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混凝土結構

混凝土結構(concrete structure), 以混凝土為主製作的結構。包括素混凝結構、鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構等。 “砼”(音tóng),與“混凝土”同義,可並用,但在同一技術文件、圖紙、書刊中,兩者不宜混用。

主要種類

素混凝土

素混凝土是針對鋼筋混凝土、預應力混凝土等而言的。素混凝土是鋼筋混凝土結構的重要組成部分,由水泥、砂(細骨料)、石子(粗骨料)、礦物參合料、外加劑等,按一定比例混合後加一定比例的水拌製而成。普通混凝土幹表觀密度為1900∼2500kg/m3,是由天然砂、石作骨料製成的。當構件的配筋率小於鋼筋混凝土中縱向受力鋼筋最小配筋百分率時,應視為素混凝土結構。這種材料具有較高的抗壓強度,而抗拉強度卻很低,故一般在以受壓為主的結構構件中採用,如柱墩、基礎牆等。鋼筋混凝土

當在混凝土中配以適量的鋼筋,則為鋼筋混凝土。鋼筋和混凝土這種物理、力學性能很不相同的材料之所以能有效地結合在一起共同工作,主要靠兩者之間存在粘結力,受荷後協調變形。再者這兩種材料溫度線膨脹係數接近,此外鋼筋至混凝土邊緣之間的混凝土,作為鋼筋的保護層,使鋼筋不受鏽蝕並提高構件的防火性能。由於鋼筋混凝土結構合理地利用了鋼筋和混凝土兩者性能特點,可形成強度較高,剛度較大的結構,其耐久性和防火性能好,可模性好,結構造型靈活,以及整體性、延性好,減少自身重量,適用於抗震結構等特點,因而在建築結構及其他土木工程中得到廣泛應用。

預應力混凝土

預應力混凝土是在混凝土結構構件承受荷載之前,利用張拉配在混凝土中的高強度預應力鋼筋而使混凝土受到擠壓,所產生的預壓應力可以抵銷外荷載所引起的大部分或全部拉應力,也就提高了結構構件的抗裂度。這樣的預應力混凝土一方面由於不出現裂縫或裂縫寬度較小,所以它比相應的普通鋼筋混凝土的截面剛度要大,變形要小;另一方面預應力使構件或結構產生的變形與外荷載產生的變形方向相反(習慣稱為“反拱”),因而可抵銷後者一部分變形,使之容易滿足結構對變形的要求,故預應力混凝土適宜於建造大跨度結構。混凝土和預應力鋼筋強度越高,可建立的預應力值越大,則構件的抗裂性越好。同時,由於合理有效地利用高強度鋼材,從而節約鋼材,減輕結構自重。由於抗裂性高,可建造水工、儲水和其它不滲漏結構。

結構優缺點

優點

和其他材料的結構相比,混凝土結構的優點具體體現在以下幾個方面:整體性好,可灌築成為一個整體;可模性好,可灌築成各種形狀和尺寸的結構;耐久性和耐火性好;工程造價和維護費用低。

缺點

主要缺點是:混凝土抗拉強度低,部分地採用了鋼筋混凝土樓板。容易出現裂縫;結構自重比鋼、木結構大;室外施工受氣候和季節的限制;新舊混凝土不易連接,增加了補強修復的困難。混凝土結構的缺點具體體現在以下幾個方面:

此外,混凝土結構施工工序複雜,週期較大,且受季節和氣候的影響較大。如遇損傷,則修復比較困難。混凝土的隔熱、隔聲性能也較差。

結構簡史

國際簡況

從現代人類的工程建設史上來看,相對於砌體結構、木結構和鋼、鐵結構而言,混凝土結構是一種新興結構,它的應用也不過一百多年的歷史。但有的考古學者認為,水泥的起源約在公元前5—10萬年,以後在公元前3000年,用熟石膏和石灰混合在一起建造了著名埃及的金字塔,這是現存的最早的混凝土結構物。其後在古希臘和羅馬時代,用這種水泥建造了很多建築物和公路。

進入近代以來,經過了J. Smeaton,J. Parker等人的試作階段,1824年英國的燒瓦工人Joseph Aspdin調配石灰岩和粘土,首先燒成了人工的矽酸鹽水泥,並取得專利,成為水泥工業的開端。以後,對如何克服混凝土抗拉強度很低這一問題​​進行了研究,1854年法國技師J. L. Lambot將鐵絲網斂入混凝土中製成了小船,並於第二年在巴黎博覽會上展出,這可以說是最早的RC製品。從此以後,Francois Conigne,Wilkinson等人改進了Lambot的製品,到1867年法國技師Joseph Monier取得了用格子狀配筋製作橋面板的專利,RC工藝迅速地向前發展。 1867這一年,是全世界公認為最早的RC橋架設的一年。 1877年美國的Thaddeus H yatt調查了樑的力學性質,1887年德國的Konen提出了用混凝土承擔壓力和用鋼筋承擔拉力的設計方案,德國的J. Baushinger確認了混凝土中的鋼筋不受鏽蝕等問題,於是RC結構又有了新的發展。 1892年法國的Hennebique闡述了箍筋對抗剪的有效作用,並於1898年提出了T形粱的方案。關於柱子,前面提到的Conigne在RC樁方面得到了很多專利,Considere根據實驗於1902年取得了螺旋鋼筋柱的專利。

總而言之,混凝土結構是在19世紀中期開始得到應用的,由於當時水泥和混凝土的質量都很差,同時設計計算理論尚未建立,所以發展比較緩慢。直到19世紀末以後,隨著生產的發展,以及試驗工作的開展、計算理論的研究、材料及施工技術的改進,這一技術才得到了較快的發展。目前已成為現代工程建設中應用最廣泛的建築材料之一。

在工程應用方面,混凝土結構最初僅在最簡單的結構物如拱、板等中使用。隨著水泥和鋼材工業的發展。混凝土和鋼材的質量不斷改進、強度逐步提高。例如在美國20世紀60年代使用的混凝土抗壓強度平均為28N/mm2,20世紀70年代提高到42 N/mm2 ,一些特殊需要的結構混凝土抗壓強度可達80—100 N/mm2,而實驗室做出的抗壓強度最高已達266 N/mm2。前蘇聯20世紀70年代使用鋼材平均屈服強度為380 MPa,20世紀80年代提高到420 N/mm2;美國在20世紀70年代鋼材平均屈服強度已達420 N/mm2。預應力鋼筋所用強度則更高。這些均為進一步擴大鋼筋混凝土的應用範圍創造了條件,特別是自20世紀70年代以來,很多國家巳把高強度鋼筋和高強度混凝土用於大跨、重型、高層結構中,在減輕自重、節約鋼材上取得了良好的效果。

為了克服鋼筋混凝土易於產生裂縫這一缺點,促成了預應力混凝土的出現。預應力混凝土的應用又對材料強度提出新的更高的要求,而高強度混凝土及鋼材的發展反過來又促進了預應力混凝土結構應用範圍的不斷擴大。預應力混凝土除了用以改善建築結構外(例如增大跨度、減小截面等),還應用於高層建築、橋隧建築、海洋結構、壓力容器、飛機跑道及公路路面等方面。預應力混凝土的應用已不僅在某些範圍內用來代替鋼結構和改善普通鋼筋混凝土結構,而且在一些方面,例如原子能發電站的高溫高壓的大型壓力容器,只有採用預應力混凝土結構建造才能保證安全。對防腐蝕有特殊要求的海洋結構—如採油平台,也非採用預應力混凝土或鋼筋混凝土建造不可。

為改善鋼筋混凝土自重大的缺點,世界各國已經大力研究發展了各種輕質混凝土(由膠結料、多孔粗骨科、多孔或密實的細骨科與水拌製而成),其乾容重一般不大於18kN/m3,如陶粒混凝土、浮石混凝土、火山渣混凝土、膨脹礦渣混凝土等。輕質混凝土可在預製和現澆的建築結構中採用,例如可製成預製大型壁板、屋面板、折板以及現澆的薄殼、大跨、高層結構。但在應用中應當考慮到它的一些特殊性能(彈性模量低、收縮、徐變大等),國外輕質混凝土用於承重結構的強度等級為C30∼C60,其容重一般為14∼18kN/ m3。國內常用的強度等級為C20、C30,也可配製C40或更高的強度,其容重一般為12∼18kN/m3。由輕混凝土製成的結構自重較普通混凝土可減少20∼30%,由於自重減輕,結構地震作用減小,因此在地震區採用輕質混凝土結構可有效地減小地震力,節約材料和造價。

二次世界大戰後,國外建築工業化的發展很快,已從採用一般的標准設計定向工業化建築體系,趨向於​​做到一件多用或僅用較少幾種類型的構件(如樑板合一構件、牆柱合一構件等)就能建造成各類房屋。實踐充分顯示出建築工業化在加快建設速度、降低建築造價、保證施工質量等方面的巨大優越性。在大力發展裝配或鋼筋混凝土結構體系的同時,有些國家還採用了工具式模板、機械化現澆與預製相結合,即裝配整體式鋼筋混凝土結構體系。

由於輕質、高強混凝土材料的發展以及結構設計理論水平的提高,使得混凝土結構應用跨度和高度都不斷地增大。例如;目前世界上最高的混凝土建築為香港中環廣場達78層​​374m、其次是平壤柳京飯店達105層300m、芝加哥水塔廣場大樓達76層262m;最高的全部輕混凝土結構的高層建築是休士敦貝殼廣場大廈52層215m;預應力輕骨科混凝土建造的飛機庫(西德)房蓋結構跨度達90m;預應力混凝土箱形截面橋樑跨度已達240m以上(日本沃名大橋);蘇聯及加拿大分別建成了533m及549m高的預應力混凝土電視塔。

所有這些都顯示了近代鋼筋混凝土結構設計和施工水平日新月異的,迅速發展。

此外,對於防射線混凝土、纖維混凝土等也正在積極研究中,並已在有特殊要求的結構上開始應用。纖維混凝土使混凝土的性質獲得飛躍的發展,把混凝土的拉、壓強度比從1/l0提高到1/2,並且具有早強、體積穩定(收縮、徐變小)的特性;並有可能建造600—900m高的建築,跨度達500—600m的橋樑,以及海上浮動城市、海底城市、地下城市等。

國內簡況

在19世紀末20世紀初,我國也開始有了鋼筋混凝土建築物,如上海市的外灘、廣州市的沙面等,但工程規模很小,建築數量也很少。解放以後,我國在落後的國民經濟基礎上進行了大規模的社會主義建設。隨著工程建設的發展及國家進一步的改革開放,混凝土結構在我國各項工程建設中得到迅速的發展和廣泛的應用。

我國20世紀70年代起,在一般民用建設中巳較廣泛地採用定型化、標準化的裝配式鋼筋混凝土構件,並隨著建築工業化的發展以及牆體改革的推行,發展了裝配式大板居住建築,在多高層建築中還廣泛採用大模剪力牆承重結構外加掛板或外砌磚牆結構體系。各地還研究了框架輕板體系,最輕的每平方米僅為3∼5kN。由於這種結構體系的自重大大減輕,不僅節約材料消耗,而且對於結構抗震具有顯著的優越性。

改革開放後,混凝土高層建築在我國也有了較大的發展。繼20世紀70年代北京飯店、廣州白雲賓館和一批高層住宅(如北京前三門大街、上海漕溪路住宅建築群)的興建以後,80年代,高層建築的發展加快了步伐,結構體系更為多樣化,層數增多,高度加大,已逐步在世界上佔據領先地位;目前國內最高的混凝土結構建築是廣州的中天廣場,80層322m高,為框架—筒體結構;香港的中環廣場達78層​​374m,三角形平面筒中筒結構,是世界上最高的混凝土建築;廣州國際大廈63層199m,是80年代世界上最高的部分預應力混凝土建築。隨著高層建築的發展,高層建築結構分析方法和試驗研究工作,在我國得到了極為迅速的發展,許多方面已達到或接近於國際先進水平。


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