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钢筋混凝土结构

2020-04-09 21:01

由钢筋和混凝土两种材料结合成整体共同受力的工程结构。研究此类结构的学科为钢筋混凝土结构学。该学科主要研究钢筋混凝土结构构件在外力或地震、温度变化等作用下的承载力、变形、裂缝及延性等属性,以建立安全、经济的设计理论及结构体系。

发展概况

1849年,法国的朗姆波(J.L. Lambot)用钢筋加强混凝土制造了一条小船,这是现代钢筋混凝土结构的开始。同时,英国的威尔金森(W.D.Wilkinson)、法国的花匠莫尼耶(J.Monier)分别获得制造钢筋混凝土楼板、花盆、管子等的专利,英、法等国也开始在房屋中采用钢筋混凝土楼板。其后,法国的克瓦涅(F.Coignet)著文阐明了这种结构的受力原理。19世纪末,欧洲开始出现钢筋混凝土桥、挡土墙和水槽等建筑。此后迅速得到推广。1928年,法国的弗雷西内(E.Freyssinet)利用高强度钢丝及混凝土成功地制造了预应力混凝土构件,这为钢筋混凝土结构开辟了广泛的新的应用领域。钢筋混凝土工程的日益扩大,促使工业化的施工技术(如滑动模板、泵送混凝土、定型化和标准化构件等)得到迅速发展。钢筋混凝土的材料也在向高强、轻质、耐久及具备某种优良特性的方向迅速发展。高强调质钢筋、高强轻质混凝土、纤维混凝土、聚合物混凝土、防射线混凝土等新材料的应用,使得钢筋混凝土结构应用跨度和高度都不断地增大,并能用于复杂恶劣的环境和具有特殊要求的结构。在设计理论方面,早期的计算方法是按容许应力设计法进行的。随着试验研究的深入,20世纪40年代,苏联最先制定了按破坏阶段计算的规范,根据构件截面在最终破坏时的非线性应力图形建立强度计算公式。50年代,设计理论发展为更合理的极限状态设计法。苏联和中国率先颁布了按极限状态设计的规范。由于这一方法的合理性,在70年代已成为国际上通用的设计准则。其后,设计理论开始采用以概率论和数理统计为基础的可靠度理论,形成了工程结构可靠度设计法,使极限状态计算体系向更完善、更科学的方向发展。中国在1984年制定了以近似概率理论为基础的GBJ 68—84《建筑结构设计统一标准》,并根据此标准的原则编制了混凝土结构设计规范,为可靠度理论应用于钢筋混凝土工程打下了基础。随着计算机技术和钢筋混凝土结构本身理论的发展,钢筋混凝土结构的分析计算开始改变传统的以实验公式为主的方法,进入到以材料的应力应变本构关系为基础,对构件乃至结构的受力全过程进行弹塑性分析的阶段。这一发展,将使钢筋混凝土结构的设计理论向更高的阶段发展。

特点

混凝土抗压强度很高但抗拉强度很低。钢筋抗压和抗拉强度均很高,但单独抗压易屈曲失稳,且易锈蚀,价格也较高。将两者适当结合起来,组成钢筋混凝土结构,可以充分利用这两种材料的特性,使其承载能力和使用性能均有很大的提高。这两种不同性质的材料能很好地共同工作,是因为:①混凝土结硬后能把钢筋牢固地黏结在一起,在外来作用下能共同工作。②两者的线膨胀系数甚为接近,温度变化时两者之间基本上没有内应力发生。③一定厚度的密实的混凝土保护层能很好地防止钢筋锈蚀。

钢筋混凝土结构具有很多突出的优点:①良好的强度和其他力学性能。②可根据需要浇筑成任意形状和尺寸。③整体性、抗震性、耐久性和耐火性均比较好。④大部分材料可就地取材。⑤维护费用较低。⑥节约钢材并降低造价等。因此在工程上应用极为广泛。它的主要缺点是:①容易形成裂缝。②自重偏大。③施工费时、费模板。④改动或修复比较困难。⑤当施工质量不佳或设计不周时,在海水等侵蚀性介质或冻融等恶劣环境作用下,易发生因钢筋锈蚀膨胀而导致的混凝土顺筋开裂,从而引起混凝土保护层严重剥落,或发生混凝土冻融破损,这些都会显著缩短使用寿命。随着工程技术的发展,这些缺点在不同程度上已得到克服。例如采用预应力混凝土结构可使混凝土经常处于受压状态,大大改善了抗裂性能;采用装配式钢筋混凝土结构或装配整体式钢筋混凝土结构,可以加快施工、提高工效、节省模板;采用高强轻质混凝土可以减轻自重,适应大跨度及高层建筑的需要。

应用范围

钢筋混凝土结构在水工建筑物中应用极为广泛。水电站厂房、隧洞衬砌、水闸、船闸、挡土墙、渡槽、涵洞等几乎都是钢筋混凝土结构。在工业与民用建筑中,也广泛采用钢筋混凝土结构来建造多层或高层房屋、工业厂房、薄壳屋盖、大型墙板、基础、筒仓、贮罐、烟囱等。在交通运输工程中,它可用来建造各种桥梁、码头、公路路面、机场跑道、铁路轨枕等。核电站的安全壳、海洋采油平台水下贮油罐、大型冷却塔等特种结构,采用预应力钢筋混凝土结构更有特殊的优越性。

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