学习项目一　混凝土结构的分类和特点

一、引文

混凝土，一般是指由胶凝材料（水泥），粗、细骨料（石子、砂粒），水及其他材料，按适当比例配制，拌和并硬化而成的具有所需形体、强度和耐久性的人造石材。

在建筑物中，承受和传递作用的各个部件的总和称为结构，它是由若干构件按照一定的连接方式组成的承重骨架体系。混凝土结构属于结构的一种。

二、相关理论知识

（一）混凝土结构的分类

按承重结构所用材料不同，结构可分为混凝土结构、砖石及混凝土结构、钢结构、木结构等。

砖石及混凝土结构俗称圬工结构，又称砌体结构，是用胶结材料与砖、石、混凝土等块材按一定规则砌筑而成的整体结构。这种结构易于就地取材，且有良好的耐久性，但自重大，施工机械化程度低，多用于中小跨度的拱桥、墩台、基础、挡土墙及防护工程中。

钢结构是由型钢或钢板通过一定的连接方式所构成的。钢结构的可靠性高，基本构件可在工厂预制，故施工效率高，周期短，但相对于混凝土结构而言，造价较高，而且养护费用也高。

木结构指单纯由木材或主要由木材承受荷载的结构。木材易于取材，加工方便，质轻且强，缺点是各向异性，有木节、裂纹等天然缺陷，易腐、易蛀、易燃、易裂和易翘曲。我国木材资源严重不足，因此，木结构常应用于抢险急修的临时性工程以及施工过程中的辅助性工程。

混凝土结构是以混凝土为主要材料制作的结构。它包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、钢管混凝土结构、钢骨混凝土结构、FRP筋混凝土结构、纤维混凝土结构等。

素混凝土结构是由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构。素混凝土具有明显的脆性。因此，素混凝土结构在实际工程的应用很有限，常用于路面和一些非承重结构，如重力堤坝、素混凝土桩、挡土墙、水泥混凝土路面（图1-1）等。

钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土制成的结构，如图1-2所示。钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种力学性质不同的材料组成，具有就地取材、耐久性好、刚度大、可模性好等优点。其缺点在于混凝土抗拉强度太低，构件容易开裂，跨越能力不大，构件尺寸及自重太大。钢筋混凝土结构广泛应用于各种桥梁、涵洞、挡土墙、路面、水工结构和房屋结构等。

两根截面尺寸、跨长均相同的素混凝土和钢筋混凝土梁的对比试验情况如图1-3所示。混凝土强度为C20的素混凝土简支梁，当跨中承受的集中力P=Pcr时，梁的跨中附近截面底部边缘的混凝土受拉开裂，导致整个梁突然断裂破坏，如图1-3（a）所示。但如果在这根梁的受拉区配置3根直径为16mm的HPB300级钢筋，受压区布置2根直径为10mm的架立钢筋和适量的箍筋，用钢筋代替开裂后的混凝土承受压力，则可以继续加载，直到钢筋达到屈服强度以后，受压区混凝土被压碎，梁才破坏，此时跨中承受的集中力P>Pcr，如图1-3（b）所示。虽然试件中纵向受力钢筋的截面面积只占整个梁截面面积的1％左右，但破坏荷载P却可以提高许多。

预应力混凝土结构是充分利用高强度材料来改善钢筋混凝土结构的抗裂性能的结构。它是由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预应力的混凝土结构，如图1-4所示。钢管混凝土结构是指在钢管内浇捣混凝土做成的一种新型组合结构。由于钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点，近年来，随着理论研究的深入和新施工工艺的产生，工程应用日益广泛。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中前两种结构应用广泛。

钢骨混凝土结构又称为型钢混凝土结构，是指用混凝土包裹型钢或用钢板焊成的钢骨架的混凝土结构。它充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点，具有承载力高、抗震性能良好、施工安装方便等优点。钢骨混凝土结构在我国高层建筑以及大跨度建筑中有着广阔的应用前景。

FRP筋混凝土结构是指用纤维增强复合材料（FRP——Fiber Reinforced Polymer/Plastic）替代钢筋为筋材的混凝土结构。FRP是近年来在土木工程中应用日益广泛的一种新型的结构材料，具有高强、轻质、耐腐蚀等显著优点。FRP在土木工程中的应用分为两大类，一类是用FRP筋代替钢筋用于新建结构，另一类是将FRP筋用于旧结构物的加固补强、围护防腐。

纤维混凝土结构（FRC——Fiber Reinforced Concrete），是纤维增强混凝土结构的简称，通常是以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体，将短而细的分散性纤维掺入其中而形成的一种新型材料。纤维有两类：一类是高弹性模量纤维，包括钢纤维、玻璃纤维、石棉纤维及碳纤维等，掺入混凝土后，可使混凝土获得较高的韧性，并提高抗拉强度、刚度和承受动荷载的能力；另一类是低弹性模量纤维，如聚丙烯纤维、聚乙烯纤维及尼龙纤维等，掺入混凝土中只能增加韧性，不能提高强度。此外，纤维混凝土还具有抗疲劳性，在耐久性、耐磨性、耐腐蚀性、耐冲刷性、抗冻融和抗渗性方面都有不同程度的提高。

钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构常用作土木工程中的主要承重结构。在多数情况下混凝土结构是指钢筋混凝土结构。

钢筋混凝土结构按结构的受力状态和结构外形可分为杆件系统和非杆件系统两大类。杆件系统中又包括有受弯构件、受压构件、受拉构件、受扭构件等。非杆件系统可以是空间薄壁结构，也可以是外形复杂的大体积结构等。

钢筋混凝土结构按结构的制造方法可分为整体式（现浇式）、装配式及装配整体式三种。整体式结构是在现场先架立模板，绑扎钢筋，然后现场浇捣混凝土而成的结构。它的整体性比较好，刚度也比较大，但生产较难工业化，施工期长，模板用料较多。装配式结构则是在工厂（或预制工厂）预先制备各种构件，然后运往工地装配而成。采用装配式结构可加快建筑工程的工业化进程（设计标准化、制造批量化、安装模式化）；制造不受季节限制，能加快施工进度；利用工厂有利条件，提高构件质量；模板可重复使用，还可免去脚手架，节约木材或钢材。目前装配式结构在建筑工程中已普遍采用。但装配式结构的接头构造较为复杂，整体性差，对抗震不利，装配时还需要有必要的起重安装设备。装配整体式结构是一部分为预制的装配式构件，另一部分为现浇的混凝土。预制装配部分通常可作为现浇部分的模板和支架，它比整体式结构有较高的工业化程度，又比装配式结构有较好的整体性。

钢筋混凝土结构按结构的初始应力状态可分为普通钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构。预应力钢筋混凝土结构是在结构承受荷载以前，预先在混凝土中施加压力，造成人为的压应力状态，预加的压应力可抵消荷载产生的全部或部分拉应力。预应力混凝土结构的主要优点是抗裂性能好，能充分利用高强度材料，可以用来建造大跨度的承重结构（如大跨度的预应力混凝土桥梁）。钢筋混凝土结构已经广泛应用于桥梁、隧道、工业与民用建筑以及水利、海港等工程中。

（二）混凝土结构的优缺点

混凝土结构应用广泛，主要是因为它有很多的优点，具体如下：

（1）耐久性好。处于良好环境下的钢筋混凝土结构，混凝土强度随时间不断增长，且钢筋受到混凝土的保护而不易锈蚀，因而提高了混凝土结构的耐久性，几乎不用保养和维修。

（2）耐火性好。由于有热传导性差的混凝土做钢筋的保护层，当火灾发生时，钢筋混凝土结构不像木结构那样易燃烧，也不像钢结构那样很快发生软化而破坏。

（3）整体性好。整体式或装配整体式钢筋混凝土结构，具有较好的整体性，因而有利于结构的抗震和防爆。

（4）可模性好。钢筋混凝土结构可以根据设计需要，制作各种形状的模板，可浇制成各种形状和尺寸的结构，特别适宜于建造外形复杂的大体积结构、曲线形的梁和拱以及空间薄壁结构。

（5）刚度大。钢筋混凝土结构的刚度大，在使用荷载作用下仅产生较小的变形，因此能有效地用于对变形要求较严格的各种环境。

（6）承载力高。和砌体、木结构相比，其承载力高。

（7）抗震性能好。现浇整体式钢筋混凝土结构，整体性好，且通过合适的配筋，可获得较好的延性，有利于抗震，因而在地震区建造的高层房屋结构，宜采用钢筋混凝土结构。

（8）可就地取材，节约钢材。混凝土所用砂、石材料，一般可以就地、就近取材，节约运输费用，从而可以显著地降低工程造价。钢筋混凝土结构可合理地利用钢筋和混凝土各自的优良性能，在某些情况下能代替钢结构，从而可节约钢材，降低造价。

当然，钢筋混凝土结构还有一些缺点，具体如下：

（1）自重大。钢筋混凝土的重度大约为25kN/m3，大于砌体和木材的重度。虽然比钢材的重度小，但由于结构的截面比钢结构大，因而其结构自重远远超过相同跨度和高度的钢结构，所以不利于建造大跨度结构和超高层建筑。

（2）抗裂性差。由于混凝土抗拉强度低（约为抗压强度的1/17～1/8），因此，普通混凝土结构经常处于带裂缝工作状态。虽然从设计理论上讲裂缝的存在并不意味着结构就会发生破坏，但是可能要影响结构的耐久性和美观。混凝土的补强维修困难。

（3）施工的季节性强。在严寒地区冬季施工，混凝土浇筑后可能冻坏，施工时应注意保温措施，也可在混凝土中掺加化学添加剂加速凝结，增加热量，防止冻结。在酷热地区或雨季施工，应注意控制水灰比，加强保养。

（4）施工复杂。施工工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护等），施工比钢结构复杂，建造工期一般较长。

（5）修复、加固、补强困难。随着钢筋混凝土结构的发展，混凝土结构加固技术也在不断得到发展，如采用碳纤维布加固混凝土结构技术等。

（6）隔热隔声效果差。

知识拓展——大跨度桥梁

预应力混凝土箱形截面斜拉桥或钢与混凝土组合梁斜拉桥是当前大跨度桥梁的主要结构形式之一。

2001年底建成通车的夷陵长江大桥（图1-5），全长3246m，主桥是一座三塔、中心索面、预应力混凝土箱形截面斜拉桥，长度936m，跨径布置为120m+2×348m+120m，桥面宽23m，是长江上唯一的一座三塔倒Y形单索面混凝土加劲梁斜拉桥，其跨度在同类桥梁中为世界之最。

1993年10月建成通车的上海杨浦大桥（图1-6），桥全长1172m，主跨602m，是大跨径的钢与混凝土结合梁斜拉桥，“A”字形桥塔高220m，采用了256根斜拉索。它的建成完工引起国内外同行的注目，受到国际桥梁专家的高度赞扬。