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1、绪 论绪 论以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝土 结构。它包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、 型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和预应力混 凝土结构等。素混凝土结构是指不配置任何钢材的混凝 土结构。钢筋混凝土结构是指用圆钢筋作为配筋的 普通混凝土结构、图0-1为常见钢筋混凝土结构 和构件的配筋实例。 0.1 0.1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念图0-1a、b 型钢筋混凝土结构又称为钢骨混凝土 结构。它是指用型钢或用钢板焊成的 钢骨架作为配筋的混凝土结构。图0-2 为用型钢作为混凝土梁配筋的截面形 式、图0-3为用型钢作为混凝土柱配筋 的截面形式。 钢管混凝土结构是指在钢管内浇
2、捣混 凝土做成的结构。 预应力混凝土结构是指在结构构件制作时 ，在其受拉部位上人为地预先施加压应力 的混凝土结构。素混凝土结构由于承载力低、性质脆，很少 用来作为土木工程的承力结构.型钢混凝土结构承载能力大、抗震性能好。 但耗钢量较多，可在高层、大跨或抗震要求较 高的工程中采用。钢管混凝土结构的构件连接较复杂，维护费 用大。本书重点讲述钢筋混凝土结构的材料性能 、设计原则、计算方法和构造措施.钢筋混凝土结构的特点和主要优缺点： 1.受力特点： （1）素混凝土简支梁的破坏试验：图0-4a为一根未配置钢筋的素混凝土 简支梁，跨度4 m，截面尺寸 bh=200mm300mm、混凝土强度等 级为C20
3、。梁的跨中作用一个集中荷载 F，对其进行破坏性试验。 试验结果表明：（1）当荷载较小时，截面上的应变则同弹性材料的 梁一样，沿截面高度呈直线分布；（2）当荷载增大使截面受拉区边缘纤维拉应变达到 混凝土抗拉极限应变时该处的混凝土被拉裂，裂缝沿 截面高度方向迅速开展，试件随即发生断裂破坏。（3）破坏的性质：破坏是突然的，没有明显的预兆 ，属于脆性破坏。尽管混凝土的抗压强度比其抗拉强度高几倍或十 几倍，但得不到充分利用，因为该试件的破坏是由混 凝土的抗拉强度控制，破坏荷载值很小，只有 8 kN左 右。 （2）钢筋混凝土梁的破坏试验： 在梁的受拉区布置三根直径为16 mm的 HPB235级钢筋(记作3
4、16)并在受压区在布 置两根为 10 mm的架力钢筋和适量的箍筋。 再进行同样的荷载试验(图 0-4b) 当加载到一定阶段使截面受拉区边缘纤 维拉应力达到混凝土抗拉极限强度时，混凝 土虽被拉裂，但裂缝不会沿截面的高度迅速 开展，试件也不会随即发生断裂破坏。 混凝土开裂后，裂缝截面的混凝土拉应力 由纵向受拉钢筋来承受，故荷载还可进一步 增加。此时变形将相应发展，裂缝的数量和 宽度也将增大。受拉钢筋抗拉强度和受压区混凝土抗压强度都被充 分利用时，试件才发生破坏。破坏性质：试件破坏前，变形和裂缝都发展得很充 分，呈现出明显的破坏预兆，属于塑性破坏。虽然试件中纵向受力钢筋的截面面积只占整个截 面面积的
5、 1左右，但破坏荷载却可以提高到36 kN左 右。归纳总结一下：在混凝土结构中配置一定型式和 数量的钢筋，可以收到下列的效果：结构的承载能力有很大的提高；结构的受力性能得到显著的改善（破坏前带有 明显的预兆即：变形和裂缝都较明显）。（3）钢筋和混凝土是两种物理、力学性能很不相同 的材料，它们可以相互结合共同工作的主要原因是：混凝土结硬后，能与钢筋牢固地粘结在一起， 相互传递内力。粘结力是这两种性质不同的材料能够 共同工作的基础；钢筋的线膨胀系数为1.210-5-1，混凝土的为 1.010-5-11.510-5-1，二者数值相近。因此.当 温度变化时，钢筋与混凝土之间不会存在较大的相对 变形和温
6、度应力而发生粘结破坏。 （4）钢筋混凝土结构的优点：钢筋混凝土结构除了比素混凝土结构具有较高的 承载力和较好的受力性能以外。与其他结构相比还具 有下列优点：就地取材。钢筋混凝土结构中，砂和石料所占 比例很大，水泥和钢筋所占比例较小。砂和石料一般 可以由建筑工地附近供应。节约钢材。钢筋混凝土结构的承载力较高。大 多数情况下可用来代替钢结构，因而节约钢材。耐久、耐火。钢筋埋放在混凝土中，受混凝土 保护不易发生锈蚀，因而提高了结构的耐久性。当火 灾发生时。钢筋混凝土结构不会象木结构那样被燃烧 ，也不会象钢结构那样很快软化而破坏。可模性好。钢筋混凝土结构可以根据需要浇捣 成任何形状。现浇式或装配整体式
7、钢筋混凝土结构的整体性 好，刚度大。 （5）钢筋混凝土结构的缺点：自重大。钢筋混凝土的重度约为25kN/m3， 比砌体和木材的重度都大。尽管比钢材的重度小， 但结构的截面尺寸比钢结构的大，因而其自重远远 超过相同跨度或高度的钢结构。抗裂性差。如前所述，混凝土的抗拉强度非常 低，因此，普通钢筋混凝土结构经常带裂缝工作。 尽管裂缝的存在并不一定意味着结构发生破坏，但 是它影响结构的耐久性和美观。当裂缝数量较多和 开展较宽时，还将给人造成不安全感。 施工的周期较长，受天气的影响较大，需要 较多的脚手架、模板。补强维修较难。综上所述不难看出：钢筋混凝土结构的优点远多于其缺点。因此，它已经在房屋建筑（教
8、学楼）、地下结构（ 钢筋混凝土桩基）、桥梁（城市立交桥）、铁路（钢 筋混凝土枕木）、隧道（钢筋混凝土砌衬）、水利（ 三峡大坝）、港口（码头平台）等工程中得到广泛应 用。针对其缺点人们研究出许多的有效措施：为了 克服钢筋混凝土自重大的缺点，已经研究出许多高强 轻质的混凝土和强度很高的钢筋；为了克服普通钢 筋混凝土容易开裂的缺点，可以对它施加预应力等等 。但还有许多工程实际问题等待我们的同学们去探 索和研究。0.2 钢筋混凝土结构的应用与发展概况 一、钢筋混凝土早期的发展1824年英国约瑟夫阿斯匹丁发明了波特兰水泥并取得了 专利。1850年，法国蓝波特（L.Lambot）制成了铁丝网水泥砂 浆的小
9、船。1861年法国约瑟夫莫尼埃（Joseph Momier）获得了制造 钢筋混凝土板、管道和拱桥等的专利。德国学者1866年发表了计算理论和计算方法，1887年又 发表了试验结果，并提出了钢筋应配置在受拉区的概念和板 的计算方法。在此之后，钢筋混凝土的推广应用才有了较快 的发展。1891年1894年，欧洲各国的研究者发表了一些理论和 试验研究结果。但是在18501900年的整整50年内，由于工 程师们将钢筋混凝土的施工和设计方法视为商业机密，因此 总的来说公开发表的研究成果不多。 美国学者1850年进行过钢筋混凝土梁的试验， 但其研究成果直到年才1877发表并为人所知。19世 纪70年代有学者
10、曾使用过某些形式的钢筋混凝土， 并且于1884年第一次使用变形（扭转）钢筋并形成 专利。1890年在旧金山建造了一幢两层高、321英 尺（95m）长的钢筋混凝土美术馆。从此以后，钢 筋混凝土在美国获得了迅速的发展。从20世纪30年代开始，从材料性能的改善，结 构形式的多样化，施工方法的革新，计算理论和设 计方法的完善等多方面开展了大量的研究工作，工 程应用十分普遍，使钢筋混凝土结构进入了现代化 阶段。二、混凝土结构用材料的发展高强轻质（1)混凝土材料强度大幅提高在20世纪30年代混凝土平均强度约为10MPa，到20 世纪50年代初已提高到20 MPa，20世纪60年代约为30 MPa，20世纪
11、70年代初已提高到40 MPa。到20世纪80 年代初，在发达国家C60级混凝土已经普遍采用。近年来国内外采用附加减水剂的方法已制成强度为 200 MPa以上的混凝土。高强混凝土的出现更加扩大了混凝土结构的应用范 围，为钢筋混凝土的防护工程、压力容器、海洋工程等 领域的应用创造了条件。（2）轻质混凝土的研究与应用 从20世纪60年代以来，轻骨料（陶粒、浮石等）混凝土 和多孔（主要是加气）混凝土得到迅速发展，其重度为 1418KN/m3。三、预应力混凝土结构的发展1928年法国工程师弗耐西涅成功地将高强钢丝 用于预应力混凝土，使预应力混凝土的概念得以在 工程实践中成为现实。预应力混凝土的概念在1
12、9世纪80年代已提出， 但是当时因钢筋强度偏低及对预应力损失缺乏深入 研究，使预应力混凝土未能成功地实现。预应力混 凝土的广泛应用是在1938年弗耐西涅发明锥形楔式 锚具（弗式锚具）和1940年比利时的门格尔发明门 格尔体系之后。预应力混凝土结构的抗裂性得到根 本的改善，使高强钢筋能够在混凝土结构中得到有 效的利用，使混凝土结构能够用于大跨结构、压力 贮罐、核电站容器等领域中。四、在结构形式方面的发展1.钢筋混凝土在高层建筑中的应用高强混凝土的发展，促进了混凝土结构在超高层建 筑中的应用。1976年建成的美国芝加哥水塔广场大厦达 74层，高262米。朝鲜平壤的柳京大厦，105层，高305 米，
13、也是混凝土结构。美国、俄罗斯等国在高层建筑中 采用的混凝土，强度已达C80C100。美国西雅图市的 Two Union Square大厦（58层）60%的竖向荷载由中央 四根直径为10英尺（3.05m）的钢管混凝土柱承受，钢 管内填充的混凝土强度等级达C135。2.钢筋混凝土结构在桥梁，特种结构、水利工程、海 洋工程、港口码头工程等各个领域内的发展 世界高楼排行（2008年）： 1：阿联酋迪拜塔（阿联酋迪拜） 2：纽约世贸中心自由之塔 （美国纽约） 3：台北101(Taipei 101)（中国台北） 4：上海 环球金融中心(Shanghai World Financial Center )（中
14、国上海 ） 5：双峰塔（Petronas Twin Towers，或称佩重纳斯大厦、 马来西亚国家石 油大厦、国家石油双塔、双子塔）（马来西 亚吉隆坡） 6：西尔斯大厦(Sears Tower)（美国芝加哥） 7: 南京紫峰大厦（中国南京） 8：金茂大厦(Jin Mao Tower)（中 国上海） 9：际金融中心二期(Two International Finance Centre)（中国香港） 10：中信广场大厦（中国广州 ） 11：地王大厦（中国深圳） 12: 纽约帝国大厦(又名“帝国之 州大厦”）Empire State Building, New York, USA（美国纽约 ） 13
15、: 中央广场大厦，374米，位于中国香港。（中国香港） 1875年法国莫尼埃曾主持修建过一座长达16m的 钢筋混凝土桥，1983年巴西建成主跨为440m的预应力混凝土斜拉桥，1997年我国在四川万县建成主 跨420m的混凝土拱桥等。在这些方面所取得的瞩目成就这里不再一一不列举了。从1925年德国第一次采用折板结构大型煤仓开始，薄壁空间结构逐渐在屋盖及贮仓水塔、水池等 构筑物中得到广泛应用。 五、在计算理论与设计方法方面的发展20世纪30年代以前，将钢筋混凝土视为理想弹 性材料，按材料力学的允许应力法进行设计计算 。但从20世纪初即开始了对钢筋混凝土构件考虑材 料塑性性能的研究。前苏联在1938
16、年颁布了世界上 第一本按破损阶段设计钢筋混凝土构件的规范， 标志着钢筋混凝土构件承载力计算的实用方法进入 了一个新的发展阶段。20世纪30年代以后，在钢筋混凝土超静定结构 中考虑塑性内力重分布的计算理论也取得了很大进 展，从20世纪50年代开始，已在双向板、连续梁及 框架的设计中得到了应用。 20世纪60年代以来，随着电子计算机的 普及与计算力学的发展，将有限元法用于钢 筋混凝土的理论研究与设计计算，大大促进 了钢筋混凝土理论及设计方法的发展。在结构的安全度及可靠度设计方法方面， 20世纪50年代以前，基本上处于经验性的允 许应力法的阶段。20世纪5060年代，世界 各国逐步半经验半概率的极限状态设计法。 20世纪70年代以来，以概率论数理统计为基 础的结构可靠度理论有了很大的发展，使结 构可靠度的近似概率法进入了工程设计中 。 0.3 钢筋混凝土结构课程的特点的学习方
