学习任务一 钢筋混凝土结构的基本概念

混凝土结构在土木工程中应用十分广泛。为便于后面内容的学习，要知道混凝土结构的类型、优缺点、应用范围及发展方向。

规范对混凝土结构概念、类别进行了明确的界定，不同类型的混凝土结构应用范围有较大差异。钢筋混凝土结构应用比较广泛。随着科学技术的进步，结构材料、设计理论、施工技术等不断发展，混凝土结构为适应现代工程建设需要，其形式也在发生变革。要认识混凝土结构，掌握混凝土结构设计的知识和技能，必须加强理论与工程实践的结合。

一、混凝土结构的概念

按照《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)和《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)，以混凝土为主制成的结构称为混凝土结构，它包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等。素混凝土结构是指无筋或不配置受力钢筋的混凝土结构；钢筋混凝土结构是指配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土结构；预应力混凝土结构是指配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土结构。

在水利水电工程中，钢筋混凝土结构的应用非常广泛，主要用来建造混凝土坝(图1-1)、水闸(图1-2)、渡槽(图1-3)等。

二、钢筋混凝土结构的特点

众所周知，混凝土是一种抗压能力较强而抗拉能力很弱的建筑材料。这就使得素混凝土结构的应用受到很大限制。例如，一根截面尺寸为200mm×300mm、跨长为2.5m、强度等级为C20的素混凝土简支梁，当跨中承受13.5kN的集中力时，就会因拉应力超过混凝土的抗拉强度而使混凝土受拉开裂，导致整根梁迅速受拉断裂而破坏［图1-4(a)］。但是，如果在这根梁的受拉区配置两根直径为20mm的HRB335级的钢筋［图1-4(b)］，用钢筋代替开裂的混凝土来承受拉力，则裂缝受到钢筋的约束而逐渐向上发展，直到钢筋受拉屈服，受压区混凝土压碎而破坏，破坏时梁能承受的集中力可增加到72.3kN。由此可见，同样截面形状、尺寸及混凝土强度的钢筋混凝土梁可比素混凝土梁承受大得多的外荷载，破坏性质也得到改善。

从上述对比举例可以知道，一般情况下，钢筋混凝土是以混凝土承担压力、钢筋承担拉力的，能比较充分合理地利用混凝土和钢筋这两种材料的力学特性。钢筋有时也可以用来协助混凝土受压，改善混凝土的受压破坏性能。

钢筋和混凝土这两种物理、力学性能很不相同的材料，能有效地结合在一起共同工作，其主要原因有以下几个方面。

(1)钢筋与混凝土之间存在有良好的黏结力，能牢固地形成整体，保证在荷载作用下，钢筋和外围混凝土能够协调变形，相互传力，共同受力。

(2)钢筋和混凝土的温度线膨胀系数接近，钢筋的温度线膨胀系数为1.2×10^-5/℃，混凝土的温度线膨胀系数为1.0×10^-5/℃，当温度发生变化时，两者之间不会产生很大的相对变形而破坏它们之间的结合。

(3)钢筋表面的混凝土保护层保护钢筋，使其不易发生锈蚀，保证结构的耐久性。

钢筋混凝土结构除比较充分合理地利用混凝土和钢筋这两种材料的特性外，与其他材料的结构相比，还具有以下优点。

(1)耐久性好。在一般环境下，钢筋受混凝土保护而不易生锈，且混凝土的强度随着时间的增长还有所提高，所以钢筋混凝土结构的耐久性较好，不像钢结构那样需要经常维修和保养。处于侵蚀性气体中或受海水浸泡的钢筋混凝土结构，经过合理的设计及采取特殊的措施，一般也可以满足工程需要。

(2)耐火性好。混凝土是不良导热体，当遭受火灾时，钢筋因有混凝土包裹而不至于很快升温到失去承载力的程度，这是钢、木结构所不能比拟的。

(3)可模性好。混凝土可根据设计需要支模浇筑成各种形状和尺寸的结构，因而适用于建造形状复杂的大体积结构及空间薄壁结构，这一特点是砌体、钢、木等结构所不能代替的。

(4)整体性好。整体浇筑的钢筋混凝土结构整体性能好，有利于抗震、防爆。

(5)易于取材。混凝土所用的原材料中占很大比例的石子和砂子，一般可以就地取材，材料运输费用少，可以降低工程造价。

钢筋混凝土结构也存在以下主要缺点。

(1)自重偏大。钢筋混凝土结构的截面尺寸较大，质量也大，相对于钢结构来说，混凝土结构不属于轻质高强结构，这对于建造大跨度结构和高层建筑是不利的。

(2)抗裂性差。由于混凝土的抗拉强度较低，在正常使用时，钢筋混凝土结构往往带缝工作，裂缝存在会降低抗渗能力和抗冻能力，并会导致钢筋锈蚀，影响结构物的耐久性，这对水工钢筋混凝土结构尤为不利。

(3)施工比较复杂，工序多。冬季和雨天施工困难，为保证工程质量，需采取必要的措施。现浇钢筋混凝土需用模板多，木材耗费量大。

(4)新老混凝土不易形成整体，修补和加固比较困难。

三、钢筋混凝土结构的应用和发展

钢筋混凝土结构从19世纪中叶开始采用以来，发展极为迅速。它已成为现代工程建设中应用非常广泛的建筑结构。为了克服钢筋混凝土结构的缺点，发挥其优势，以适应社会建设不断发展的需要，对钢筋混凝土结构的计算理论、材料制造及施工技术等方面的研究也在不断发展。

(1)在计算理论方面，从把材料看作弹性体的允许应力古典理论发展为考虑材料塑性的极限强度理论，并迅速发展成完整的按极限状态计算体系。目前，在工程结构设计规范中已采用基于概率论和数理统计分析的可靠度理论，在混凝土的微观断裂机制、混凝土的强度理论及非线性变形的计算理论等方面也有很大进展。有限元方法和现代化测试技术的应用，使得钢筋混凝土结构的计算理论和设计方法向更高的阶段发展，并日趋完善。

(2)在材料研究方面，主要是向高强、轻质、耐久及具备某种特异性能方向发展。目前，强度为100～200N／mm²的高强混凝土已在工程中应用。各种轻质混凝土(容重仅为14～18kN/m³)、纤维混凝土、聚合物混凝土、耐腐蚀混凝土、微膨胀混凝土、水下不分散混凝土以及品种繁多的外加剂也在工程上得到了应用。另外，已经研制开发了综合性能良好的钢筋，如低松弛高强预应力钢丝、钢绞线等，使得大跨度结构、高层建筑、高耸结构和具备某种特殊功能的钢筋混凝土结构的建造成为可能。

(3)在结构形式方面，预应力混凝土结构由于抗裂性能好，可充分利用高强度材料，各种应用发展迅速。近20多年来，钢—混凝土或钢—钢筋混凝土组合结构(如钢-混凝土组合梁结构、钢骨混凝土结构、外包钢混凝土结构及钢管混凝土结构)等也已在工程中逐步推广应用。这些高性能组合结构具有充分利用材料强度、较好的适应变形能力(延性)、施工比较简单等特点，从而大大拓宽了钢筋混凝土结构的应用范围。

(4)在施工技术方面，水工钢筋混凝土结构常因整体性要求而采用现浇混凝土施工，在大型水利工程的工地建有拌和楼(站)集中搅拌混凝土，并可将混凝土运至浇筑地点，这给机械化现浇混凝土施工带来很大方便。建筑工程中随着预拌混凝土(或称商品混凝土)、泵送混凝土及滑模施工等新技术的应用，既保证了混凝土质量，又节约了原材料和能源，而且减少了环境污染，从而实现了文明施工。采用预先在模板内填实粗骨料，再将水泥浆用压力灌入粗骨料空隙中形成的压浆混凝土，以及用于大体积混凝土结构(如水工大坝、大型基础)、公路路面与厂房地面的碾压混凝土，它们的浇筑过程都采用了机械化施工，浇筑工期可大为缩短，并能节约大量材料，从而获得较高的经济效益。

总之，随着科学技术的发展和对混凝土结构研究的深入，混凝土结构的缺点正在得到克服和改善。例如，采用轻质高强混凝土可减轻结构的自重；采用预制装配式构件可节约模板，加快施工进度，施工不受季节气候的影响；采用预应力混凝土结构可有效控制裂缝等。

目前，钢筋混凝土结构的跨度和高度都在不断增大。世界上最高的重力坝——瑞士大狄克逊坝高达285m；世界上最高的拱坝——我国云南小湾水电站拱坝坝高达292m；全球第一摩天大楼——迪拜哈利法塔高达828m；中国台北101大厦高508m。预应力高强混凝土公路桥的跨度已超过600m。某些有特殊要求的结构，如核电站安全壳和压力容器、海上采油平台、大型蓄水池、储气罐及储油罐等抗裂及抗腐蚀能力要求较高的结构，采用预应力混凝土结构有其独特的优越性，而非其他材料可比拟。而钢-混凝土组合结构以其承载力高、自重轻、节约材料、截面尺寸小、抗震性能好及可改善结构功能等突出特点，迎合了建筑结构的发展。钢筋混凝土结构在土木工程领域得到了极为广泛的应用，今后发展的前景也更加广阔。

知识技能训练

一、填空题

1.混凝土结构主要包括____、____、____等。

2.在水利水电工程中，钢筋混凝土结构主要有____、____、____等。

3.钢筋混凝土结构发展主要体现在-、____、____、____等4个方面。

二、问答题

1.什么是钢筋混凝土结构?

2.钢筋混凝土结构有哪些优、缺点?

3.钢筋和混凝土这两种物理力学性能很不相同的材料为什么能够共同工作?