钢结构与钢筋混凝土结构

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1、钢筋混凝土结构与钢结构张允飞，马先云，罗鹏，任柯宇陈立阳，宋磊成，黄润康，姚琨（中国石油大学华东土木工程1303）结构背景及发展钢筋混凝土结构背景：混凝土是由水泥、沙子、石子和水按一定的比例拌和而成。凝固后坚硬如石， 受压能力好，但受拉能力差，容易因受拉而断裂（图a）。为了解决这个矛盾，充 分发挥混凝土的受压能力，常在混凝土受拉区域内或相应部位加入一定数量的钢 筋，使两种材料粘结成一个整体，共同承受外力。这种配有钢筋的，称为钢筋混 凝土（图b）。钢筋混凝土粘结锚固能力可以由四种途径得到：钢筋与混凝土接 触面上化学吸附作用力，也称胶结力。混凝土收缩，将钢筋紧紧握固而产生摩 擦力。钢筋表面凹凸不平

2、与混凝土之间产生的机械咬合作用，也称咬合力。 钢筋端部加弯钩、弯折或在锚固区焊接短钢筋、焊角钢来提供锚固能力。混凝土发展历程钢筋混凝土结构应用在建筑工程中。1849年，法国人J.L.朗姆波和1867 年法国人J.莫尼埃 先后在铁丝网两面涂抹水泥砂浆制作小船和花盆。1884年德 国建筑公司购买了莫尼埃的专利，进行了第一批钢筋混凝土的科学实验，研究了 钢筋混凝土的强度、耐火性能，钢筋与混凝土的粘结力。1886年德国工程师M. 克嫩提出钢筋混凝土板的计算方法。与此同时，英国人W.D.威尔金森提出了钢 筋混凝土楼板专利；美国人T.海厄特对混凝土梁进行试验；法国人F.克瓦涅出 版了一本应用钢筋混凝土的专

3、著。各国钢筋混凝土结构设计规范采用的设计方法有容许应力设计法、破坏强度设计 法和极限状态设计法。在钢筋混凝土出现的早期，大多采用以弹性理论为基础的 容许应力设计法。在本世纪30年代后期，苏联开始采用考虑钢筋混凝土破坏阶 段塑性的破坏强度设计法；1950年，更进一步完善为极限状态设计法，它综合 了前面两种设计方法的优点，既验算使用阶段的容许应力、容许裂缝宽度和挠度， 也验算破坏阶段的承载能力，概念比较明确，考虑比较全面，已为许多国家和国 际组织的设计规范所采用。钢结构发展历程：中国虽然早期在铁结构方面有卓越的成就，但由于2000多年的封建制度的 束缚，科学不发达，因此，长期停留于铁制建筑物的水平

4、。直到19世纪末，我 国才开始采用现代化钢结构。新中国成立后，钢结构的应用有了很大的发展，不 论在数量上或质量上都远远超过了过去。在设计、制造和安装等技术方面都达到 了较高的水平，掌握了各种复杂建筑物的设计和施工技术，在全国各地已经建造 了许多规模巨大而且结构复杂的钢结构厂房、大跨度钢结构民用建筑及铁路桥梁 等，我国的人民大会堂钢屋架，北京和上海等地的体育馆的钢网架，陕西秦始皇 兵马佣陈列馆的三铰钢拱架和北京的鸟巢等。轻钢结构的楼面由冷弯薄壁型钢架或组合梁、楼面OSB结构板，支撑、 连接件等组成。所用的材料是定向刨花板，水泥纤维板，以及胶合板。在这些轻 质楼面上每平方米可承受316365公斤的

5、荷载。迈特建筑轻钢结构住宅的楼面 结构体系重量仅为国内传统的混凝土楼板体系的四分之一到六分之一，但其楼面 的结构高度将比普通混凝土板高100120毫米。以钢材制作为主的结构,是主要的建筑结构类型之一。钢材的特点是强度高、 自重轻、整体刚性好、变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物 特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基 本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期 短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。钢结构今后应研究高 强度钢材，大大提高其屈服点强度；此外要轧制新品种的型钢，例如H型钢（又 称宽翼缘型钢）和T

6、形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需 要。另外还有无热桥轻钢结构体系，建筑本身是不节能的，本技术用巧妙的 特种连接件解决了建筑的冷热桥问题；小桁架结构使电缆和上下水管道从墙里穿 越，施工装修都方便；无比节能是世界上唯一的一家以冷弯薄壁型钢建7层住宅 的建筑体系。钢结构下游行业对钢结构行业的发展具有较大的牵引和驱动作用，它们的需 求变化直接决定了行业未来的发展状况。结构特点钢筋混凝土结构特点：钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料组成,共同受力的结构.混凝土是一种抗压能力较强而抗拉能力很弱的建筑材料,这就使得素混凝土 结构的应用受到很大的限制.一般来说,在钢筋混凝土结构中,混凝土主

7、要承担压 力,钢筋主要承担拉力,必要时也可承担压力.因此,在钢筋混凝土结构中,两种材 料的力学性能都能得到充分的利用.钢筋和混凝土这两种材料的物理力学性能很不相同，但能结合在一起工作，其主要原因是：由于钢筋和混凝土有良好的粘接力，能牢固的粘接成整体。两 者不致产生相对滑动。钢筋与混凝土的线膨胀系数接近相等，当温度变化时， 这两种材料不致产生相对的温度变形而破坏它们之间的结合。钢筋混凝土还有以下优点：（1） 耐久性好 在钢筋混凝土结构中，钢筋因受到混凝土的保护而不易 锈蚀，且混凝土的强度随时间有所增长，因此，钢筋混凝土结构在一般环境下是 经久耐用，不像钢，木结构那样需要经常的保养和维修。（2）

8、强度较高和砖、木结构相比，其强度较高，特别是高强混凝土的应用，在某些情况下可以代替钢结构，因而能节约钢材。（3） 整体性好目前广泛采用的现浇整体式钢筋混凝土结构，整体性好， 有利于抗震及抗爆。（4） 可模性好 钢筋混凝土可根据设计需要浇制成各种形状和尺寸的结 构，尤其适合建造外形复杂的大体积结构及空间薄壁结构和空心楼板等。这一点 是砖石、木结构所不能代替的。（5） 耐火性好 混凝土是不良导热体，遭火灾时，由传热性较差的混凝 土作为钢筋的保护层，在普通的火灾下不致使钢筋达到变形点的温度而导致结构 的整体破坏。因此，其耐火性能比钢、木结构好。6）就地取材钢筋混凝土结构中所需要的沙、石材料一般可就近

9、或就 地取材，因而材料运输费用减少，可以显著降低工程造价。（7）节约钢材钢筋混凝土结构合理的发挥了材料各自的优良性能，在一定范围内可以代替钢结构，从而节约大量钢材并降低造价。但是，事物总是一分为二的，钢筋混凝土结构也存在一些缺点，主要有：（1）自重大这对于建造大跨度结构及高层抗震结构是不利的，但随着轻质、高强混凝土、预应力混凝土和钢混凝土的组合应用，这一矛盾得到缓解。（2）施工比较复杂，工序多，施工时间长泵送混凝土和大模板的应用，施工时间大大缩短。冬天和雨期施工比较困难，必须采用相关的施工措施才能保 证质量。但当采用预装配式构件可加快施工速度，施工不受季节、气候的影响， 从而缓解这一矛盾。（3

10、）抗裂性差普通钢筋混凝土结构在正常使用时往往带裂缝工作，这要求不出现裂缝结构很不利，如水池、储油罐等。因为裂缝的存在会降低抗渗和 抗冻能力，并会导致钢筋的锈蚀，影响结构的耐久性。采用预应力混凝土结构可 控制裂缝，从而控制或者改善裂缝状况。（4）修补和加固工作困难但随着纤维加固、钢板加固等技术的发展和环氧树脂堵缝技术的应用，这一困难已经减少。由于钢筋混凝土结构具有很多优点，因而在房屋建筑、地下结构、水工、港 口、海工、桥梁、道路和特种结构等工程得到了广泛的应用。钢结构特点：钢是一种铁碳合金，其中还含有其它的微量元素。相对于铁，钢的碳含量不 超过 2%。在 18 世纪末 19 世纪初，铁作为结构部

11、件开始被广泛利用。1776 年到 1779 年建，英国完成了世界首座铸铁桥梁。而到了 19世纪初，马修博尔顿和詹姆 斯瓦特则成为了世界上讲铸铁应用到建筑物中的第一人。铸铁被应用到19世 纪某些有重要意义的建筑中，其中包括1851年的伦敦世博会约瑟夫帕格斯通 为其设计建造的水晶宫，以及1889年为法国巴黎世博会设计建造的埃菲尔铁塔。鉴于其较高的强度和高弯曲度、几号的延展性和多能性等特点，如见钢铁 已经成为制造和建筑业中应用最广泛的材料之一。它拥有其他金属共有的主要特 征，如特有亮度、高密度，较高的热电传导性，相当大的力学阻力抗压、抗拉伸 和抗剪切力，并且具有一定的变形能力来延缓折断。钢结构建筑的

12、特点：1）钢材的抗拉、抗压抗剪强度相对来说比较高，钢结构构件断面小、自重 小可以减少运输和吊装费用，基础的负载也相应的较少。2）钢结构具有良好的延伸性和抗震性，尤其在高烈度地震区，使用钢结构 就更为有利。3）结构占有面积较小，实际上是增加了使用面积。4）施工速度快，采用钢结构可为施工提供较大的空间和较为宽敞的施工作 业面。5）钢结构的质量容易保证，钢结构构件一般都在工厂里面制造、加工，精 度高。6）钢结构建筑在使用过程中易于改造，如加固、截稿、扩大楼面等内部分 割。7）钢结构可以做成大跨度、大空间，形成较为宽敞的无柱空间，敞式的大 平面办公室，工业厂房和仓库等是最常见的空间形式。建筑用刚才种类

13、：1）碳素结构钢。碳素结构钢是最普通的工程用钢,其中碳是形成钢材强度的 主要元素，直接影响刚才的可焊性。2）低合金高强度结构钢。在炼钢的过程中，加入一些合金元素，如钒、铌 钛和镍等，其总含量不超过 5%的刚才，可以使钢的强度明显提高，使 钢结构的强度、刚度和稳定性西厢主要控制指标得以充分的发挥。3）耐候钢。在钢的冶炼过程中，加入少量的 Cu、P、Cr、Ni 等，可以使金 属基体表面上形成保护层，以提高钢材耐大气腐蚀性能。4） 耐火刚。5） 桥梁用结构钢其它钢材。施工工艺钢筋混凝土结构施工：浇筑前应对模板内的垃圾、泥土等杂物及钢筋上的油污清除干净，并经检查 钢筋的水泥垫块是否垫好。如果使用木模板

14、时应浇水使模板湿润，柱子模板的清 扫口高水平在清除杂物后再封闭。剪力墙根部松散混凝土已剔除干净。混凝土现场搅拌： 自拌砼用于防止商品砼暂时供应不上的应急措施和零 星砼的现场拌制，原材料和配合比应与商品砼的保持一致。1 根据配合比确定的每盘（槽）各种材料用量及车辆重量，分别固定好水 泥、砂、石各个磅称标准。在上料时车车过磅，骨料含水率应经常测定，及时调 整配合比用水量，确保加水量准确。要过称。2 装料顺序：一般先装石子，再装水泥，最后装砂子，如需加掺合料时， 应与水泥一并加入。如需掺外加剂（减水剂、早强剂等）时，粉状应根据每盘加 入量预加工装入小包装袋内（塑料袋为宜），用时与粗细骨料同时加入；液

15、状应 按每盘用量与水同时加入搅拌机搅拌。3 搅拌时间：混凝土搅拌的最短时间根据施工规范要求确定，可按下表采用。掺有外加剂时，搅拌时间应适当延长。混凝土搅拌的最短时间（S）混凝土坍落度（cm） 搅拌机机型搅拌机出料量（L） 500 W3自落式90 120 150强制式60 90 120 3自落式90 90 120强制 式 60 60 904 混凝土开始搅拌时，由施工单位主管技术部门、工长组织有关人员对出 盘混凝土的坍落度、和易性等进行鉴定，检查是否符合配合比通知单要求，经调 整后再进行搅拌。5 混凝土运输，混凝土在现场运输工具有手推车、吊斗、泵送等。混凝土 自搅拌机中卸出后，应及时运到浇筑地点，

16、延续时间，不能超过初凝时间。在运 输过程中，要防止混凝土离析、水泥浆流失、坍落度变化以及产生初凝等现象。 如混凝土运到浇筑地点有离析现象时必须在浇灌前进行二次拌合。混凝土从搅拌 机中卸出后至浇筑完毕的延续时间应符合下表的规定。 混凝土从搅拌机卸出至 浇筑完毕的时间（MIN）混凝土强度等级气温（C） 低于25高于25 C30120 90 90 60注：掺有外加剂或采用快硬水泥拌制混凝土时，应按试验确定。混凝土运输道路 应平整顺畅，若有凹凸不平，应铺垫桥枋。在楼板施工时，更应铺设专用桥道严 禁手推车和人员踩踏钢筋。6 泵送混凝土施工: 泵送混凝土前，先把储料斗内清水从管道泵出，达到 湿润和清洁管道的目的，然