学习项目二　混凝土结构的发展与应用

一、引文

混凝土结构是工程中应用最多的一种结构。现代混凝土结构是随着混凝土和钢筋工业的发展而发展起来的，虽然混凝土结构的出现比传统的石、砖、木结构晚，但发展速度却很快，应用范围广泛。

二、相关理论知识

（一）混凝土结构的发展

混凝土结构在19世纪初期开始得到应用，它与石、砖、木结构相比是相当年轻的，是一种较新的结构。混凝土结构的发展大体可分为以下四个阶段：

第一阶段：从钢筋混凝土发明至20世纪20年代。1824年英国人J·阿斯普汀发明了波特兰水泥之后，大约在19世纪50年代，钢筋混凝土才开始被用来建造中小型楼板、梁、拱、基础等构件。由于当时所采用的钢筋和混凝土的强度较低，计算理论套用弹性理论，设计方法采用容许应力法，所以混凝土结构在工程中的应用发展较慢。

在进入20世纪以后，钢筋混凝土结构有了较快的发展，1910年以后，德国混凝土委员会、奥地利混凝土委员会、美国混凝土学会、英国混凝土学会等相继建立，从而促进了混凝土理论和应用的明显进步。

第二阶段：从20世纪20年代到40年代。到1920年已先后建造了许多混凝土建筑物和桥梁，开始进入了直线形和圆形预应力钢筋混凝土结构的新时代。随着生产的需要，人们开始对钢筋混凝土性能进行实验，开展计算理论的探讨和施工方法的改进。混凝土和钢筋强度的不断提高，1928年法国杰出的土木工程师弗雷西内E.Freyssnet发明了预应力混凝土。在这期间预应力混凝土结构得到了广泛的发展。工厂生产的预制构件也得到了广泛的应用，钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的应用范围在不断向大跨桥梁和高层发展。计算理论已开始考虑材料的塑性性能，并开始按破坏阶段法计算构件的破坏承载力。

第三阶段：从20世纪40年代到80年代。钢筋混凝土结构应用已经到了一个较高的水平，在工程实践、理论研究和新材料的应用等方面都有了较快的发展。钢筋和混凝土均向高强度发展。工程上已大量使用了C80～C100强度等级的混凝土。国外预应力钢筋趋向于采用高强度、大直径、低松弛钢材，如热轧钢筋的屈服强度达到600～900N/mm2，为了减轻自重，各国都在发展各种轻质混凝土，如加气混凝土、陶粒混凝土等。为了改善混凝土的工作性能，国内外正在研究和应用在混凝土中加入掺和料以满足各种工程的特定要求，如纤维混凝土、聚合物混凝土等。

第四阶段：从20世纪80年代到现在。性的极限状态设计理论，在设计方法上已过渡到以概率论为基础的多系数表达的设计方法。该阶段的计算理论趋于完善，材料强度不断提高，施工机械化程度也越来越高，预制装配式混凝土结构、高效预应力混凝土结构、泵送商品混凝土以及各种新的施工技术广泛地应用于各类土木工程，如超大跨度桥梁、跨海隧道、高层建筑等。

随着人们对混凝土的深入研究，钢筋混凝土结构在土木工程领域必将得到更广泛的应用。目前，钢管混凝土结构和钢骨混凝土结构的应用更加拓展了混凝土的使用范围。

（二）我国混凝土结构的发展

我国混凝土结构虽然起步较晚但在新中国建立后发展迅速，现在从混凝土结构材料、混凝土结构形式、混凝土结构计算理论和混凝土结构施工技术4个方面简要地叙述我国混凝土结构的发展概况及应用。

1.混凝土结构材料

1）混凝土

我国《高强混凝土结构设计与施工指南》将等级在C50以上（含C50）的混凝土划为高强度混凝土，目前我国普遍使用的混凝土等级是C20～C40，在一些高层建筑中也采用等级为C50～C80的混凝土。20世纪80年代末美国和日本相继提出高性能混凝土的概念。高性能混凝土的概念相对于高强度混凝土意义更加深远，高性能混凝土要求混凝土具有高耐久性、高工作性、高强度、高抗渗、高体积稳定性和经济合理性等，即概括为高强度、高耐久性和高工作性。

绿色高性能混凝土的发展方向是混凝土的未来，因为它充分利用各种工业废弃物，节约更多的资源与能源，对环境的破坏减少到最小，这不仅使混凝土工程走可持续发展之路，也是人类生存发展的需要。

2）钢筋

我国20世纪五六十年代使用低碳钢筋（HPB235）；70年代通过低合金化（20MnSi）使强度提高40％（HRB335）；80年代进一步微合金化（20MnSiV）强度又提高20％（HRB400）。目前，强度再提高25％的HRB500级钢筋已具备生产能力。20世纪90年代，我国采用国际标准开始生产高强钢丝和钢绞线，强度达到1570～1860MPa，2000MPa以上的预应力钢筋也已试制成功。这些高效预应力筋（如三股钢绞线、螺旋肋钢丝等）不仅高强，而且有相当好的延性和锚固性能。其最明显的优势是高强度和高效率，强度价格比提高40％以上，且不会发生脆性断裂破坏。此外，粗直径钢筋的连接技术发展较快，钢筋的连接将逐渐由搭接过渡到电渣压力焊、套筒挤压、锥螺纹连接、直螺纹连接等可靠而节约的连接方式。

2.混凝土结构形式

土木工程上传统的结构形式主要有木结构、砌体结构、混凝土结构和钢结构四类。随着科学技术的发展，近20年来又推进了第五种结构类型，即钢管混凝土组合结构。该种新型结构是钢管和混凝土两种材料的结合，充分发挥了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，而克服了彼此的缺点，因而是经济合理的结构。

在我国，钢管混凝土已经被广泛的应用于拱桥结构中。1990年在我国四川省苍旺县建成了跨度115m的第一座钢管混凝土拱桥。经过多年的实践，我国在钢管混凝土拱桥建设上已经积累了丰富的经验，形成了一套较为完整的拱桥建造技术。

近年来，在斜拉桥和梁式桥中也开始采用钢管混凝土结构，同样取得了良好的经济效益。例如，武汉后湖斜拉桥和四川雅安石棉县干海子特大桥，都采用了全钢管桁架组合梁式结构，减轻了结构恒载，提高了结构承载力利用系数。钢管混凝土空间桁架组合梁式结构适用多种桥型，推广其应用必将带来显著的经济效益和社会效益。

混凝土结构电视塔由于其造型上及施工（采用滑模施工）上的特点，已逐渐取代过去常用的钢结构电视塔。

3.混凝土结构计算理论

钢筋混凝土的基本理论和设计方法仍在不断发展中。目前考虑混凝土非弹性变形的计算理论有很大进展，在连续板、梁及框架结构的设计中考虑塑性内力重分布的分析方法已得到较为广泛的应用。随着对混凝土强度和变形理论的深入研究，现代化测试技术的发展及有限元分析方法的应用，对混凝土结构，尤其是体形复杂或受力状况特殊的二维、三维结构，已能进行非线性的全过程分析，并开始从个别构件的计算过渡到考虑结构整体空间工作、结构与地基相互作用的分析方法，使得混凝土结构的计算理论和设计方法日趋完善，向着更高的阶段发展。

在20世纪50年代初期，我国钢筋混凝土的计算理论由按弹性方法的允许应力计算法过渡到考虑材料塑性的按破损阶段计算法。随着科学研究的深入和经验的积累，我国于1966年颁布了按多系数极限状态计算的设计规范《钢筋混凝土结构设计规范》（GBJ 21—1966）。1970年起又提出了单一安全系数极限状态设计法，并于1974年正式颁布了《钢筋混凝土结构设计规范》（TJ 10—1974）。1989年我国又颁布了近似全概率的可靠度极限状态设计法国家规范《混凝土结构设计规范》（GBJ 10—1989），2002年又颁布全面修改后的《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2002）。

在工程建设领域出现了许多新技术和新材料，随着人民生活水平的提高，对结构可靠性、耐久性的要求也进一步提高，2002年版的《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2002）中有些条款已不能适应工程建设的需要。于是2010年又重新颁布了新的《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010），并已于2011年7月执行。新规范反映了近几年来在工程建设中的新经验和混凝土结构学科新的科研成果，标志着我国混凝土结构的计算理论和设计水平又有了新的提高。

《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）中调整了正常使用极限状态的荷载组合，以及预应力构件的验算要求。完善耐久性设计方法，适当增加钢筋保护层厚度，提出了使用期维护、管理的要求。调整正常使用极限状态裂缝宽度及刚度的计算方法，计算结果略有放松。考虑配筋特征值调整钢筋最小配筋率，增加安全度，同时控制大截面构件的最小配筋率。调整混凝土构件抗震等级以及有关内力调整的规定，提出抗震钢筋延性的要求。调整柱的轴压比限值、最小截面尺寸、最小配筋率，适当提高安全储备。可见，新规范的颁布与实施必将促进我国混凝土结构设计水平的进一步提高。

4.混凝土结构施工技术

中小型预制桥梁的整个吊装、大型桥梁的泵送混凝土等技术得到广泛应用。

模板工程向非木材化、高品质、多功能方向发展，开始提出模板的结构化，即施工中的模板作为结构的一部分参与受力，不再拆除。在现场养护条件下，提出用电热刚模板的方法来加速混凝土养护过程。在工厂生产的条件下，已开始尝试采用远红外辐射养护技术。

（三）混凝土结构的应用

混凝土结构可应用于土木工程中的各个领域，如桥梁、隧道、高速公路、房屋建筑、地铁等大都可采用混凝土结构。如2014年在辽宁省大连市建成主跨206m的预应力混凝土矮塔斜拉桥——长山大桥（图1-7）；2010年在阿拉伯联合酋长国迪拜建成的高828m的哈利法塔（图1-8）；2014年在青海省天峻县和乌兰县境内通车的目前国内最长的关角铁路隧道（图1-9）。

钢筋混凝土结构在特种结构、水利工程、海洋工程、港口码头工程领域也得到了不断发展。如在湖北省宜昌市建成的世界上规模最大的三峡水电站（图1-10）等。

相信未来混凝土结构还会得到更广泛的应用。