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2018,03
混凝土结构的发展历史
发布者:admin
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发布时间:2018,03,21
主要种类
素混凝土
素混凝土是针对钢筋混凝土、预应力混凝土等而言的。素混凝土是钢筋混凝土结构的重
要组成部分,由水泥、砂(细骨料)、石子(粗骨料)、矿物参合料、外加剂等,按一定比例混合后加一定比例的水拌制而成。普通混凝土干表观密度为1900~2500kg/m3,是由天然砂、石作骨料制成的。当构件的配筋率小于钢筋混凝土中纵向受力钢筋最小配筋百分率时,应视为素混凝土结构。这种材料具有较高的抗压强度,而抗拉强度却很低,故一般在以受压为主的结构构件中采用,如柱墩、基础墙等。
钢筋混凝土
当在混凝土中配以适量的钢筋,则为钢筋混凝土。钢筋和混凝土这种物理、力学性能很不相同的材料之所以能有效地结合在一起共同工作,主要靠两者之间存在粘结力,受荷后协调变形。再者这两种材料温度线膨胀系数接近,此外钢筋至混凝土边缘之间的混凝土,作为钢筋的保护层,使钢筋不受锈蚀并提高构件的防火性能。由于钢筋混凝土结构合理地利用了钢筋和混凝土两者性能特点,可形成强度较高,刚度较大的结构,其耐久性和防火性能好,可模性好,结构造型灵活,以及整体性、延性好,减少自身重量,适用于抗震结构等特点,因而在建筑结构及其他土木工程中得到广泛应用。
预应力混凝土
预应力混凝土是在混凝土结构构件承受荷载之前,利用张拉配在混凝土中的高强度预应力钢筋而使混凝土受到挤压,所产生的预压应力可以抵消外荷载所引起的大部分或全部拉应力,也就提高了结构构件的抗裂度。这样的预应力混凝土一方面由于不出现裂缝或裂缝宽度较小,所以它比相应的普通钢筋混凝土的截面刚度要大,变形要小;另一方面预应力使构件或结构产生的变形与外荷载产生的变形方向相反(习惯称为"反拱"),因而可抵销后者一部分变形,使之容易满足结构对变形的要求,故预应力混凝土适宜于建造大跨度结构。混凝土和预应力钢筋强度越高,可建立的预应力值越大,则构件的抗裂性越好。同时,由于合理有效地利用高强度钢材,从而节约钢材,减轻结构自重。由于抗裂性高,可建造水工、储水和其它不渗漏结构。
结构优点
和其他材料的结构相比,混凝土结构的优点具体体现在以下几个方面:整体性好,可灌筑成为一个整体;可模性好,可灌筑成各种形状和尺寸的结构;耐久性和耐火性好;工程造价和维护费用低。
结构简史
国际简况
从现代人类的工程建设史上来看,相对于砌体结构、木结构和钢、铁结构而言,混凝土结构是一种新兴结构,它的应用也不过一百多年的历史。但有的考古学者认为,水泥的起源约在公元前5—10万年,以后在公元前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,这是现存的最早的混凝土结构物。其后在古希腊和罗马时代,用这种水泥建造了很多建筑物和公路。
进入近代以来,经过了J.Smeaton,J.Parker等人的试作阶段,1824年英国的烧瓦工人JosephAspdin调配石灰岩和粘土,首先烧成了人工的硅酸盐水泥,并取得专利,成为水泥工业的开端。以后,对如何克服混凝土抗拉强度很低这一问题进行了研究,1854年法国技师J.L.Lambot将铁丝网敛入混凝土中制成了小船,并于第二年在巴黎博览会上展出,这可以说是最早的RC制品。从此以后,FrancoisConigne,Wilkinson等人改进了Lambot的制品,到1867年法国技师JosephMonier取得了用格子状配筋制作桥面板的专利,RC工艺迅速地向前发展。1867这一年,是全世界公认为最早的RC桥架设的一年。1877年美国的ThaddeusHyatt调查了梁的力学性质,1887年德国的Konen提出了用混凝土承担压力和用钢筋承担拉力的设计方案,德国的J.Baushinger确认了混凝土中的钢筋不受锈蚀等问题,于是RC结构又有了新的发展。1892年法国的Hennebique阐述了箍筋对抗剪的有效作用,并于1898年提出了T形粱的方案。关于柱子,前面提到的Conigne在RC桩方面得到了很多专利,Considere根据实验于1902年取得了螺旋钢筋柱的专利。
总而言之,混凝土结构是在19世纪中期开始得到应用的,由于当时水泥和混凝土的质量都很差,同时设计计算理论尚未建立,所以发展比较缓慢。直到19世纪末以后,随着生产的发展,以及试验工作的开展、计算理论的研究、材料及施工技术的改进,这一技术才得到了较快的发展。目前已成为现代工程建设中应用最广泛的建筑结构之一。
在工程应用方面,混凝土结构最初仅在最简单的结构物如拱、板等中使用。随着水泥和钢材工业的发展。混凝土和钢材的质量不断改进、强度逐步提高。例如在美国20世纪60年代使用的混凝土抗压强度平均为28N/mm2,20世纪70年代提高到42N/mm2,一些特殊需要的结构混凝土抗压强度可达80—100N/mm2,而实验室做出的抗压强度最高已达266N/mm2。前苏联20世纪70年代使用钢材平均屈服强度为380MPa,20世纪80年代提高到420N/mm2;美国在20世纪70年代钢材平均屈服强度已达420N/mm2。预应力钢筋所用强度则更高。这些均为进一步扩大钢筋混凝土的应用范围创造了条件,特别是自20世纪70年代以来,很多国家巳把高强度钢筋和高强度混凝土用于大跨、重型、高层结构中,在减轻自重、节约钢材上取得了良好的效果。
为了克服钢筋混凝土易于产生裂缝这一缺点,促成了预应力混凝土的出现。预应力混凝土的应用又对材料强度提出新的更高的要求,而高强度混凝土及钢材的发展反过来又促进了预应力混凝土结构应用范围的不断扩大。预应力混凝土除了用以改善建筑结构外(例如增大跨度、减小截面等),还应用于高层建筑、桥隧建筑、海洋结构、压力容器、飞机跑道及公路路面等方面。预应力混凝土的应用已不仅在某些范围内用来代替钢结构和改善普通钢筋混凝土结构,而且在一些方面,例如原子能发电站的高温高压的大型压力容器,只有采用预应力混凝土结构建造才能保证安全。对防腐蚀有特殊要求的海洋结构—如采油平台,也非采用预应力混凝土或钢筋混凝土建造不可。
为改善钢筋混凝土自重大的缺点,世界各国已经大力研究发展了各种轻质混凝土(由胶结料、多孔粗骨科、多孔或密实的细骨科与水拌制而成),其干容重一般不大于18kN/m3,如陶粒混凝土、浮石混凝土、火山渣混凝土、膨胀矿渣混凝土等。轻质混凝土可在预制和现浇的建筑结构中采用,例如可制成预制大型壁板、屋面板、折板以及现浇的薄壳、大跨、高层结构。但在应用中应当考虑到它的一些特殊性能(弹性模量低、收缩、徐变大等),国外轻质混凝土用于承重结构的强度等级为C30~C60,其容重一般为14~18kN/m3。国内常用的强度等级为C20、C30,也可配制C40或更高的强度,其容重一般为12~18kN/m3。由轻混凝土制成的结构自重较普通混凝土可减少20~30%,由于自重减轻,结构地震作用减小,因此在地震区采用轻质混凝土结构可有效地减小地震力,节约材料和造价。
二次世界大战后,国外建筑工业化的发展很快,已从采用一般的标准设计定向工业化建筑体系,趋向于做到一件多用或仅用较少几种类型的构件(如梁板合一构件、墙柱合一构件等)就能建造成各类房屋。实践充分显示出建筑工业化在加快建设速度、降低建筑造价、保证施工质量等方面的巨大优越性。在大力发展装配或钢筋混凝土结构体系的同时,有些国家还采用了工具式模板、机械化现浇与预制相结合,即装配整体式钢筋混凝土结构体系。
由于轻质、高强混凝土材料的发展以及结构设计理论水平的提高,使得混凝土结构应用跨度和高度都不断地增大。例如;目前世界上最高的混凝土建筑为香港中环广场达78层374m、其次是平壤柳京饭店达105层300m、芝加哥水塔广场大楼达76层262m;最高的全部轻混凝土结构的高层建筑是休士敦贝壳广场大厦52层215m;预应力轻骨科混凝土建造的飞机库(西德)房盖结构跨度达90m;预应力混凝土箱形截面桥梁跨度已达240m以上(日本沃名大桥);苏联及加拿大分别建成了533m及549m高的预应力混凝土电视塔。
所有这些都显示了近代钢筋混凝土结构设计和施工水平日新月异的,迅速发展。
此外,对于防射线混凝土、纤维混凝土等也正在积极研究中,并已在有特殊要求的结构上开始应用。纤维混凝土使混凝土的性质获得飞跃的发展,把混凝土的拉、压强度比从1/l0提高到1/2,并且具有早强、体积稳定(收缩、徐变小)的特性;并有可能建造600—900m高的建筑,跨度达500—600m的桥梁,以及海上浮动城市、海底城市、地下城市等。
国内简况
在19世纪末20世纪初,我国也开始有了钢筋混凝土建筑物,如上海市的外滩、广州市的沙面等,但工程规模很小,建筑数量也很少。解放以后,我国在落后的国民经济基础上进行了大规模的社会主义建设。随着工程建设的发展及国家进一步的改革开放,混凝土结构在我国各项工程建设中得到迅速的发展和广泛的应用。
我国20世纪70年代起,在一般民用建设中巳较广泛地采用定型化、标准化的装配式钢筋混凝土构件,并随着建筑工业化的发展以及墙体改革的推行,发展了装配式大板居住建筑,在多高层建筑中还广泛采用大模剪力墙承重结构外加挂板或外砌砖墙结构体系。各地还研究了框架轻板体系,最轻的每平方米仅为3~5kN。由于这种结构体系的自重大大减轻,不仅节约材料消耗,而且对于结构抗震具有显着的优越性。
改革开放后,混凝土高层建筑在我国也有了较大的发展。继20世纪70年代北京饭店、广州白云宾馆和一批高层住宅(如北京前三门大街、上海漕溪路住宅建筑群)的兴建以后,80年代,高层建筑的发展加快了步伐,结构体系更为多样化,层数增多,高度加大,已逐步在世界上占据领先地位;目前国内最高的混凝土结构建筑是广州的中天广场,80层322m高,为框架—筒体结构;香港的中环广场达78层374m,三角形平面筒中筒结构,是世界上最高的混凝土建筑;广州国际大厦63层199m,是80年代世界上最高的部分预应力混凝土建筑。随着高层建筑的发展,高层建筑结构分析方法和试验研究工作,在我国得到了极为迅速的发展,许多方面已达到或接近于国际先进水平。
在大跨度的公共建筑和工业建筑中,常采用钢筋混凝土桁架、门式刚架、拱、薄壳等结构形式。在工业建设中已经广泛地采用了装配式钢筋混凝土及预应力混凝土。为了节约用地;在工业建筑中多层工业厂房所占比重有逐渐增多的趋势,在多层工业厂房中除现浇框架结构体系以外,装配整体式多层框架结构体系已被普遍采用。并发展了整体预应力装配式板柱体系,由于其构件类型少,装配化程度高、整体性好、平面布置灵活,是一种有发展前途的结构体系。同时升板结构、滑模结构也有所发展。此外,如电视塔、水培、水池、冷却塔、烟囱、贮罐、筒仓等特殊构筑物也普遍采用了钢筋混凝土和预应力混凝土。如9度抗震设防、高380m的北京中央电视塔、高405m的天津电视塔、高490m的上海东方明珠电视塔等。
混凝土结构在水利工程、桥隧工程、地下结构工程中的应用也极为广泛。用钢筋混凝土建造的水闸、水电站、船坞和码头在我国已是星罗棋布。如黄河上的刘家峡、龙羊峡及小浪底水电站,长江上的葛洲坝水利枢纽工程及正在建设的三峡工程等。
钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁也有很大的发展,如著名的武汉长江大桥引桥;福建乌龙江大桥,最大跨度达144m,全长548m。四川沪州大桥,采用了预应力混凝土T形结构,三个主跨为170m,主桥全长1255.6m,引道长达7000m,是目前我国最长的公路大桥。为改善城市交通拥挤,城市道路立交桥正在在迅速发展。
随着混凝土结构在工程建设中的大量使用,我国在混凝土结构方面的科学研究工作已取得较大的发展。在混凝土结构基本理论与设计方法、可靠度与荷载分析、单层与多层厂房结构、大板与升板结构、高层、大跨、特种结构、工业化建筑体系、结构抗震及现代化测试技术等方面的研究工作都取得了很多新的成果,基本理论和设计工作的水平有了很大提高,已达到或接近国际水平。
作为反映我国混凝土结构学科水平的混凝土结构设计规范也随着工程建设经验的积累、科研工作的成果和世界范围技术的进步而不断改进。1952年东北地区首先颁布了《建筑物结构设计暂行标准》;1955年制定的《钢筋混凝土结构设计暂行规范》(结规6—55),采用了前苏联规范中的按破坏阶段设计法;1966年颁布了我国第一本《钢筋混凝土结构设计规范》(BJG2l—66),采用了当时较为先进的以多系数表达的极限状态设计法;1974年编制了采用单一安全系数表达的极限状态设计法的《钢筋混凝土结构设计规范》(TJ10—74),以及一些有关的专门规程和规定。规范(BJG2l—66)和(TJl0—74)的颁布标志着我国钢筋混凝土结构设计规范步入了从无到有、由低向高发展的阶段。为了解决各类材料的建筑结构可靠度设计方法的合理和统一问题,1984年颁布的《建筑结构设计统一标准》(GBJ68—84)规定我国各种建筑结构设计规范均统一采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,其特点是以结构功能的失效概率作为结构可靠度的量度,由定值的极限状态概念转变到非定值的极限状态概念上,从而把我国结构可靠度设计方法提高到当时的国际水平,对提高结构设计的合理性具有深刻意义。为配合(GBJ68—84)的执行,1989年颁布的《混凝土结构设计规范》(GBJ10—89)使我国混凝土结构设计规范提高到了一个新的水平。
经过近十几年我国工程建设的快速发展以及进入WTO的需要,自1997年起,我国对工程建设标准进行了全面修订,并颁布了《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068—2001)及《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)等。新标准的颁布,将推动新材料、新工艺、新结构的应用,使混凝土结构不断地发展,不停地演进,达到新的水平