0.2 钢筋混凝土结构的发展简史
钢筋混凝土从19世纪中叶开始采用以来,至今仅有100多年的历史,其发展极为迅速。1848年法国人朗波(L.Lambot)制造了第一只钢筋混凝土小船,1854年英国人威尔金生(W.B.Wilkinson)获得一种钢筋混凝土楼板的专利权,但通常认为钢筋混凝土是法国巴黎花匠蒙列(J.Monier)发明的,他用水泥制作花盆,内中配置钢筋网以提高其强度,并于1867年申请了专利。1875年美国的沃德(W.E.Ward)在纽约建造了第一所钢筋混凝土房屋,1877年哈特(T.Hyatt)发表了各种钢筋混凝土梁的试验结果,1905年特奈(C.A.P.Turner)发明了无梁楼板。1925年德国采用钢筋混凝土建造了薄壳结构,1928年法国工程师弗列西涅(E.Freyssinet)利用高强钢丝和混凝土制成了预应力混凝土构件,开创了预应力混凝土应用的时代。目前一些标志性建筑有:德国法兰克福市的飞机库屋盖,它采用预应力轻骨料混凝土建造,结构跨度达90m;加拿大的多伦多预应力混凝土电视塔,高达553m;马来西亚吉隆坡的双塔大厦,建筑高度达452m,它的内筒与外筒采用钢筋混凝土建造。
我国在1876年开始生产水泥,逐渐有了钢筋混凝土建筑物,最近十几年发展很快。据2013年统计,全国混凝土年产量达21.96亿m3,建筑用钢材年产量达3.55亿t,居世界的首位。已建成的上海金茂大厦,地上88层,地下3层,建筑高度420.5m;采用预应力混凝土结构的上海电视塔,主体结构高350m,塔高468m;外形美观的上海杨浦大桥,全长7658m,主桥为双塔双索面钢筋混凝土与钢叠合斜拉桥结构,主桥跨径602m;三峡升船机上闸首结构全长125m,墩墙高44m,航槽宽18m,设计水头34m,校核水头39.4m,是目前世界上最大的预应力混凝土坞式结构。
钢筋混凝土结构的计算理论、材料制造及施工技术等方面都已经历了很大的发展,并且还在继续向前发展。
在材料研究方面,主要向高强、高流动性、自密实、轻质、耐久及具备特异性能方向的混凝土发展。目前轻骨料混凝土自重可仅为14~18kN/m3,强度可达50N/mm2;强度为100~200N/mm2的高强混凝土已在工程上应用。各种轻质混凝土、绿色混凝土、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在工程中的应用和发展,已使大跨度结构、高层建筑、高耸结构和具备某种特殊性能的钢筋混凝土结构的建造成为现实。另外,有专家预计,到21世纪末纤维混凝土的抗拉与抗压强度比可提高到1/2,并具有早强、收缩徐变小等特点,将使混凝土的性能得到极大地改善。
采用高强度的材料,是发展钢筋混凝土结构的重要途径。目前我国建筑结构安全度总体上低于欧美发达国家,但材料用量并没有相应降低。这是因为我国建筑工程上采用的钢筋和混凝土平均强度等级,就全国而言,均低于欧美发达国家。欧美发达国家较高的安全度是建立在较高强度材料的基础上的,而我国较低的安全度是由于采用的材料强度偏低。为此,用于工业与民用建筑的混凝土结构设计规范已将混凝土的最高强度等级由C60提高到C80,对普通钢筋混凝土结构优先推广强度为400N/mm2级的钢筋,对预应力混凝土结构则优先推广高强钢丝和钢绞线。
在计算理论方面,钢筋混凝土结构经历了容许应力法、破坏阶段法和极限状态法三个阶段。目前国内大多数混凝土结构设计规范已采用基于概率理论和数理统计分析的可靠度理论,它以可靠指标度量结构构件的可靠度,采用分项系数的设计表达式进行设计,使极限状态计算体系在理论上向更完善、更科学的方向发展。但由于水利水电工程中大多数荷载还无法得出可靠的统计参数,因而也有学者与工程设计人员认为,目前在水利水电工程设计中应用可靠度理论尚不够成熟。
混凝土的强度理论、钢筋混凝土非线性有限单元法和极限分析的计算理论等方面也有很大进展。有限单元法和现代测试技术的应用,使得钢筋混凝土结构的计算理论和设计方法正在向更高的阶段发展。
在结构和施工方面,随着预拌混凝土(或称商品混凝土)、泵送混凝土及滑模施工新技术的应用,已显示出它们在保证混凝土质量、节约原材料和能源、实现文明施工等方面的优越性,所以我国目前工业与民用建筑中广泛采用现浇整体式结构。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,从而获得经济效益。值得注意的是,近年来钢-混组合结构、外包钢混凝土结构及钢管混凝土等结构已在工程中推广应用。这些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)、施工较简单等特点。在预应力混凝土结构中,横向张拉技术是一种值得推广的施工方法,它既不需要锚具,也不需要灌浆。另外,缓粘结预应力混凝土不需要后续灌浆,避免了后张法预应力混凝土结构灌浆不密实的问题,从而可保证质量,也是值得推广的技术。