r t c a isi e d s i ln r n h a d h sd v l p dqui kl c y. T h s p i ape e e s t or a i r pr * nt he f m t on,d e op e t a d c r c e i tc he s ud ev l m m n ha a t r s i s of t t y.

1 e p s s s t a an e a p es nt iuaton n e e c— w 0r o t s s bj c . t m ha i e he dv c s nd r e s t I I r s ar h k f hi u e t

白峨 N和 S ox l czei] s于 1 6 9 7年对钢筋混凝土粱怍出有跟丹忻以来，筋混壤土力学便逻淅发展成为一门像土力学、锕 岩石力学那样的分支，得到迅速的发展。于电算的迅速井由展使复杂的教学运算成为可能 .算机摸拟试验对钢施凝计

荷载逐步加太#数量和长度也连步增加并出现辩裂缝 藏荷增加至一定值时，槊将日主蔚届服或受压区的混凝土压碎破坏或由于粱的抗剪强度较低，舟辩裂缝逻步向受荷载点扩对展，最后在复台应力状卷下产生所谓“压破坏”剪。

土力学问题分析的仿真，其更具科学化、使形象化，将更有利于加快钢筋穗凝土力学的研究进程 .难预料，钢筋混凝士 在

结构领域里 .筋棍凝土力学过一新的分支学科将日臻完善，钢更广泛地应用于工程践 .

引

言翌简支粱

长期以来 .们采用基于太量试验数据的经验公式对钢^

筋混凝土结构和构 I进行设什计算 .由于铜躬混凝土力学性 牛良的复杂性，验和量穗

手段的局限性无法在试验中莸得试 试件的全部结构性能 .因此，某一特定结构所得到的试验结果 就和经睑公式根难加以推广，着科学技术的迅逮发展 t求随要对钢筋棍凝土结构的性能有更豫^的了解，传魄的试验方法就显码越来越不能适应 .且对于海洋平台、于反应炉等新况原型结构，若要用传统的试验研究方法来莸得舍理的设计蜊几乎是无法想象的 .

按照传统的研究方法 .连粱分纯每郓抗剪两问置，别上分处理如下：

对于纯每问题，于在使用荷羲作用下槊巳出璃裂缝，由拄传统方法假定整十受拉区的混凝土不再承担任何拉应力，只承受拄某一规律分布的压应力。虽然过一方{击能得出满足设 计精度要末的混凝土和钢筋的应力值，但不能求得架的真正应力分布 .于蘩的挠度，照上述假定是求不出足罅准确的对按结果的，蓖重薪根据大量试驻数据拟台出经瞳计算盐式 . 只而且，用于矩形截面梁的甚式并不适用于 T形截面集 .而为了计算粱的裂赣分布和裂箍宽度，又得根据大量试验数据制定

再者， l图 1示的两点受荷的钢筋}土俺支架 .啻如所昆凝当荷羹报小时混凝土未开裂，犟可看怍弹性构件随着荷藏增加先在纯弯段内产生夸曲受拉裂鞋井导致应力重分市，首帮筋应力实j钢筋与强拯土之间遥浙出现相对滑移 F赣将缱 -,裂

作者单位

武汉建筑高等专科学校

另一套经验公式。

井字肇计革，十南建筑设计院技术史试 .1 7 . 9 6{杆 l站蚺析 .卡荆出版社 1 8. 03 9

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井字皋蛄引长期刚度的垃也配筋计革 .建筑设计通

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犟的抗剪问题近比纯弯问题复杂。践说明 .的抗剪强霉

析”一交为开剖。自此至 1 8 9 2年 .处于速发展阶殷}而从 l8 9 2年后至今墓丰扯于相对稳定阶段。作为一门新学科分支，研究垃程中既有一定的研究成果也难曼瞳难重重。 从目前情况看，主要研究工作仍是混凝土材料的研究，钢筋混凝土的力学性能裂缝扩展机理；筋混捶土结构或构件钢的有限元非线性分析，研究较多的是钢筋混凝土在单轴、而疆轴应力被态下的丰构关系和破坏准圃；三轴应力状吝下的丰 l拘羌彖也作了一定的研究 .钢筋混凝土奉构关系加载区的而

度米自韦开裂的混凝土、筋的梢台怍用，料咬台和腹筋等主骨多种抗力。统计算方法并不分别考虑这些因豪 .只是用曲传而线拟台试验数据的方法 j经驺计算公式 由于问题的复杂导出性，圭国内外虽已就过一问题作过千百十试验研究但仍过束得刊足够台理的计算方洼。 按照钢筋混凝土力学的研究方挂图 1所示梁的计算可梗为平面问题的一十持侧抗弯、抗剪强度及罔度、裂度 j抗等同题可用统一的计算方法在一十计算过程中加“解决，一

研究比较成熟，于软化区、复和动力荷载的影响等则研究至反还根不移对三轴应力艟态，然近年来人 .出过不步丰掏虽门提关系，由于棍凝土在三轴应力下的试验研究报田难，资应但可用的试验结果还报不够，些奉构关系还有待进一步羞证 .这而且，有些奉构关系看来虽然台理，但参数多，应用过于复杂。 因此，混凝土在三轴应力下的丰构关系仍然是一十很不成熟而又亟待解决的问题 . 钢筋混凝土结构或构件的有限元分析中，随着研究的棵人也在不断改善 .最早的研究课题是作为平面问题的颦的线性有限元分析 .在分析中预先指定弯曲裂鞋的位置 ( 2】图 a,将混凝土厦钢前离数为二堆有限单元，幢筋则用一维单元代表 ( 2 )分析中还引人精 h厦

v方向具有爵十自由度的连图 b.

钢筋混凝土力学的特点与研究内容

它的持点和研究内容与传境的方法不回，钢蛄棍凝土力学从更抽象和更一般的角度来研究钢前{挹凝土结构和掏件 .

它把混凝土和钢筋枧为连续体，用连续体力学结台理代计算技术的方法来研究结构的性能所研究的问题不再接具体结

掏形式如矩形梁、形梁或柱等埘丹，不局限于某种结}类 T也訇型，而是像弹性力学和塑性力学那样按平面问题和空间问题等来划分。所得的研究成果也不再是某一特定结构形式的一些指定的物理量，而是在一擞计算中将得到结构或构件中任一

点的应力、变和位移，而获得结构或构件的强度，度应从刚

和扰裂度的全部计算结果。然，于钢前棍凝土构件带警太当由尺寸裂缝工作，混凝土与钢筋间相互作用等都非常复杂，日而，钢筋混凝土力学的研究内容和方法要比通常的弹性或堑性力学更为丰富。

结单元 (向键 )图 2 )适当调整连结单元的刚度 k厦 k,双< c, h 即可用模拟钢筋与混凝土之问的牯结一滑移 ( 2 )和裂缝图 a址的骨料咬台等作用 ( 2)图 a,主筋的精台作用也可类似地模拟。丁蔷曼裂鞋砸先指定时缺点，可以根据混凝土的开裂为也准删和分离结点来考虑裂缝的形成和莲步扩展 ( 2 )图 h。过就是所谓时分离裂缝的分析筷型。

钢筋混凝土力学的研究目的。是对钢筋混凝土结柑作一般性分析和全过程分析提供分析工异 对常见的钢筋混凝土结构和构件的重要参致进行系坑研究，替重复性试验 常代对规的钢前混糖土计算方法无能为力的新型复杂结构 (}平卑洋台棱安全壳等 )作出台理的计算。 钢筋混凝土力学的主要研究内窖是：一方面矸宽钢筋混凝土的基车力学性能主要包括钢前厦混凝土的丰柑关系，混凝土中零缝的形成及扩展机理，钢前与混凝土之间的相互作！用，料咬台及主钢舳的梢台怍用，凝土的收缩傺变等时骨混问效瘟

一方面是对钢筋混凝土结构或梅件的研究，要是另主用有限元法对钢筋混凝土结构或构件进行线性或垂线性分析。

在钢筋棍凝土结构或构件分析中通常考虑刊混凝土的堑性性质 I混凝土在颓向或三向受力状态时的应力——应变关系 I凝土与钢筋之同的粘结——滑移关系 I凝土开裂扯混混钢筋的梢合作用以厦骨料的咬合特性等一系列复杂日索 .在台理地考虑混凝土的开裂、料的非线性、筋与诲凝土『材钢可的相互作用以厦以往畦略击或处理得襁粗糙的其他日索的基司‘上，使数学模式与宴际力学性韫模拟得根接近，而使计算并从结构更夸人满意。

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霹华中建筑 1 9, VOL 1 N 3 93 1 5 3

二

钢筋混凝土力学的发展与现状上述最早的研究工作为钢筋混凝土构件的有限元分析确定丁基本思路。然而，按照分离裂鞋 的方法一必须麓着裂

钢前混凝土力学以美国加州太学 Ng,D和 So d]— o c rei A s

C教授在 16 9 7年首擞发表的钢筋混凝土架的有限元分

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缝扩晨不断改变单元站点技目和网铬，是很麻烦的囤此在这

熟的学科这是由于对钢筋和棍凝土的基本力学性能，混凝如土的丰掏关系。缝扩展帆理。筋与混凝土之间的相互作厢裂钢等丁解得皓再者，由于铜脑棍凝土的力学性能非常复杂 . 邱使使用大型计算机 .计算选一高度复杂的谍题仍然非常贸事诚然。前者有待于进一步研究解决；者^仃在分析中针后 1对具体结掏采取相应措施，采用单元或于结构以减 计如

葚后的分析中太都转而采用舟散裂缝方法亦印，假定裂缝分布在整十单元内 .舟散钢筋的作用也可与混艇±台并组成组台的单元刚度在这一方涪中，中配置的锕筋晒肄可集用专门的钢筋单元代表。也可加^粘结键等 (圈 j,如果假定混凝土和铜筋之问的粘结根好，不会有相对精

梧 .幺混凝土单元和锕筋单元之同的连接是

镗接如果考虑那混凝土和铜脑之间有相对滑移，那幺蒂要在混轾土单元和钢

算工作量。我国在钢筋棍凝土力学方面的研究工作大体开始于 1s 9 0年。虽然起步晚。但成果颇丰已有^对包括三维问题

筋单元之间引^一种所谓瑾结单元 t结键 )连结单元是一粘种假想的、不占空同 (寸为零 )的单元，如图 3尺 b所示 .它

在内的钢筋混凝土构件作出过一些有限元分析}对混凝土的车构关系也作出了在试验和分析模塑上的若干研究。在锕鲒与混凝土相互作用选一问题上，已怍出了一批有刨见的和具有我国特色的试验和理论研究。在裂缝开展和其他问题上也有^作过研究

由两根相互垂直的弹簧组成 .在结点址将混凝土单元和钢筋单元联系起来。平行于两种单元接触面的弹簧被用以考虑相对措移 .垂直于两种单元接触面的弹簧 .被用考虑钢筋而则的悄台作用

钢筋混凝土力学的研究有着极其广闻的前景。行家仉巳明确地把钢筋昆凝土力学这一新的分支学科的逐步形成怍

工图简支禁分析模型及连结单元b

为钢筋混凝土结构发展的第四阶段的基车特征。以预言 .可随着研究工作的步步潭^,钢筋 l凝土力学也将逐步广搓应用埕于生产实践 .使钢筋混凝土结构或构件的甘析、设计更趋台理。钢筋混凝土力学这一新兴学科也将更加完善并得到迅遣发展

(:丈承蒙东南太学结构工程博士导师宋寓根教授提注奉对裂缝的处理方法是将裂建两边的单元軎开，并 _不 I主上供太量资料并亲自审改和热心指导在此挥表谢意『】

同的结点编号。如图 4 a所示假定裂缝宽度为零。那幺艘分 割的两十对应结点仍旧占有相同的结点生标位置。 4图 b考虑了措爱缝面有骨科咬旨的作用 .日而设置了单向连皓单元对于中的箍筋因为比较细长所 一般可以简单地将 它分割成线形单元处理。

参考资料I末启根 .用并 t击挥计钢莳混蕞土拈特试件南工学院学

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2丰启根(

钢筋混凝拈蛄试件的非点性奸，木南戈学掌粗 . I9 91

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3款生蚌

铜薪艇土蔓的非线性有限元析 .南童工学院学疆 .ST~ 05

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4弈太井】9 83

铜薪磊氍土竹蛄台与开移 .同济太学#学擅术情报站.

图 4裂缝的单元布置

《乡独院式住宅设计城与装修》征订

钢筋 i土板的弯曲问题的有限元分折从 17星凝 9 0年开始。 分析中采用分布裂缝方法井假定棍凝土与音筋刚性连接 裂 l缝扩展的影响甩逐步改变单元的抗弯刚度来考虑 .也有^采用层 l的板单元 .层的刚度变化来模拟裂缝的扩 J与此同状用匣。时时同技应和顸应力对考怍的影响也有所研究。主 罡体有限元分析的点展情况与板的弯曲问题大体类似 .

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但由于壳体内薄 I作用与弯曲怍甩的相互影响，问题比较复 I蔓杂得多。在丹析中采用过扁壳单元和层状单元。 不可否认，由于有限元舟忻的一般方法大量引^钢筋混凝土结构和构件的分析。使得这些结构的有限元分析在丹析方洼上巳相当成熟 而 .筋混凝土力学至夸仍未能成为成然钢5 4华中建筑 1 9 . VOT 1 N0 93 1 3

江苏省建筑设计院由 标办：邮编 2 0 2 -甫京市华侨 1 09路葸悲社 2 联系^ 0号周教秀

华中建筑 编辑部发行组 邮 4 0 7武设市武昌中 30 1

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