素混凝土

素混凝土是針對鋼筋混凝土、預應力混凝土等而言的。素混凝土是鋼筋混凝土結構的重
要組成部分，由水泥、砂（細骨料）、石子（粗骨料）、礦物參合料、外加劑等，按一定比例混合后加一定比例的水拌制而成。普通混凝土干表觀密度為1900～2500kg/m3，是由天然砂、石作骨料制成的。當構件的配筋率小于鋼筋混凝土中縱向受力鋼筋最小配筋百分率時，應視為素混凝土結構。這種材料具有較高的抗壓強度，而抗拉強度卻很低，故一般在以受壓為主的結構構件中采用，如柱墩、基礎墻等。

鋼筋混凝土

當在混凝土中配以適量的鋼筋，則為鋼筋混凝土。鋼筋和混凝土這種物理、力學性能很不相同的材料之所以能有效地結合在一起共同工作，主要靠兩者之間存在粘結力，受荷后協調變形。再者這兩種材料溫度線膨脹系數接近，此外鋼筋至混凝土邊緣之間的混凝土，作為鋼筋的保護層，使鋼筋不受銹蝕并提高構件的防火性能。由于鋼筋混凝土結構合理地利用了鋼筋和混凝土兩者性能特點，可形成強度較高，剛度較大的結構，其耐久性和防火性能好，可模性好，結構造型靈活，以及整體性、延性好，減少自身重量，適用于抗震結構等特點，因而在建筑結構及其他土木工程中得到廣泛應用。

預應力混凝土

預應力混凝土是在混凝土結構構件承受荷載之前，利用張拉配在混凝土中的高強度預應力鋼筋而使混凝土受到擠壓，所產生的預壓應力可以抵消外荷載所引起的大部分或全部拉應力，也就提高了結構構件的抗裂度。這樣的預應力混凝土一方面由于不出現裂縫或裂縫寬度較小，所以它比相應的普通鋼筋混凝土的截面剛度要大，變形要??；另一方面預應力使構件或結構產生的變形與外荷載產生的變形方向相反（習慣稱為"反拱"），因而可抵銷后者一部分變形，使之容易滿足結構對變形的要求，故預應力混凝土適宜于建造大跨度結構?；炷梁皖A應力鋼筋強度越高，可建立的預應力值越大，則構件的抗裂性越好。同時，由于合理有效地利用高強度鋼材，從而節(jié)約鋼材，減輕結構自重。由于抗裂性高，可建造水工、儲水和其它不滲漏結構。

結構優(yōu)點

和其他材料的結構相比，混凝土結構的優(yōu)點具體體現在以下幾個方面：整體性好，可灌筑成為一個整體；可模性好，可灌筑成各種形狀和尺寸的結構；耐久性和耐火性好;工程造價和維護費用低。

結構簡史

國際簡況

從現代人類的工程建設史上來看，相對于砌體結構、木結構和鋼、鐵結構而言，混凝土結構是一種新興結構，它的應用也不過一百多年的歷史。但有的考古學者認為，水泥的起源約在公元前5—10萬年，以后在公元前3000年，用熟石膏和石灰混合在一起建造了著名埃及的金字塔，這是現存的最早的混凝土結構物。其后在古希臘和羅馬時代，用這種水泥建造了很多建筑物和公路。

進入近代以來，經過了J．Smeaton，J．Parker等人的試作階段，1824年英國的燒瓦工人Joseph Aspdin調配石灰?guī)r和粘土，首先燒成了人工的硅酸鹽水泥，并取得專利，成為水泥工業(yè)的開端。以后，對如何克服混凝土抗拉強度很低這一問題進行了研究，1854年法國技師J．L．Lambot將鐵絲網斂入混凝土中制成了小船，并于第二年在巴黎博覽會上展出，這可以說是最早的RC制品。從此以后，Francois Conigne，Wilkinson等人改進了Lambot的制品，到1867年法國技師Joseph Monier取得了用格子狀配筋制作橋面板的專利，RC工藝迅速地向前發(fā)展。1867這一年，是全世界公認為最早的RC橋架設的一年。1877年美國的Thaddeus H yatt調查了梁的力學性質，1887年德國的Konen提出了用混凝土承擔壓力和用鋼筋承擔拉力的設計方案，德國的J．Baushinger確認了混凝土中的鋼筋不受銹蝕等問題，于是RC結構又有了新的發(fā)展。1892年法國的Hennebique闡述了箍筋對抗剪的有效作用，并于1898年提出了T形粱的方案。關于柱子，前面提到的Conigne在RC樁方面得到了很多專利，Considere根據實驗于1902年取得了螺旋鋼筋柱的專利。

總而言之，混凝土結構是在19世紀中期開始得到應用的，由于當時水泥和混凝土的質量都很差，同時設計計算理論尚未建立，所以發(fā)展比較緩慢。直到19世紀末以后，隨著生產的發(fā)展，以及試驗工作的開展、計算理論的研究、材料及施工技術的改進，這一技術才得到了較快的發(fā)展。目前已成為現代工程建設中應用最廣泛的建筑結構之一。

在工程應用方面，混凝土結構最初僅在最簡單的結構物如拱、板等中使用。隨著水泥和鋼材工業(yè)的發(fā)展?；炷梁弯摬牡馁|量不斷改進、強度逐步提高。例如在美國20世紀60年代使用的混凝土抗壓強度平均為28N/mm2，20世紀70年代提高到42 N/mm2 ，一些特殊需要的結構混凝土抗壓強度可達80—100 N/mm2，而實驗室做出的抗壓強度最高已達266 N/mm2。前蘇聯20世紀70年代使用鋼材平均屈服強度為380 MPa，20世紀80年代提高到420 N/mm2；美國在20世紀70年代鋼材平均屈服強度已達420 N/mm2。預應力鋼筋所用強度則更高。這些均為進一步擴大鋼筋混凝土的應用范圍創(chuàng)造了條件，特別是自20世紀70年代以來，很多國家巳把高強度鋼筋和高強度混凝土用于大跨、重型、高層結構中，在減輕自重、節(jié)約鋼材上取得了良好的效果。

為了克服鋼筋混凝土易于產生裂縫這一缺點，促成了預應力混凝土的出現。預應力混凝土的應用又對材料強度提出新的更高的要求，而高強度混凝土及鋼材的發(fā)展反過來又促進了預應力混凝土結構應用范圍的不斷擴大。預應力混凝土除了用以改善建筑結構外(例如增大跨度、減小截面等)，還應用于高層建筑、橋隧建筑、海洋結構、壓力容器、飛機跑道及公路路面等方面。預應力混凝土的應用已不僅在某些范圍內用來代替鋼結構和改善普通鋼筋混凝土結構，而且在一些方面，例如原子能發(fā)電站的高溫高壓的大型壓力容器，只有采用預應力混凝土結構建造才能保證安全。對防腐蝕有特殊要求的海洋結構—如采油平臺，也非采用預應力混凝土或鋼筋混凝土建造不可。

為改善鋼筋混凝土自重大的缺點，世界各國已經大力研究發(fā)展了各種輕質混凝土(由膠結料、多孔粗骨科、多孔或密實的細骨科與水拌制而成)，其干容重一般不大于18kN/m3，如陶?；炷痢⒏∈炷?、火山渣混凝土、膨脹礦渣混凝土等。輕質混凝土可在預制和現澆的建筑結構中采用，例如可制成預制大型壁板、屋面板、折板以及現澆的薄殼、大跨、高層結構。但在應用中應當考慮到它的一些特殊性能(彈性模量低、收縮、徐變大等)，國外輕質混凝土用于承重結構的強度等級為C30～C60，其容重一般為14～18kN/m3。國內常用的強度等級為C20、C30，也可配制C40或更高的強度，其容重一般為12～18kN/m3。由輕混凝土制成的結構自重較普通混凝土可減少20～30%，由于自重減輕，結構地震作用減小，因此在地震區(qū)采用輕質混凝土結構可有效地減小地震力，節(jié)約材料和造價。

二次世界大戰(zhàn)后，國外建筑工業(yè)化的發(fā)展很快，已從采用一般的標準設計定向工業(yè)化建筑體系，趨向于做到一件多用或僅用較少幾種類型的構件(如梁板合一構件、墻柱合一構件等)就能建造成各類房屋。實踐充分顯示出建筑工業(yè)化在加快建設速度、降低建筑造價、保證施工質量等方面的巨大優(yōu)越性。在大力發(fā)展裝配或鋼筋混凝土結構體系的同時，有些國家還采用了工具式模板、機械化現澆與預制相結合，即裝配整體式鋼筋混凝土結構體系。

由于輕質、高強混凝土材料的發(fā)展以及結構設計理論水平的提高，使得混凝土結構應用跨度和高度都不斷地增大。例如；目前世界上最高的混凝土建筑為香港中環(huán)廣場達78層374m、其次是平壤柳京飯店達105層300m、芝加哥水塔廣場大樓達76層262m；最高的全部輕混凝土結構的高層建筑是休士敦貝殼廣場大廈52層215m；預應力輕骨科混凝土建造的飛機庫(西德)房蓋結構跨度達90m；預應力混凝土箱形截面橋梁跨度已達240m以上(日本沃名大橋)；蘇聯及加拿大分別建成了533m及549m高的預應力混凝土電視塔。

所有這些都顯示了近代鋼筋混凝土結構設計和施工水平日新月異的，迅速發(fā)展。

此外，對于防射線混凝土、纖維混凝土等也正在積極研究中，并已在有特殊要求的結構上開始應用。纖維混凝土使混凝土的性質獲得飛躍的發(fā)展，把混凝土的拉、壓強度比從1/l0提高到1/2，并且具有早強、體積穩(wěn)定(收縮、徐變小)的特性；并有可能建造600—900m高的建筑，跨度達500—600m的橋梁，以及海上浮動城市、海底城市、地下城市等。

國內簡況

在19世紀末20世紀初，我國也開始有了鋼筋混凝土建筑物，如上海市的外灘、廣州市的沙面等，但工程規(guī)模很小，建筑數量也很少。解放以后，我國在落后的國民經濟基礎上進行了大規(guī)模的社會主義建設。隨著工程建設的發(fā)展及國家進一步的改革開放，混凝土結構在我國各項工程建設中得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用。

我國20世紀70年代起，在一般民用建設中巳較廣泛地采用定型化、標準化的裝配式鋼筋混凝土構件，并隨著建筑工業(yè)化的發(fā)展以及墻體改革的推行，發(fā)展了裝配式大板居住建筑，在多高層建筑中還廣泛采用大模剪力墻承重結構外加掛板或外砌磚墻結構體系。各地還研究了框架輕板體系，最輕的每平方米僅為3～5kN。由于這種結構體系的自重大大減輕，不僅節(jié)約材料消耗，而且對于結構抗震具有顯著的優(yōu)越性。

改革開放后，混凝土高層建筑在我國也有了較大的發(fā)展。繼20世紀70年代北京飯店、廣州白云賓館和一批高層住宅（如北京前三門大街、上海漕溪路住宅建筑群）的興建以后，80年代，高層建筑的發(fā)展加快了步伐，結構體系更為多樣化，層數增多，高度加大，已逐步在世界上占據領先地位；目前國內最高的混凝土結構建筑是廣州的中天廣場，80層322m高，為框架—筒體結構；香港的中環(huán)廣場達78層374m，三角形平面筒中筒結構，是世界上最高的混凝土建筑；廣州國際大廈63層199m，是80年代世界上最高的部分預應力混凝土建筑。隨著高層建筑的發(fā)展，高層建筑結構分析方法和試驗研究工作，在我國得到了極為迅速的發(fā)展，許多方面已達到或接近于國際先進水平。

在大跨度的公共建筑和工業(yè)建筑中，常采用鋼筋混凝土桁架、門式剛架、拱、薄殼等結構形式。在工業(yè)建設中已經廣泛地采用了裝配式鋼筋混凝土及預應力混凝土。為了節(jié)約用地；在工業(yè)建筑中多層工業(yè)廠房所占比重有逐漸增多的趨勢，在多層工業(yè)廠房中除現澆框架結構體系以外，裝配整體式多層框架結構體系已被普遍采用。并發(fā)展了整體預應力裝配式板柱體系，由于其構件類型少，裝配化程度高、整體性好、平面布置靈活，是一種有發(fā)展前途的結構體系。同時升板結構、滑模結構也有所發(fā)展。此外，如電視塔、水培、水池、冷卻塔、煙囪、貯罐、筒倉等特殊構筑物也普遍采用了鋼筋混凝土和預應力混凝土。如9度抗震設防、高380m的北京中央電視塔、高405m的天津電視塔、高490m的上海東方明珠電視塔等。

混凝土結構在水利工程、橋隧工程、地下結構工程中的應用也極為廣泛。用鋼筋混凝土建造的水閘、水電站、船塢和碼頭在我國已是星羅棋布。如黃河上的劉家峽、龍羊峽及小浪底水電站，長江上的葛洲壩水利樞紐工程及正在建設的三峽工程等。

鋼筋混凝土和預應力混凝土橋梁也有很大的發(fā)展，如著名的武漢長江大橋引橋；福建烏龍江大橋，最大跨度達144m，全長548m。四川滬州大橋，采用了預應力混凝土T形結構，三個主跨為170m，主橋全長1255．6m，引道長達7000m，是目前我國最長的公路大橋。為改善城市交通擁擠，城市道路立交橋正在在迅速發(fā)展。

隨著混凝土結構在工程建設中的大量使用，我國在混凝土結構方面的科學研究工作已取得較大的發(fā)展。在混凝土結構基本理論與設計方法、可靠度與荷載分析、單層與多層廠房結構、大板與升板結構、高層、大跨、特種結構、工業(yè)化建筑體系、結構抗震及現代化測試技術等方面的研究工作都取得了很多新的成果，基本理論和設計工作的水平有了很大提高，已達到或接近國際水平。

作為反映我國混凝土結構學科水平的混凝土結構設計規(guī)范也隨著工程建設經驗的積累、科研工作的成果和世界范圍技術的進步而不斷改進。1952年東北地區(qū)首先頒布了《建筑物結構設計暫行標準》；1955年制定的《鋼筋混凝土結構設計暫行規(guī)范》（結規(guī)6—55），采用了前蘇聯規(guī)范中的按破壞階段設計法；1966年頒布了我國第一本《鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》（BJG2l—66），采用了當時較為先進的以多系數表達的極限狀態(tài)設計法；1974年編制了采用單一安全系數表達的極限狀態(tài)設計法的《鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》（TJ10—74），以及一些有關的專門規(guī)程和規(guī)定。規(guī)范（BJG2l—66）和（TJl0—74）的頒布標志著我國鋼筋混凝土結構設計規(guī)范步入了從無到有、由低向高發(fā)展的階段。為了解決各類材料的建筑結構可靠度設計方法的合理和統(tǒng)一問題，1984年頒布的《建筑結構設計統(tǒng)一標準》（GBJ68—84）規(guī)定我國各種建筑結構設計規(guī)范均統(tǒng)一采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，其特點是以結構功能的失效概率作為結構可靠度的量度，由定值的極限狀態(tài)概念轉變到非定值的極限狀態(tài)概念上，從而把我國結構可靠度設計方法提高到當時的國際水平，對提高結構設計的合理性具有深刻意義。為配合(GBJ68—84)的執(zhí)行，1989年頒布的《混凝土結構設計規(guī)范》（GBJ10—89）使我國混凝土結構設計規(guī)范提高到了一個新的水平。

經過近十幾年我國工程建設的快速發(fā)展以及進入WTO的需要，自1997年起，我國對工程建設標準進行了全面修訂，并頒布了《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB50068—2001）及《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010—2002）等。新標準的頒布，將推動新材料、新工藝、新結構的應用，使混凝土結構不斷地發(fā)展，不停地演進，達到新的水平