钢筋混凝土结构发展及应用概述

任务分析

通过本次学习任务，学生应掌握以下知识点：

钢筋混凝土的发展及应用能够知道其结构的优势和特点。

知识集聚

现代混凝土结构是随着水泥和钢铁工业的发展而发展起来的，至今已有160 年左右的历史。1824 年，英国人约瑟夫・阿斯匹丁（Joseph Aspdin）发明了波特兰水泥并取得了专利。1850 年，法国人蓝波特（L.Lambot）制成了铁丝网水泥砂浆结构的小船。1861 年，法国人约瑟夫・莫尼埃（Joseph Monier）获得了制造钢筋混凝土板、管道和拱桥的专利。

1866 年，德国学者发表了混凝土结构的计算理论和计算方法，1887 年又发表了试验结果，并提出了钢筋应配置在受拉区的概念和板的计算方法。在此之后，钢筋混凝土的推广应用才有了较快的发展。1891-1894 年，欧洲各国的研究者发表了一些理论和试验研究结果。但是在1850-1900 年的整整50 年内，由于工程师们将钢筋混凝土的施工和设计方法视为商业机密，这个时期公开发表的研究成果不多。

1850 年，美国学者进行过钢筋混凝土梁的试验，但其研究成果直到1877 年才发表。19世纪70 年代初，有的学者曾使用过某些形式的钢筋混凝土，并且于1884 年第一次使用变形（扭转）钢筋并获得专利。1890 年，旧金山建造了一幢两层高、312 英尺（约95 m）长的钢筋混凝土美术馆。从此以后，钢筋混凝土在美国得到了迅速的发展。

从19 世纪50 年代到20 世纪20 年代，可以算是钢筋混凝土发展的初步阶段。20 世纪30年代开始，从材料性能的改善、结构形式的多样化、施工方法的革新、计算理论和设计方法的完善等多方面开展了大量的研究工作，工程应用十分普遍，使钢筋混凝土结构进入了大量运用的阶段。

世界各国使用的混凝土平均强度，在20 世纪30 年代约为10 MPa，到20 世纪50 年代已提高到20 MPa，20 世纪60 年代约为25 MPa，20 世纪70 年代已提高到30 MPa。20 世纪80年代初，在发达国家C50 级混凝土已经普遍采用。高效能减水剂的应用更加促进了混凝土强度的提高。近年来，国内外采用附加减水剂的方法已制成强度为200 MPa 以上的混凝土。高强混凝土的出现更加扩大了混凝土结构的应用范围，为钢筋混凝土在防护工程、压力容器、海洋工程等领域的应用创造了条件。(www.xing528.com)

改善混凝土性能的另一个重要方面是减轻混凝土的自重。从20 世纪60 年代以来，轻骨料（陶粒、浮石等）混凝土和多孔（主要是加气）混凝土得到迅速发展，其重度一般为14～18 kN/m3，比普通混凝土（重度为25 kN/m3）轻很多。用轻骨料混凝土制作墙、板不但可以承重，而且其建筑物理性能也优于普通混凝土。

预应力混凝土的概念在19 世纪80 年代已提出，但是当时因钢筋强度偏低及对预应力损失缺乏深入研究，使预应力混凝土未能成功地实现。1928 年，法国工程师弗耐西涅（E.Freyssinet）成功地将高强钢丝用于预应力混凝土，使预应力混凝土的概念得以在工程实践中成为现实。预应力混凝土的广泛应用是在1938 年弗耐西涅发明锥形楔式铺具（弗式锚具）和1940 年比利时人门格尔（G.Magnel）发明门格尔体系之后。预应力混凝土使混凝土结构的抗裂性得到根本的改善，使高强钢筋能够在混凝土结构中得到有效的利用，使混凝土结构能够用于大跨结构、压力贮罐、核电站容器等领域。

在结构形式方面，从1925 年德国第一次采用折板结构大型煤仓开始，薄壁空间结构逐渐在屋盖及贮仓、水塔、水池等构筑物中得到广泛应用。

20 世纪50 年代以来，钢筋混凝土在高层建筑中的应用也有了迅猛的发展。高强混凝土的发展，促进了混凝土结构在超高层建筑中的应用。1976 年建成的美国芝加哥水塔广场大厦达74 层，高262 m。朝鲜平壤的柳京大厦，105 层，高305 m，也是混凝土结构。美国、俄罗斯等国在高层建筑中采用的混凝土，强度已达C80～C100。美国西雅图市的Two Union Square大厦（58 层）60%的竖向荷载由中央四根直径为10 英尺（约3.05 m）的钢管混凝土柱承受，钢管内填充的混凝土强度等级达C135。

钢筋混凝土结构的发展同样反映在桥梁、特种结构、水利工程、海洋工程、港口码头工程等各个领域内。1875 年，法国人莫尼埃（J.Monier）曾主持修建过一座长达16 m 的钢筋混凝土桥；1986 年，澳大利亚布里斯班市建成主跨为260 m 的预应力混凝土大跨板梁和箱梁桥；1983 年，巴西建成主跨为440 m 的预应力混凝土斜拉桥：1997 年，我国在四川万县建成主跨为420 m 的混凝土拱桥等。

在计算理论与设计方法方面，20 世纪30 年代以前，将钢筋混凝土视为理想弹性材料，按材料力学的允许应力法进行设计计算。但从20 世纪初便开始了对钢筋混凝土构件考虑材料塑性性能的研究。苏联在1938 年颁布了世界上第一个按破损阶段设计钢筋混凝土构件的规范，标志着钢筋混凝土构件承载力计算的实用方法进入了一个新的发展阶段。20 世纪30 年代以后，在钢筋混凝土超静定结构中考虑塑性内力重分布的计算理论也取得了很大进展，从20 世纪50年代开始，该理论已在双向板、连续梁及框架的设计中得到了应用。20 世纪50 年代，苏联首先采用极限状态方法设计钢筋混凝土结构构件。20 世纪60 年代以来，随着计算机的普及与计算力学的发展，有限元法被用于钢筋混凝土的理论研究与设计计算，促进了钢筋混凝土理论及设计方法的发展。

在结构的可靠度设计方法方面，20 世纪50-60 年代，世界各国逐步采用半经验半概率的极限状态设计法。20 世纪80 年代以来，以概率论数理统计学为基础的结构可靠度理论有了很大的发展，使结构可靠度的近似概率法进入了工程设计中。