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钢筋混凝土结构

1.1介绍

通常传统上的钢筋混凝土设计的书籍研究首先是直接从材料部分的一章开始, 然后是设计的章节的部分。但是在这本书中偏离了这个个惯例，它是在学生投入到他的主题去学习更精细的细节部分之前，首先对钢筋混凝土结构的世界有一个大概的讲解。

因此, 本章对钢筋混凝土以及它的应用进行了一般性介绍。并阐述了结构设计在钢筋混凝土中的作用，概述了在建筑物中通常采用的各种结构体系。

众所周知，毫无疑问混凝土是一种常见的结构材料。但是, 它有多普遍, 它在我们日常生活中发挥着多么大的作用也许并不为人们所熟知--或者说, 它并不经常被人们所意识到。混凝土结构广泛应用于各种建筑物、体育场、礼堂、人行道、桥梁、码头、防波堤、排污结构、水坝、水道、管道、水箱、游泳池的施工。冷却塔、掩体和筒仓、烟囱、通讯塔、隧道等。它是最常用的建筑材料, 每个活着的人的消费速度约为一吨。'除了水, 人类不消耗如此大量的其他任何物质' (注释 1. 1)

图1显示了一些典型的钢筋混凝土结构实例的图片。1-1. 5。也许, 在未来的某一天, 读者可能会被要求设计类似(也有可能是比这类更令人兴奋的)的结构!同学们一定要把这个目标牢记在心!

图1.1 铁水泥船'--已知的第一个钢筋混凝土例子是一艘船, 1848年由约瑟夫-lous Lambot 获得专利. (参考: Ferrochation, 国家科学院, 华盛顿特区, 1973年2月)；这里显示的船是原始设计的最新版本 (1887年), 目前保存在法国的布里尼奥莱斯博物馆。

图1.2 现代钢筋混凝土多层建筑--新德里最重要的建筑之一 (102 米): Jawahar Vyapar Bhavan （建筑师: Rai Rewal和库尔迪普·辛格, 项目顾问: 印度工程师有限公司）。结构概念: 在 Vierendeel 梁上设置支撑的托架地板 (以时尚的方式排列), 在核心墙壁悬臂上设置。

图1.3 巴哈伊宗教之家, 新德希一个独特的莲花形状钢筋混凝土结构, 具有复杂的外壳几何形状, 涉及球体、筒体、圆环和锥形。(建筑师 Fariburz Sahba, 结构顾问: Flint amp; Neil, 承包商: Larsen Toubro Ltd)

图1.4 加拿大多伦多的 CN塔----通信塔, 高达550米的高度使其成为世界上最高的钢筋混凝土塔。(图为电梯车垂直地沿着塔竖井行驶)

图1.5 横跨位于喀拉拉邦库蒂普普拉的巴拉塔普扎河的钢筋混凝土弓弦梁桥

1.2 混凝土和钢筋混凝土

1.2.1 普通混凝土

混凝土可界定为使用水泥介质制成的任何固体物质;，这些成分一般包括沙子、砾石、水泥和水。将这些不同的和离散的材料组合在一起, 可以产生一个坚实的物体 (任何所需的形状), 具有明确定义的属性, 这本身就是一个奇迹。混凝土作为建筑材料已经使用了一百五十多年，它的成功和普及在很大程度上可归因于 (1)在恶劣环境下的耐用性 (包括耐水性)；(2) 它很容易被塑造成各种的形状和大小；(3)混凝土的相对经济性并且易于获得。混凝土的主要强度在于其抗压能力, 其承载能力超过了传统的砖石砌体等材料。特别是在过去四十年中, 混凝土技术方面的进步使得现在有可能生产出各种不同质量密度的混凝土 (1200-2500 kgm/和压强(10-100 Mpa)。

混凝土在抗压方面可能非常强, 但在张力方面确实是非常弱的!（图 1 6(a))。它的抗拉 '强度' 约为其抗压强度的十分之一。因此, 使用普通混凝土作为结构材料仅限于不产生明显拉应力和应变的情况, 以及空心 (或固体) 砌块墙体施工、小基座和大体积混凝土应用 (水坝等)。

1.2.2钢筋混凝土

混凝土作为一种主要的建筑材料如果不是因为发明了钢筋混凝土不可能获得目前的地位，钢筋混凝土是用钢筋嵌入混凝土。钢筋混凝土的概念产生了一种新的复合材料。它具有抵抗明显拉应力的潜力，这在之前是不可能的。 因此，对承重受弯构件，如梁和板的构造用这种新材料变得可行。钢筋（嵌入混凝土的受拉区）补偿了混凝土的抗张能力，有效地承受了所有的张力，而不脱离混凝土。【图1.6（b）】。钢与周围混凝土之间的结合确保了应变兼容性，即钢中任何一点的应变与相邻混凝土中的应变相等。此外，钢筋赋予了易碎材料延展性。实际上，这意味着，如果一个适当的加固梁在张力下发生破坏，那么幸运的是，这种破坏会先于钢筋屈服引起的大变形，从而充分考虑即将发生的倒塌图1.6(c) 。

拉伸应力直接发生，如直接拉伸或弯曲拉伸，或间接发生，如在剪切作用中，沿对角线平面产生张力（对角线张力）。温度和收缩效应也可能引起拉应力。在所有这些情况下，钢筋都是必不可少的，并且应适当地定位在穿过主要拉伸面（E，穿过潜在拉伸裂纹）的方向上。如果钢材供应不足，裂纹会发展和扩展，并可能导致失效。

钢筋也可以在承受压力时补充混凝土，如在带有纵向钢筋的柱中，这些钢筋需要用横向钢扎带进行约束[图1.6（d）。以保持其位置并防止其横向弯曲。横向系材也用于限制混凝土，从而提高其抗压承载能力。

由于过去几年对钢筋混凝土的广泛研究，在不同的国家，已经到了一个可以自信地预测这种复合材料的弹性和非弹性行为的阶段。毫无疑问，预测中存在一些不确定性，但这在很大程度上是归因于现浇混凝土强度的变化（与钢不同的是，现浇混凝土并非在严格控制的条件下制造）。导致这种变化的因素有几个，其中一些与材料特性（主要是集料）有关，而另一些与现场混凝土的实际制作（搅拌、浇筑、压实和养护）有关。 通过在设计过程中提供适当的安全系数，可以注意到这种不确定性。【第3章详细讨论了设计中的结构安全问题】。

可靠的设计和施工技术的发展使世界各地的各种钢筋混凝土结构的建造得以进行：框架（柱和梁）、屋顶板、地基、桥面板和桥墩、挡土墙、看台、水箱、管道、烟囱、燃料库和筒仓、折板，还有外壳等。

值得注意尽管这些钢筋混凝土结构看起来到完全不同于一个另一个实际原则基础设计相同。 在接下来的章节中，重点将放在这些基础的原则上。

预应力混凝土：预应力混凝土是与钢筋混凝土并列发展起来的另一项巧妙发明。预应力混凝土是一种高强混凝土，在施加外部荷载之前，先埋入高抗拉钢丝并进行张拉，从而使混凝土预压到一定程度，使结构受力后，梁内几乎不产生任何张力。预应力混凝土适用于大跨度的场合(如桥梁)，或混凝土内部不允许有裂缝(甚至细线)的场合(如压力容器、管道和水箱)，或承受较大荷载的场合(如轨道轨枕)，等等。

纤维增强混凝土和钢筋混凝土：最近混凝土复合材料的发展产生了一些新的产品，旨在提高混凝土的抗拉强度，并赋予延性。其中，纤维增强混凝土和钢筋混凝土是重要的发展方向在混凝土中掺入玻璃纤维，在混凝土中通过在水泥砂浆中嵌入多层钢丝网形成薄壁。虽然铁素体只是在最近几年才流行起来，但它代表了钢筋混凝土的最早应用之一。

这本书是关于钢筋混凝土的，因此，将不再讨论其他混凝土复合材料。

1.3结构设计目标

结构设计必须满足三个基本要求

1)防止结构或部分结构在荷载作用下发生过伸、滑动或屈曲的稳定性；

2)安全抵抗各种结构构件受力所产生的应力的强度；

3)正常使用能力，以确保在使用负载条件下获得满意的性能，这意味着提供足够的刚度和钢筋，以控制挠度、裂纹宽度和振动在可接受的范围内，并提供不渗透性和耐久性(包括耐腐蚀性)，等等。

明智的设计师还应该考虑另外两个因素。经济和美观，一个人总是可以设计一个庞大的结构，它有足够的稳定性，强度和使用能力，但随之而来的成本可能过高，而最终的产品，远远谈不上美观。用Felix Candela(参考文献1.3)的话来说，他设计了一系列非常广泛的约束混凝土壳结构。

“......建筑师没有武器来反驳工程师的科学论点，两个人之间的对话是不可能的。”

换而言之。斗争的结果通常是一样的，科学获得胜利，最终的设计通常已经失去了建筑师所梦想的细节的最终魅力和适用性。

结构设计人员不仅要设计出适合建筑的结构，而且要在安全与经济之间取得恰当的平衡，这确实是一个挑战，也是一种责任。

1.4钢筋混凝土施工

结构工程师，建筑工程师，项目经理和承包商，其他专家也可能需要咨询，关于土壤调查，供水，卫生，火灾防护、运输、采暖、通风、空调、声学、化学。一般来说，一个建设项目包括三个阶段，即规划、设计(包括分析)和施工。

1. 规划阶段:建筑师/规划师的工作是构思和规划建筑布局，以满足客户的功能需求，同时兼顾美学、环境和经济方面的考虑可行性也是一个重要的考虑因素，为此必须咨询结构设计师。
2. 设计阶段:当初步计划获批后，工程的实际细节须由各顾问公司(以纸张形式)拟备。结构工程师/顾问的工作包括(一)选择最合适的结构体系及初步的成员比例;（二）结构荷载估算，(三)结构分析测定由hellip;引起的应力(构件力)和位移各种荷载组合，(四)结构设计的实际比例构件在计算的构件力下，为安全和使用所需的材料的尺寸、钢筋详图和等级，以及(五)提交足够详细的施工图，以便在施工中参照。
3. 施工阶段:纸上构思的方案和设计转化为具体的现实。一个结构可能是精心策划和设计的，但也必须是精心建造的，因为布丁的好坏在于吃。这一责任不仅在于受托执行的承包商，而且也在于代表顾问进行监督的建筑工程师。这项工作需要适当管理各种资源，即人力、材料、机械、金钱和时间。它还要求熟悉各种施工技术和规范。特别擅长混凝土技术是至关重要的,以确保适当的混合处理,放置,压实和混凝土的养护。合同和仿效适当的管理程序、系统和文档方面的适用性阶段也很重要,特别是在公共工程,然而这些超出了这本书的范围。

在施工阶段，一些重新设计也可能是需要的，如在复杂的基础，不可用的特定材料，等等。

1.5结构系统

任何结构都是由结构元素(如承重梁和)和非结构元素(如隔墙、假天花板、门)组成的。构要素合在一起构成了“结构体系”，其功能是为了有效地抵抗重力和环境载荷的作用，并将产生的力传递到支承地面，而不显著地影响结构的几何形状、完整性和使用性能。简化分析，如一维(骨架)单元(如梁、柱拱、桁架单元)或二维单元(如板、板、壳)，少数结构单元(如壳边梁节点、穿孔剪力墙)可能需要更严格的分析。例如，考虑钢筋混凝土高架水箱结构。图1.7结构体系本质上包括三个子系统，即储罐、脚手架和基础，三者在意义上是不同的它们通常是分阶段设计和建造的。在这个例子中,是由一个由壳屋顶,一个圆柱形边墙与加劲环梁(顶部和底部),平面圆形基板,和一个主环梁,这是由分段,分段的列包含三维框架梁、柱、固定的基础。地基为筏体，由环形板组成，顶部由环形梁加劲，底部由坚实的土支撑。作用于结构上的荷载由自重和活荷载共同作用。活荷载（水箱内的水，屋顶的维护)，风荷载(作用于水箱的暴露表面积和分段)，地震荷载(由于地震诱发的地面激励)。作用于储罐上的荷载作用通过主环梁传递到分段器;荷载作用于分段器的荷载作用依次传递到地基，最终传递到地面。

1.6钢筋混凝土建筑

最常见的钢筋混凝土建筑是建筑物(规划用于住宅、机构或商业用途)，因此，研究它很有指导意义详细介绍了结构体系及其荷载传递机理。随着建筑物重量的增加，侧向荷载(由于风和地震)的存在感越来越强;事实上，在非常高的建筑物中，系统主要由其有效抵抗侧向荷载(而不是重力荷载)的相对经济性决定。为了方便起见，我们可以将结构系统分为两种载荷传递机制，即抗重力载荷和抗侧向载荷，尽管实际上这两种系统是互补和相互作用的。作为一个完整的系统，结构必须抵抗并将作用于其上的所有重力和横向荷载的影响传递到基础和地下。

此外，尽管建筑是一个三维结构，但它通常是:构思、分析和设计为一个二维(平面)子组件系统主要位于水平和垂直平面(如地板、屋顶、墙壁、平面框架等)如图1所示。系统和垂直(框架)系统在研究建筑物的抗荷机构时特别方便。

图1.7高位水箱结构系统

1.6.1地板系统

水平地板系统抵抗作用于其上的重力荷载(恒荷载和活荷载)，并将其传递给垂直框架系统楼板系统主要受弯曲和横向剪切作用垂直框架单元通常受到轴向压缩，通常与弯曲和剪切耦合[图1. 8a]。楼板还充当水平隔板，将各种垂直框架单元连接在一起并使其变硬。在横向荷载作用下，楼板隔振层具有较高的刚度平面抗弯刚度)，并有效地分配了侧向荷载的影响图1. 8b。

各种竖向框架单元和剪力墙混凝土结构的楼板系统通常由与下一层结构组成墙支撑板系统在本系统中，楼板厚度一般在100-200毫米之间，跨度从3米至7.5米，由承重墙(砌体)支撑，适用于低层建筑。该系统主要应用于低层建筑中，楼板通常为矩形，可采用多种支承方式。当平板仅在相对的两侧支承时[图1.9(a)]时，板只向一个方向弯曲，故称为单向板，当板四边均支承时，板的长、宽平面尺寸如图1.9 (c)所

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资料编号：[2649]