許成詳,何培玲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課件

第1章

緒論返回總目錄教學(xué)提示：本章主要講述了混凝土結(jié)構(gòu)的一般概念，重點(diǎn)闡述了性質(zhì)不同的兩種材料(鋼筋和混凝土)能夠結(jié)合在一起共同工作的可能性和有效性以及混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；簡要地介紹了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用、發(fā)展前景及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2002)，并對混凝土結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法提出了建議。教學(xué)要求：要求學(xué)生在了解混凝土結(jié)構(gòu)一般概念的基礎(chǔ)上，深刻理解和掌握鋼筋和混凝土共同工作的條件，充分認(rèn)識鋼筋與混凝土的優(yōu)缺點(diǎn)，了解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用及發(fā)展前景，做好學(xué)習(xí)本課程的準(zhǔn)備?！?.1混凝土結(jié)構(gòu)的一般概念●1.2鋼筋和混凝土共同工作的可能性●1.3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分類●1.4鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)●1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用●1.6導(dǎo)學(xué)●1.7思考題本章內(nèi)容1.1混凝土結(jié)構(gòu)的一般概念鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由配置受力的普通鋼筋、鋼筋網(wǎng)或鋼筋骨架的混凝土制成的結(jié)構(gòu)(如圖1.2所示)。圖1.2鋼筋混凝土梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是充分利用高強(qiáng)度材料來改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能的結(jié)構(gòu)。是由配置受力的預(yù)應(yīng)力鋼筋通過張拉或其他方法建立預(yù)應(yīng)力的混凝土結(jié)構(gòu)(如圖1.3所示)。圖1.3預(yù)應(yīng)力混凝土板1.1混凝土結(jié)構(gòu)的一般概念鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)常用作土木工程中的主要承重結(jié)構(gòu)。在多數(shù)情況下混凝土結(jié)構(gòu)是指鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋和混凝土都是土木工程中重要的建筑材料，鋼筋的抗拉和抗壓強(qiáng)度都很高，但混凝土的抗壓強(qiáng)度較高而抗拉強(qiáng)度卻很低。為了充分發(fā)揮這兩種材料性能的優(yōu)勢，把鋼筋和混凝土按照合理的組合方式有機(jī)地結(jié)合在一起共同工作，使鋼筋主要承受拉力，混凝土主要承受壓力，以滿足工程結(jié)構(gòu)的使用要求。

兩端擱置在磚墻上的一根梁，在外力作用下會產(chǎn)生彎曲變形，上部為受壓區(qū)，下部為受拉區(qū)(如圖1.4所示)。當(dāng)此梁由素混凝土制成時，由于混凝土抗拉強(qiáng)度很低，于是在很小的荷載作用下，梁下部受拉區(qū)邊緣的混凝土就會出現(xiàn)裂縫，而受拉區(qū)混凝土一旦開裂，在荷載持續(xù)作用下，裂縫會迅速向上發(fā)展，梁在瞬時間就會驟然脆裂斷開，而梁上部混凝土的抗壓能力卻還未能充分利用。素混凝土梁的承載力很低。1.1混凝土結(jié)構(gòu)的一般概念圖1.4簡支梁的受力分析承受壓力的受壓構(gòu)件——柱(如圖1.5所示)，通常也配置鋼筋，以協(xié)助混凝土承受壓力，以達(dá)到減小柱的截面尺寸、改善柱的受力性能、提高柱的承載能力、增加柱的延性的目的。1.1混凝土結(jié)構(gòu)的一般概念圖1.5柱的受力分析1.2鋼筋和混凝土共同工作的可能性鋼筋和混凝土這兩種物理和力學(xué)性能不同的材料，之所以可能有機(jī)地結(jié)合在一起共同工作，主要是建立在以下的基礎(chǔ)之上的。①黏結(jié)力是使這兩種不同性質(zhì)的材料結(jié)合在一起共同工作的基礎(chǔ)。由于混凝土中的水泥是膠凝材料，在混凝土硬化后，鋼筋和混凝土之間存在黏結(jié)力促成這兩種性能不同的材料可能而有效地共同工作，承受荷載，并保證鋼筋與相鄰混凝土的變形一致。②相近的溫度線膨脹系數(shù)?；炷恋臏囟扰蛎浵禂?shù)約在(1.0～1.5)×/℃之間，鋼筋的線膨脹系數(shù)為1.2×/℃。因此，當(dāng)溫度變化時，兩種材料間不致產(chǎn)生溫度應(yīng)力，不會產(chǎn)生較大的相對變形，不破壞結(jié)構(gòu)的整體性，使黏結(jié)得以保持，不會在未受荷載之前，鋼筋和混凝土之間就產(chǎn)生相互作用而產(chǎn)生開裂或破壞。③防止鋼筋銹蝕。暴露在空氣介質(zhì)中的鋼材，由于受空氣中酸性介質(zhì)的影響，很容易銹蝕，而埋在混凝土中的鋼筋，受到呈弱堿性的混凝土保護(hù)，只要鋼筋至構(gòu)件邊緣間的保護(hù)層具有足夠的密實(shí)度和厚度以及控制構(gòu)件裂縫不致過寬，混凝土能夠起著保護(hù)鋼筋免遭銹蝕的作用，從而保證結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性，使鋼筋和混凝土長期可靠地共同工作。1.2鋼筋和混凝土共同工作的可能性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)按照建造方式的不同，一般可分為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)是由現(xiàn)場支模并整體澆筑而成的混凝土結(jié)構(gòu)。它的整體性比較好，剛度比較大但生產(chǎn)較難工業(yè)化，施工工期長，模板用料較多。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是由預(yù)制混凝土構(gòu)件或部件通過焊接、螺栓等連接方式裝配而成的混凝土結(jié)構(gòu)。采用裝配式結(jié)構(gòu)可使建筑事業(yè)工業(yè)化(設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、制造工業(yè)化、安裝機(jī)械化)；制造不受季節(jié)限制，能加快施工進(jìn)度；利用工廠有利條件，提高構(gòu)件質(zhì)量；模板可重復(fù)使用，還可免去腳手架，節(jié)約木料或鋼材。目前裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程中已普遍采用。但裝配式結(jié)構(gòu)的接頭構(gòu)造較為復(fù)雜，整體性較差，對抗震不利，裝配時還需要有一定的起重安裝設(shè)備。裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)是由預(yù)制混凝土構(gòu)件或部件通過鋼筋或施加預(yù)應(yīng)力的連接并現(xiàn)場澆注混凝土而形成整體的結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配部分通?？勺鳛楝F(xiàn)澆部分的模板和支架。它比整體式結(jié)構(gòu)有較高的工業(yè)化程度，又比裝配式結(jié)構(gòu)有較好的整體性。按結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力狀態(tài)還可分為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。(1-2)1.3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分類1.4鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之所以有廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗泻芏嗟膬?yōu)點(diǎn)：承載力高。和砌體、木結(jié)構(gòu)相比，其承載力高。在一定條件下，可以用來代替鋼結(jié)構(gòu)，達(dá)到節(jié)約鋼材、降低造價的目的。耐久性好。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的強(qiáng)度隨時間的增加而增長，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，且鋼筋受混凝土的保護(hù)而不易銹蝕，所以鋼筋混凝土的耐久性是很好的，不像鋼結(jié)構(gòu)那樣需要經(jīng)常的保養(yǎng)和維修。處于侵蝕性氣體或受海水浸泡的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)過合理的設(shè)計及采取特殊的措施，一般也可滿足工程需要。整體性好。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特別是現(xiàn)澆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于整體性好，對于抵抗地震作用(或抵抗強(qiáng)烈爆炸時沖擊波的作用)具有較好的性能。電磁吸力由電磁機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，當(dāng)電磁線圈斷電時使觸點(diǎn)恢復(fù)常態(tài)的力稱為反耐火性好?；炷潦菬岬牟涣紝?dǎo)體，導(dǎo)熱性差?；炷涟阡摻钪?，起著保護(hù)作用。若有足夠的保護(hù)層，就不致因遭受火災(zāi)時使鋼材很快達(dá)到軟化的危險溫度而造成結(jié)構(gòu)整體破壞，與鋼木結(jié)構(gòu)相比，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性很好?？赡Ｐ院?。鋼筋混凝土可根據(jù)設(shè)計需要澆制成各種形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)。便于建筑造型的實(shí)現(xiàn)和建筑設(shè)備、工程開孔、留洞需要。特別適宜于建造外形復(fù)雜的大體積結(jié)構(gòu)及空間薄壁結(jié)構(gòu)。這一特點(diǎn)是磚、石、鋼、木等結(jié)構(gòu)所沒有的。就地取材。鋼筋混凝土所用的原材料砂和石，一般均較易于就地取材。在工業(yè)廢料(例如礦渣、粉煤灰等)比較多的地方，還可將工業(yè)廢料制成人造骨料用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中。節(jié)約鋼材。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)合理地發(fā)揮了材料的性能，在某些情況下可以代替鋼結(jié)構(gòu)，從而節(jié)約鋼材并降低造價。剛度大，整體性好。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度較大，現(xiàn)澆式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性尤其好。宜用于變形要求小的建筑，也適用于抗震、抗爆結(jié)構(gòu).1.4鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)費(fèi)工、費(fèi)模板?，F(xiàn)場施工期長而建造的整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比較費(fèi)工；同時又需大量模板和支撐，且混凝土需要在模板內(nèi)進(jìn)行一段時間的養(yǎng)護(hù)。采用裝配式預(yù)制構(gòu)件，將木模板改用可重復(fù)使用的鋼模板或工具式模板，以及采用頂升或提升等施工技術(shù)，可以不同程度地克服這些缺點(diǎn)。加固和拆修較費(fèi)事。1.4鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與磚石砌體結(jié)構(gòu)、鋼木結(jié)構(gòu)相比，歷史并不長，至今約有150年的歷史，但發(fā)展很快。大體上可分為3個階段。第一階段：從鋼筋混凝土發(fā)明至20世紀(jì)初。1824年英國人J.阿斯普汀(J.Asptin)發(fā)明了波特蘭水泥，1856年轉(zhuǎn)爐煉鋼成功，為鋼筋混凝土的發(fā)明提供了充分而堅實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。19世紀(jì)80年代初步奠定鋼筋混凝土在建筑工程上應(yīng)用的科學(xué)基礎(chǔ)。由于當(dāng)時所采用的鋼筋和混凝土的強(qiáng)度較低，計算理論套用彈性理論，設(shè)計方法采用容許應(yīng)力法，所以混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用發(fā)展較慢，直到1903年才在美國辛辛那提建造了世界上第一棟混凝土結(jié)構(gòu)的高層建筑——英格爾大樓(IngallsBuilding，如圖1.6所示)。而在第一次世界大戰(zhàn)(1914～1918)前只是在多層高樓的基礎(chǔ)和樓蓋中得到應(yīng)用。1.5.1混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的3個歷史階段1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用圖1.6英格爾大樓外貌

圖1.7帝國大廈

1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用第三階段：從第二次世界大戰(zhàn)以后到現(xiàn)在。這一階段的特點(diǎn)是隨著高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)鋼筋的出現(xiàn)，預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、高效預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、泵送商品混凝土以及各種新的施工技術(shù)等廣泛地應(yīng)用于各類土木工程，如超高層建筑、大跨度橋梁、跨海隧道、高聳結(jié)構(gòu)等。在計算理論上已過渡到充分考慮混凝土和鋼筋塑性的極限狀態(tài)設(shè)計理論，在設(shè)計方法上已過渡到以概率論為基礎(chǔ)的多系數(shù)表達(dá)的設(shè)計公式。20世紀(jì)50年代早期，混凝土結(jié)構(gòu)建筑的高度可達(dá)到20層，1958年上升到38層，1962年達(dá)到50層，1968年又達(dá)到70層。目前，世界上最高的建筑是中國臺北的金融大廈(如圖1.8所示)，101層，高508m。排在之后的是馬來西亞吉隆坡的石油雙塔大廈，95層，高390m，連同桅桿總高492m(如圖1.9所示)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)排名世界第一。排在第三位的是美國芝加哥的西爾斯大廈，110層，高443米(如圖1.10所示)。廣州中天廣場80層的中信大廈，高322.5m，連同桅桿(鋼塔)總高382.5m，為國內(nèi)最高、世界第二高的鋼筋混凝土框架筒體結(jié)構(gòu)建筑(如圖1.11所示)。朝鮮平壤建造的柳京大廈，平面為Ｙ形，立面為金字塔形(如圖1.12所示)，地下4層，地上105層，高305m，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑中，該樓高度僅次于馬來西亞的石油雙塔大廈和廣州的中信大廈，居世界第三。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用圖1.8臺北101層金融大廈圖1.9石油雙塔大廈圖1.10西爾斯大廈1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用以下就材料、結(jié)構(gòu)和計算理論3個方面簡要地敘述混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀。我國的水泥工業(yè)始于1889年。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，在上海等沿海城市的個別建筑物中，部分地采用了鋼筋混凝土樓板。1908年建造的上海電話公司大樓是中國最早的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。1949年新中國成立后，混凝土結(jié)構(gòu)才在建筑工程和其他土木工程中得到廣泛的應(yīng)用。圖1.11中信大廈圖1.12柳京大廈1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用20世紀(jì)30年代末，美國首先發(fā)明外加劑來提高混凝土的流動性。20世紀(jì)40年代德國首創(chuàng)聚合物混凝土以改善其脆性、提高其抗?jié)B抗蝕能力。20世紀(jì)60年代美國發(fā)明浸漬混凝土可提高混凝土的耐久性、抗蝕性。前蘇聯(lián)開發(fā)了鋼絲網(wǎng)水泥；我國用玻璃纖維增強(qiáng)水泥等改善混凝土的抗裂性、耐磨性及延性。1980年美國首先提出水泥基復(fù)合材料(Cement-basedCompositeMaterials)的名詞，突出了復(fù)合化的地位，現(xiàn)已成為以水泥為基材的各種材料的總稱，如輕質(zhì)混凝土、加氣混凝土、聚合物混凝土、樹脂混凝土、浸漬混凝土、纖維混凝土以及根據(jù)性能要求發(fā)展的高強(qiáng)度混凝土、高流動性混凝土、耐熱混凝土、耐火混凝土、膨脹混凝土等。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用20世紀(jì)80年代末90年代初出現(xiàn)了高性能混凝土(HighPerformanceConcrete，HPC)，它是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，它對混凝土的耐久性、工作性、強(qiáng)度、適用性、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行有重點(diǎn)地保證。未來發(fā)展的應(yīng)是綠色高性能混凝土(GreenHPC)和超高性能混凝土(UltraHPC)。前者用工業(yè)廢渣(如水淬礦渣、優(yōu)質(zhì)粉煤灰、復(fù)合細(xì)摻料)為主的細(xì)摻料代替大量水泥熟料，以更有效地減少環(huán)境污染；后者如活性細(xì)粒混凝土、注漿纖維混凝土、壓密配筋混凝土，其特點(diǎn)是高強(qiáng)度、高密實(shí)性、以大量纖維增強(qiáng)來克服混凝土材料的脆性。按施工方法不同配制的碾壓混凝土是國內(nèi)外發(fā)展較快的一種新型材料，用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房地面、公路路面及機(jī)場道面等。其澆筑機(jī)具與普通混凝土不同，平整使用推土機(jī)，振實(shí)用碾壓機(jī)，層間處理用刷毛機(jī)，施工的機(jī)械化程度和施工效率高，與普通混鋼材的發(fā)展以提高其屈服點(diǎn)和綜合(包括防銹和防火)性能為主。德國用于建筑結(jié)構(gòu)的鋼材的屈服強(qiáng)度可達(dá)690MPa。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用印度近年使用了一種肋形扭曲鋼筋(如圖1.13所示)，它是由屈服強(qiáng)度為240MPa的普通肋形鋼筋扭曲后形成的，屈服強(qiáng)度可提高到415MPa，而且其塑性、冷彎性、黏結(jié)力、高溫反應(yīng)、可焊性、沖擊和爆炸反應(yīng)都有較大提高。將它用于高層框架混凝土結(jié)構(gòu)，總用鋼量可降低40%。圖1.13肋型扭曲鋼筋1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用用兩種或兩種以上材料組合，利用各自的優(yōu)越性開發(fā)出高性能的便于使用的建筑制品，應(yīng)該成為21世紀(jì)土木工程的一個重要特征。目前，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是采用鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件，或鋼-混凝土組合構(gòu)件共同組成的承重結(jié)構(gòu)體系或抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。這種組合可使鋼和混凝土兩種材料都取長補(bǔ)短，取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。鋼-混凝土組合構(gòu)件有組合板、組合梁、組合柱等。其中鋼管混凝土柱的應(yīng)用已有80多年的歷史；早在20世紀(jì)初美國就在一些單層和多層房屋建筑中采用鋼管混凝土柱。在組合結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種有前途的新型結(jié)構(gòu)體系。鋼管混凝土是在型鋼混凝土和螺旋配筋混凝土的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來的，在鋼管內(nèi)充填混凝土形成的構(gòu)件，具有承載力高、塑性韌性好、施工方便、耐火性能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效果好等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)60年代我國也將鋼管混凝土柱用于北京地下鐵道車站，以后又相繼在工業(yè)廠房框架、高爐和鍋爐構(gòu)架中應(yīng)用。至于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，如組合剪力墻體系、組合框架體系、組合筒體系、組合巨型框架體系等，則是在1969年后美國芝加哥的SOM(SkidmoreOwings&Merril)公司法茲勒?坎恩(FazlurKhan)博士提出建議后發(fā)展起來的。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用上海金茂大廈(如圖1.14所示)是中國最高，世界第四高的建筑，也是世界上最高的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)建筑，共88層，總高420.5m，建筑面積290000m2。金茂大廈是中國建筑工程史上的里程碑，已嵌入世界名樓的版圖。在施工中解決了若干重大技術(shù)難題，例如13500m3C50混凝土基礎(chǔ)底板一次澆搗成型；混凝土一次性泵送至382.5m的高度等。香港中國銀行大廈(如圖1.15所示)在1989年建成，地上71層，高315m，天線頂端高368m。按建筑師貝聿銘的造型，平面為52m×52m的正方形，沿正方形對角線劃分成4個等腰三角形，向上每隔若干層切去一個角區(qū)，僅一個角區(qū)至樓的頂部，上部結(jié)構(gòu)由4個組合在一起、高度遞增不同的三棱柱組成。整座大樓由8片鋼結(jié)構(gòu)平面支撐和5根型鋼混凝土柱所組成的混合結(jié)構(gòu)“大型立體支撐體系”。型鋼混凝土柱平面尺寸為4.3m×7.93m。該建筑在受力上極為合理。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用圖1.14上海金茂大廈圖1.15香港中國銀行大廈

圖1.16深圳地王大廈1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用深圳地王大廈(如圖1.16所示)由3部分組成：主樓為68層的寫字樓，加上設(shè)備層等實(shí)為81層，高309.95m，至桅桿頂高383.95m；輔樓是33層的商務(wù)住宅，120m高，立面體型呈兩塊板疊合相錯，中間一巨型門洞貫通大廈南北；5層購物裙房將兩個高層相連，1996年建成，當(dāng)時為我國最高的組合結(jié)構(gòu)建筑，后被上海金茂大廈超過。

1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用用鋼材和混凝土做成的壓型鋼板樓蓋、組合梁、組合柱已在高層建筑和大跨橋梁中廣泛應(yīng)用。今后，利用層壓技術(shù)把傳統(tǒng)材料組合起來形成各種具有建筑裝飾、受力、熱工、隔音、絕緣、防火等方面新性能的復(fù)合材料，用于屋面、墻體乃至結(jié)構(gòu)構(gòu)件，是建筑業(yè)發(fā)展的新天地。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用化學(xué)合成材料用于抗力結(jié)構(gòu)是材料發(fā)展的嶄新領(lǐng)域。新研制的自修復(fù)混凝土，是在混凝土中摻入空心纖維，并灌以樹脂，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)超過允許寬度的裂縫時，混凝土內(nèi)的微細(xì)管孔破裂，樹脂會自動流出封閉裂縫。再如，將結(jié)構(gòu)的梁和柱之間用聚合物作為緩沖材料連接，它在一般荷載作用下是剛性連接，而在振動作用較大時則變成柔性連接，能起到吸收和緩沖地震或風(fēng)力帶來的加速度的作用。另外，還有金屬板涂膜材料、光纖混凝土、自動變狀塑料制品、形狀記憶合金等新技術(shù)都正在研制開發(fā)之中。目前將化學(xué)合成材料用于管材、門窗、裝飾配件、黏結(jié)劑、外加劑等已非常普遍；今后的方向一是擴(kuò)展用于建筑的外圍部件，如用之代替鋼、銅、木和陶瓷等傳統(tǒng)材料；二是改善建筑制品的性能，包括保溫、隔熱、隔聲、耐高溫、耐高壓、耐磨、耐火等新的需求；三是在研究、開發(fā)其受力和變形的性能后廣泛用于抗力結(jié)構(gòu)，國外已有聚合物處理的碳纖維鋼筋和碳纖維鋼絞線，可用于混凝土結(jié)構(gòu)。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用2.結(jié)構(gòu)方面鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，除在一般工業(yè)與民用建筑中得到了極為廣泛的應(yīng)用外，當(dāng)前令人矚目的是它在高層建筑、大跨橋梁和高聳結(jié)構(gòu)物應(yīng)用中的突飛猛進(jìn)、日新月異的發(fā)展。鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)是近年來值得注意的發(fā)展方向之一，如鋼板混凝土用于地下結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)加固，壓型鋼板－混凝土板用于樓板，型鋼與混凝土組合而成的組合梁用于樓蓋或橋梁，外包鋼混凝土柱用于電廠主廠房等。在鋼管內(nèi)澆筑混凝土，在縱向壓力作用下，使管內(nèi)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，而管內(nèi)的混凝土又抑制管壁的局部失穩(wěn)，因而使構(gòu)件的承載力和變形能力大大地提高，而且鋼管又是混凝土的模板，施工速度加快。這種結(jié)構(gòu)近年來已在國內(nèi)逐步得到應(yīng)用。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用在鋼－混凝土組合梁中，將工字型鋼腹板按折線形切開，改焊成高度更大的蜂窩形梁，既提高了抗彎能力，又便于管道通過有洞的腹板，這已經(jīng)在電廠結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。近年來，比利時、日本以及我國研究應(yīng)用一種預(yù)彎型鋼的預(yù)應(yīng)力梁，即將預(yù)制的帶有拱度的工字型鋼梁，在加載狀態(tài)下，在下翼緣澆筑混凝土，待達(dá)到一定強(qiáng)度后卸載使下翼緣的混凝土預(yù)壓，然后運(yùn)至現(xiàn)場鋪設(shè)預(yù)制梁板，再澆筑上部混凝土成為裝配整體式構(gòu)件，在使用荷載下，下翼緣產(chǎn)生的外加拉應(yīng)力可與預(yù)加的壓應(yīng)力抵消，類似于預(yù)應(yīng)力混凝土迭合結(jié)構(gòu)，雖然鋼材用量稍多，但截面尺寸和自重均可減小，施工時無需錨具和張拉設(shè)備。國外已建成跨度達(dá)60m的公路橋，國內(nèi)在遼寧、武漢、哈爾濱等地的橋梁工程中已有應(yīng)用。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)近年來發(fā)展也較迅速，其中引人重視的是無黏結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。無黏結(jié)筋是由單根或多根高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線或鋼筋，沿全長涂抹防腐蝕油脂并用聚乙烯熱塑管包裹而成。張拉時無黏結(jié)筋與周圍混凝土產(chǎn)生縱向相對滑動。無黏結(jié)筋像普通鋼筋一樣敷設(shè)，然后澆筑混凝土，待混凝土達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度后進(jìn)行張拉和錨固，省去了傳統(tǒng)后張預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)埋管道、穿索、壓漿工藝，節(jié)省施工設(shè)備，縮短工期，節(jié)約造價，可得到綜合的經(jīng)濟(jì)效益，我國目前已在房屋建筑和公路橋梁中應(yīng)用。一種體外張拉的預(yù)應(yīng)力索已在橋梁工程的修建、補(bǔ)強(qiáng)加固中應(yīng)用，其特點(diǎn)是：與體內(nèi)無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋一樣大幅度減小預(yù)應(yīng)力值的摩擦損失，簡化截面形狀和減小截面或壁厚尺寸，便于再次張拉、錨固、更換或增添新索，提高構(gòu)件的承載力，我國汕頭海灣大橋的索橋預(yù)應(yīng)力混凝土加勁梁即采用了體外索。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用

國內(nèi)最近在上海成都路高架橋工程采用一種“緩黏結(jié)”預(yù)應(yīng)力混凝土張拉工藝，與無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋類似，但預(yù)應(yīng)力筋周圍是用緩凝砂漿包裹，在鋼筋張拉時砂漿不起黏結(jié)作用可以自由張拉，待鋼筋錨固后砂漿緩慢凝結(jié)硬化，與預(yù)應(yīng)力筋相黏結(jié)。這種施工工藝，在張拉時是“無黏結(jié)”，在砂漿凝結(jié)后又是“有黏結(jié)”的，具有進(jìn)一步開展研究的意義。目前世界上已建成的最高的鋼筋混凝土超高層建筑是馬來西亞吉隆坡的石油雙塔大廈(如圖1.17所示)。它由兩個并排的圓形建筑所組成，每個塔的內(nèi)筒為邊長23m的方形，外圍為16個圓柱(直徑2.4m～1.2m)。地上88層，高390m，連同桅桿總高450m，底層至84層均為鋼筋混凝土及鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用圖1.17石油雙塔大廈及其結(jié)構(gòu)平面圖1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用我國已建成的最高建筑是上海金茂大廈(如圖1.18所示)，為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中部分柱配置了鋼骨，88層，高度為420.5m。結(jié)構(gòu)體系是一個用外伸桁架與外側(cè)8個巨型組合柱連接的混凝土核心筒。截面為1.5m×4.9m～1m×3.5m。圖1.18金茂大廈及其結(jié)構(gòu)平面圖1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用法國巴黎國家工業(yè)與技術(shù)展覽中心大廳(如圖1.19)的鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)是當(dāng)前世界上跨度最大的公共建筑。它的平面呈三角形，邊長219m(720ft，此即跨度)，殼頂離地面46m(152ft)，是雙層波形拱殼，支承在3個角部墩座上，墩座與預(yù)應(yīng)力拉桿相連。而且建筑造型新穎，充分說明混凝土殼體結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。該建筑是把結(jié)構(gòu)、材料、自然力融為一體的杰作，在結(jié)構(gòu)計算和施工方面都有大膽的創(chuàng)新，是世界建筑領(lǐng)域的一大進(jìn)步。悉尼歌劇院位于澳大利亞悉尼港，建造在伸入海中的一塊狹小地段上，遠(yuǎn)看似群帆泊岸，由3組、10對殼片組成(如圖1.20所示)，以環(huán)境優(yōu)美和建筑造型獨(dú)特而聞名于世。該建筑為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其外部造型已完全無墻、柱的概念，它的外部造型與內(nèi)部功能無直接聯(lián)系，內(nèi)部的形狀由吊在鋼筋混凝土殼上的鋼桁架決定。該建筑的結(jié)構(gòu)受力相當(dāng)復(fù)雜，為計算方便，將所有殼體設(shè)計成同樣的曲率，如同從一個直徑為75m的大圓上切取下來的一樣。但就是這樣仍使計算和施工困難重重，最終是以Ｙ形、Ｔ形的鋼筋混凝土肋骨拼接成三角形殼瓣，才使設(shè)計和施工得以進(jìn)行。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和施工的困難，使該建筑的工期長達(dá)17年，造價超過預(yù)算的十幾倍。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用圖1.19法國巴黎國家工業(yè)與技術(shù)展覽中心大廳圖1.20悉尼歌劇院1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面斜拉橋或鋼與混凝土組合梁斜拉橋是當(dāng)前大跨橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式之一。我國在1993年10月建成通車的上海楊浦大橋(如圖1.21所示)，主跨602m，是當(dāng)今世界最大跨徑的鋼與混凝土結(jié)合梁斜拉橋，橋全長1172m，“A”字型橋塔高220m，采用了256根斜拉索。1995年建成的重慶長江二橋(如圖1.22所示)，主跨444m，是我國目前最大跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土梁斜拉橋。我國1997年建成的箱形截面的萬縣長江拱橋(如圖1.23所示)，主跨420m，是當(dāng)今世界最大跨度的鋼筋混凝土拱橋。此前，最大跨度鋼筋混凝土拱橋?yàn)榭肆_地亞的克爾克Ⅱ號橋(如圖1.24所示)，主跨390m。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用圖1.21上海楊浦大橋

圖1.22重慶長江二橋1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用

混凝土結(jié)構(gòu)電視塔由于其造型上及施工(采用滑模施工)上的特點(diǎn)，已逐漸取代過去常用的鋼結(jié)構(gòu)電視塔。目前世界最高的預(yù)應(yīng)力混凝土電視塔為加拿大的多倫多電視塔(如圖1.25所示)，高553m，其次是莫斯科電視塔。我國上海浦東的“東方明珠”電視塔(如圖1.26所示)高度居世界第三位，塔高454m。上海電視塔造型獨(dú)特，采用三根預(yù)應(yīng)力混凝土管柱貫穿著上下3個球形，小球直徑7m，標(biāo)高337m；兩個大球直徑各50m，標(biāo)高分別為265m及80m。此外，已建成的北京中央電視塔、天津電視塔(如圖1.27所示)是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，高度均達(dá)到了400m。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用圖1.23萬縣長江拱橋

圖1.24克爾克Ⅱ號橋1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用圖1.25多倫多電視塔圖1.26“東方明珠”電視塔圖1.27天津電視塔1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用3.計算理論方面鋼筋混凝土的基本理論和設(shè)計方法研究在不斷發(fā)展中。目前考慮混凝土非彈性變形的計算理論有很大進(jìn)展，在連續(xù)板、梁及框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計中考慮塑性內(nèi)力重分布的分析方法已得到較為廣泛的應(yīng)用。隨著對混凝土強(qiáng)度和變形理論的深入研究，現(xiàn)代化測試技術(shù)的發(fā)展及有限元分析方法的應(yīng)用，對混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是體形復(fù)雜或受力狀況特殊的二維、三維結(jié)構(gòu)，已能進(jìn)行非線性的全過程分析。并開始從個別構(gòu)件的計算過渡到考慮結(jié)構(gòu)整體空間工作、結(jié)構(gòu)與地基相互作用的分析方法，使得混凝土結(jié)構(gòu)的計算理論和設(shè)計方法日趨完善，向著更高的階段發(fā)展。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用十幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快，混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究取得了許多新的進(jìn)展，在工程建設(shè)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新技術(shù)和新材料，而隨著人民生活水平的提高，對房屋建筑結(jié)構(gòu)可靠性、耐久性的要求也進(jìn)一步提高，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ10—1989)已不能適應(yīng)工程建設(shè)的需要。因此，2002年又頒布了新的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2002)。新規(guī)范反映了近十幾年來在工程建設(shè)中的新經(jīng)驗(yàn)和混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)科新的科研成果，標(biāo)志著我國混凝土結(jié)構(gòu)的計算理論和設(shè)計水平又有了新的提高。1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2002)將混凝土強(qiáng)度等級提高為C15～C80，混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋以HRB400級(原Ⅲ級)作為主導(dǎo)鋼筋，并適當(dāng)調(diào)整了材料設(shè)計強(qiáng)度的取值以提高結(jié)構(gòu)的安全度。新規(guī)范增加了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力及應(yīng)力分析的基本方法。為適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析的需要，增加了混凝土及鋼筋本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則的有關(guān)內(nèi)容。新規(guī)范還對結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力計算方法，各類構(gòu)件的構(gòu)造措施等進(jìn)行修訂、補(bǔ)充和完善。此外，新規(guī)范還明確了工程設(shè)計人員必須遵守的強(qiáng)制性條文。新規(guī)范的頒布與實(shí)施必將促進(jìn)我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的進(jìn)一步提高。本書除了介紹混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理外，在設(shè)計方法上將主要講述新的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，以下簡稱《規(guī)范》(GB50010—2002)的內(nèi)容1.5混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況及工程應(yīng)用

1.學(xué)習(xí)本課程的主要目的掌握混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計計算的基本理論、設(shè)計方法和構(gòu)造知識，為今后能承擔(dān)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的工作打下理論基礎(chǔ)并得到初步訓(xùn)練。1.6導(dǎo)學(xué)2.課程內(nèi)容總體來講，混凝土結(jié)構(gòu)課程按內(nèi)容的性質(zhì)可分兩個部分：第一部分：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理。主要介紹鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能、概率極限狀態(tài)設(shè)計原則，各種鋼筋混凝土構(gòu)件，如受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件、受扭構(gòu)件、受拉構(gòu)件的受力性能、截面設(shè)計方法和構(gòu)造措施，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)課。第二部分：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要介紹梁板結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土單層工業(yè)廠房和多高層房屋的結(jié)構(gòu)布置、各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件(樓面、梁、柱、基礎(chǔ)、屋蓋結(jié)構(gòu)、排架、框架)的形式、計算、構(gòu)造、各構(gòu)件的連接和整體工作及抗震設(shè)計要點(diǎn)，是基本理論的實(shí)際應(yīng)用。屬于專業(yè)課的內(nèi)容。1.6導(dǎo)學(xué)1.6導(dǎo)學(xué)

3.結(jié)合課程特點(diǎn)，提示學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題材料的復(fù)雜性。鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種力學(xué)性能完全不同的材料組成的復(fù)合材料，除自身性能復(fù)雜外，其性能還受諸多因素的較大影響。它與以往學(xué)過的材料力學(xué)中單一、勻質(zhì)、連續(xù)、理想彈性的材料不同，所以材料力學(xué)公式在混凝土結(jié)構(gòu)中可以直接應(yīng)用的不多，但在考慮了鋼筋混凝土材料特性的基礎(chǔ)上通過平衡關(guān)系建立基本方程的途徑是相同的。而且兩種材料在截面面積數(shù)量和材料強(qiáng)度大小上的比例匹配不同會引起構(gòu)件受力性能的改變。這是單一材料構(gòu)件所沒有的特點(diǎn)。為了對鋼筋混凝土的受力性能和破壞特性有較好的了解，首先要掌握好鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能和影響因素。這對于鋼筋混凝土構(gòu)件則是一個既具有基本理論意義，又有工程實(shí)際意義的問題。這是學(xué)習(xí)本課程必須十分注意的問題。1.6導(dǎo)學(xué)

試驗(yàn)的依賴性。由于混凝土材料性能的復(fù)雜性和離散性，鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能和構(gòu)件的設(shè)計原則、計算方法、計算公式都是建立在大量試驗(yàn)給出的現(xiàn)象、得出的結(jié)論、總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上用概率統(tǒng)計分析的方法確定的。目前還沒有建立起較為完善的強(qiáng)度和變形理論。學(xué)習(xí)本課程時要重視構(gòu)件的試驗(yàn)研究，掌握通過試驗(yàn)現(xiàn)象觀察到的構(gòu)件受力性能，以及受力分析所采用的基本假設(shè)的試驗(yàn)依據(jù)，在運(yùn)用計算方法、計算公式時要注意其適用范圍和具體條件，因?yàn)樗茌^好地反映鋼筋混凝土構(gòu)件的真實(shí)受力情況。1.6導(dǎo)學(xué)設(shè)計的綜合性。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括方案、材料選擇，截面形式確定、配筋計算，構(gòu)造措施保證等。結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個綜合性的問題，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置、處理構(gòu)造問題時，不僅要考慮結(jié)構(gòu)受力的合理性，還要考慮使用要求、材料、造價、施工、制造等方面的問題。既要做到安全、適用、耐久，又要做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。需對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行全面地綜合分析比較，對同一問題往往有多種解決的辦法，答案往往不是惟一的，應(yīng)結(jié)合具體情況確定最佳方案，以獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。所以在學(xué)習(xí)過程中，要注意培養(yǎng)對多種因素進(jìn)行綜合分析的能力。1.6導(dǎo)學(xué)《規(guī)范》的權(quán)威性和設(shè)計者的主動創(chuàng)造性。《規(guī)范》是國家制定的有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和構(gòu)造要求的技術(shù)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，是具有約束性和立法性的文件，是設(shè)計、校核、審批結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的依據(jù)。強(qiáng)制性條文是設(shè)計中必須