任務一　基本概念

目　　標：（1）掌握鋼筋混凝土結構基本概念。

（2）掌握鋼結構基本概念。

（3）熟悉砌體結構基本概念。

提交成果：基本概念課程報告。

一、混凝土結構的基本概念

混凝土結構是以混凝土為主要材料制成的結構，包括素混凝土結構、鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構等。素混凝土結構是指由無筋或不配置受力鋼筋的混凝土制成的結構；鋼筋混凝土結構是指由配置受力鋼筋的混凝土制成的結構；預應力混凝土結構是指由配置受力的預應力鋼筋通過張拉或其他方法建立預加應力的混凝土制成的結構。

眾所周知，鋼筋和混凝土都是土木工程中重要的建筑材料。鋼筋的抗拉和抗壓強度都很高，破壞時表現出良好的變形能力。但細長的鋼筋受壓時極易失穩，強度得不到充分發揮，僅能作為受拉構件，同時鋼筋的防銹能力差，價格較高；混凝土的抗壓強度高而抗拉強度很低，一般抗拉強度只有抗壓強度的1/20～1/8，受拉破壞時具有明顯的脆性性質，破壞前無預兆，這就使得素混凝土結構僅能用于以受壓為主的基礎、柱墩和一些非承重結構，很少用作主要受力構件。但如果將鋼筋和混凝土這兩種材料按照合理的方式有機地結合在一起共同工作，可以取長補短，使鋼筋主要承受拉力，混凝土主要承受壓力，充分發揮它們的材料特性，并使得結構具有良好的變形能力。因此，工程中應用最為廣泛的是鋼筋混凝土和預應力混凝土結構。

（1）鋼筋和混凝土兩種材料的物理力學性能很不相同，但能夠共同工作，其主要原因如下。

1）鋼筋與混凝土之間存在有良好的黏結力，能牢固地形成整體，保證在荷載作用下，鋼筋和外圍混凝土能夠協調變形，共同受力。

2）鋼筋和混凝土兩種材料的溫度線膨脹系數接近。鋼材為1.2×10-5/℃，混凝土為（1.0～1.5）×10-5/℃，因此當溫度變化時，兩者之間不會產生過大的相對變形導致它們之間的黏結力破壞。

3）鋼筋至構件邊緣的混凝土保護層起著防止鋼筋銹蝕的作用，當混凝土保護層具有足夠的密實性和厚度時，能夠保證結構的耐久性，使鋼筋與混凝土長期可靠地共同工作。使鋼筋不容易發生銹蝕，且使其受壓時不易失穩，在遭受火災時不致因鋼筋很快軟化而導致結構整體破壞。因此，在混凝土結構中，鋼筋表面必須留有一定厚度的混凝土作保護層，這是保持二者共同工作的必要措施。

在設計和施工中，鋼筋的端部要留有一定的錨固長度，有的還要做彎鉤，以保證可靠地錨固，防止鋼筋受力后被拔出或產生較大的滑移；鋼筋的布置和數量應由計算和構造要求確定。

（2）混凝土結構與其他結構相比，主要優點如下。

1）合理用材。能充分合理的利用鋼筋（高抗拉性能）和混凝土（高抗壓性能）兩種材料的受力性能，結構的承載力與其剛度比例合適，基本無局部穩定問題。對于一般工程結構，經濟指標優于鋼結構。

2）耐久性好，維護費用低。在一般環境下，鋼筋受到混凝土保護而不易發生銹蝕，而混凝土的強度隨著時間的增長還有所提高，因而提高了結構的耐久性，不像鋼結構那樣需要經常地維修和保養。對處于侵蝕性氣體或受海水浸泡的鋼筋混凝土結構，經過合理地設計及采取特殊的防護措施，一般也可以滿足工程需要。

3）耐火性好。混凝土是不良導熱體，遭受火災時，鋼筋混凝土結構不會像木結構那樣被燃燒，鋼筋因有混凝土包裹而不至于很快升溫至失去承載力的程度，這是鋼、木結構所不能比擬的。

4）可模性好。混凝土可根據設計需要支模澆筑成各種形狀和尺寸的結構，適用于建造形狀復雜的結構及空間薄壁結構，這一特點是砌體、鋼、木等結構所不具備的。

5）整體性好。現澆混凝土結構的整體性好，再通過合適的配筋，可獲得較好的延性，有利于抗震、防爆；同時防輻射性能好，適用于防護結構；剛度大、阻尼大，有利于結構的變形控制。

6）易于就地取材。混凝土所用的大量砂、石產地普遍，易于就地取材。另外，還可有效利用礦渣、粉煤灰等工業廢料。

（3）混凝土結構也存在一些缺點，主要如下。

1）自重大。鋼筋混凝土的重度約為25kN/m3，比砌體和木材的重度都大。盡管比鋼材的重度小，但結構的截面尺寸較大，因而其自重遠遠超過相同寬度或高度的鋼結構，這對于建造大跨度結構和高層建筑結構是不利的。因此需要開發和研究輕質混凝土、高強混凝土和預應力混凝土。

2）抗裂性差。由于混凝土的抗拉強度較低，在正常使用時鋼筋混凝土結構往往帶裂縫工作，裂縫的存在會降低抗滲和抗凍能力，影響使用性能。在工作條件較差的環境下，如露天、沿海、化學侵蝕，會導致鋼筋銹蝕，影響結構物的耐久性。采用預應力混凝土可較好地解決開裂問題，利用樹脂涂層鋼筋可防止因混凝土開裂而導致的鋼筋銹蝕。

3）施工比較復雜，工序多。需要支模、綁鋼筋、澆筑、養護、拆模，工期長，施工受季節、天氣的影響較大。現澆鋼筋混凝土使用模板多，模板材料耗費量大。

4）新老混凝土不易形成整體。混凝土結構一旦破壞，修補和加固比較困難。

二、鋼結構的基本概念

鋼結構主要是指由鋼板、熱軋型鋼、薄壁型鋼、鋼管等構件組合而成的結構，它是土木工程的主要結構形式之一。目前，鋼結構在房屋建筑、地下建筑、橋梁、塔桅、海洋平臺中都得到廣泛應用，這是由于鋼結構與其他材料的結構相比，具有如下特點。

1.鋼結構的優點

（1）建筑鋼材強度高，塑性和韌性好。

1）強度高。鋼與混凝土、木材相比，雖然密度較大，但其強度較混凝土和木材要高得多，其密度與強度的比值一般比混凝土和木材小，因此在同樣受力的情況下，鋼結構與鋼筋混凝土結構和木結構相比，構件較小，重量較輕。適用于建造跨度大、高度高、承載重的結構。

2）塑性好，結構在一般的條件下不會因超載而突然斷裂，只增大變形，故容易被發現。此外，尚能將局部高峰應力重分配，使應力變化趨于平緩。

3）韌性好，適宜在動力荷載下工作，因此在地震區采用鋼結構較為有利。

（2）鋼結構的重量輕。鋼材容重大，強度高，但做成的結構卻比較輕。結構的輕質性可用材料的密度ρ和強度f的比值α來衡量，α值越小，結構相對越輕。建筑鋼材的α值在1.7×104～3.7×104/m之間；木材的α值為5.4×104/m；鋼筋混凝土的α值約為18×104/m。以同樣的跨度承受同樣的荷載，鋼屋架的重量最多不過為鋼筋混凝土屋架的1/4～1/3。

（3）材質均勻，與力學計算的假定比較符合。鋼材內部組織比較均勻，接近各向同性，可視為理想的彈-塑性體材料，因此，鋼結構實際受力情況和工程力學計算結果比較符合，在計算中采用的經驗公式不多，從而，計算的不定性較小，計算結果比較可靠。

（4）工業化程度高，工期短。鋼結構所用材料皆可由專業化的金屬結構廠軋制成各種型材，加工制作簡便，準確度和精密度都較高。制成的構件可運到現場拼裝，采用焊接或螺栓連接。因構件較輕，故安裝方便，施工機械化程度高、工期短，為降低造價、發揮投資的經濟效益創造條件。

（5）密封性好。鋼結構采用焊接連接后可以做到安全密封，能夠滿足一些要求氣密性和水密性好的高壓容器、大型油庫、氣柜油罐和管道等的要求。

（6）抗震性能好。鋼結構由于自重輕和結構體系相對較柔，受到的地震作用較小，鋼材又具有較高的抗拉和抗壓強度以及較好的塑性和韌性，因此在國內外的歷次地震中，鋼結構是損壞最輕的結構，已公認為是抗震設防地區特別是強震區的最合適結構。

（7）耐熱性較好。溫度在200℃以內，鋼材性質變化很小；當溫度達到300℃以上時，強度逐漸下降；當溫度達到600℃時，強度幾乎為零。因此，鋼結構可用于溫度不高于200℃的場合。在有特殊防火要求的建筑中，鋼結構必須采取保護措施。

2.鋼結構的缺點

鋼結構的下列缺點有時會影響鋼結構的應用。

（1）耐腐蝕性差。鋼材在潮濕環境中，特別在處于有腐蝕性介質的環境中容易銹蝕。因此，新建造的鋼結構應定期刷涂料加以保護，維護費用較高。

目前國內外正在發展各種高性能的涂料和不易銹蝕的耐候鋼，鋼結構耐銹蝕性差的問題有望得到解決。

（2）耐火性差。鋼結構耐火性較差，在火災中，未加防護的鋼結構一般只能維持20min左右。因此需要防火時，應采取防火措施，如在鋼結構外面包混凝土或其他防火材料，或在構件表面噴涂防火涂料等。

（3）鋼結構在低溫條件下可能發生脆性斷裂。鋼結構在低溫和某些條件下，可能發生脆性斷裂，還有厚板的層狀撕裂等，都應引起設計者的特別注意。

現在鋼材已經被認為是可以持續發展的材料，因此從長遠發展的觀點，鋼結構將有很好的發展前景。

三、砌體結構的基本概念

砌體結構是由塊材和砂漿砌筑而成的墻，柱作為建筑物主要受力構件的砌體為主制作的結構。它包括磚結構、石結構和其他材料的砌塊結構。分為無筋砌體結構和配筋砌體結構。砌體結構在我國應用很廣泛。

1.砌體結構的優點

（1）容易就地取材。磚主要用黏土燒制；石材的原料是天然石；砌塊可以用工業廢料——礦渣制作，取材方便，價格低廉。

（2）磚、石或砌塊砌體具有良好的耐火性和較好的耐久性。

（3）砌體砌筑時不需要模板和特殊的施工設備。在寒冷地區，冬季可用凍結法砌筑，不需特殊的保溫措施。

（4）磚墻和砌塊墻體能夠隔熱和保溫，所以既是較好的承重結構，也是較好的圍護結構。

2.砌體結構的缺點

（1）與鋼筋混凝土相比，砌體的強度較低，因而構件的截面尺寸較大，材料用量多，自重大。

（2）砌體的砌筑基本上是手工方式，施工勞動量大。

（3）砌體的抗拉、抗剪強度都很低，因而抗震性能較差，在使用上受到一定限制；磚、石的抗壓強度也不能充分發揮；抗彎能力低。

（4）黏土磚需用黏土制造，在某些地區過多占用農田，影響農業生產。