我国混凝土结构的发展.docx

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我国混凝土结构的发展

混凝土结构的发展极为迅速，在改革开放20年的时间里我国发展极为迅猛,从新材

料、新技术的研究、开发和推广应用，到工程结构的建造，取得了惊人的巨大成就，创造

了一个个新的纪录。

有的已达到国际先进水平，或已进入国际先进行

列，有的甚至暂居领

先地位。

混凝土结构的应用范围日益扩大，无论从地上或地下，乃至海洋，工程构筑物很多用

混凝土建造，因为它的耐久性和耐火性都较钢结构优越。

甚至有建议太空站也可采用在月

球上烧制水泥和炼钢，在此制作预制构件运至太空装配，较在地球上用航天飞机往返（达

45次）运输钢构件为经济。

新加坡每年8月份召开一次OurWorldinConcreteStructures学术会议,1999年8

月24—26日召开第24次会议，论题为

“21sCenturyConcrete&Structures”。

但无可否认，钢结构自重较轻，施工速度较快。

我国钢产量已连续3年超过亿吨。

在

某些情况下，笔者认为经各方面比较，有的可能以采用钢结构为宜，包括采用劲性钢筋混

凝土结构如所周知，混凝土结构发展经历了三个阶段，现已进入第四阶段［1］。

根据学习，从较

多方面考虑，对这一阶段的特征作出新的描述并结合最近工程资

料,从材料、工艺、施

工、高层建筑、桥梁和大坝以及特种结构予以简要举例说明。

1新阶段特征

新阶段的特征是：

进一步发展工业化体系如大模板现浇和大板体系。

高层建筑结构体系的发展,如框桁

体系和外伸结构的采用。

在设计中引入概率方法。

由于计算机的发展和普及，在结构工程领域内引起深刻的改

革和革命。

专家系统的采用；计算机辅助设计和绘图（CAD,CAG）的程序化,包括结

构动态分析图形的描绘，因而改进了设计方法和提高设计质量，也减轻了设计工作量，提

高了人的工作效率。

优化设计和施工的实际广泛应用，节约了建设投

资。

振动台试验和拟动力试验以及风洞试验较普通地开展。

建筑和桥梁结构的主、被

动抗震控制的实际应用。

计算机模拟试验大大减少了试验工作量，节

约了大量人力和物力。

有限元法的广泛应用和计算模式研究的开展,以及其他数值计算方法的创立和发展。

结构机理包括破坏机理研究的加强;对复合应力的研究并结合实验结果提出各种强度理

论。

因而产生了“近代混凝土力学”这一学科分支,并将逐步得到发展和完善。

工程结构的“移植”,如将桥梁中的斜拉结构应用于房屋建筑;及至创造新的结构形

式,如创造出双拱架结构和桁式组合拱桥等;以及各学科间的相互渗透,如将有限元法应

用于混凝土的微观研究。

工程材料微观研究的开展与加强,为材料强度和性能的不断提高创造了条件,新材

料、新工艺和新施工方法的研究和开发。

模糊数学在抗震设计中的应用。

混凝土结构寿命的研究。

“现代三力学”（这是笔者这样称谓的）即“断裂力学”、“损伤力学”和“微观力

学”[3,4]对混凝土的应用。

混凝土结构的应用范围在多方面的拓宽,其尺度不断向高、长、大方

向发展下面仅就材料、施工、高层建筑、桥梁、大坝和特种结构进行些具体介绍。

2新材料、新工艺和新施工方法的研究和应用高强混凝土应以工程特性来划分,而不应以时间的推移而改变。

目前认为C50以上

的混凝土为高强度,C100以上则为超高强混凝土。

70年后期,丹麦率先采用掺微硅粉（micro2silicafume,我国习称硅粉）制作高强混

凝土。

至80年代中期可制成C200以上的混凝土。

原先认为硅粉是惰性材料,在混凝土

内仅起填充作用（使混凝土密度增大而达到提高强度的作用,因为混

凝土强度近似地与其

密度成比例）,后来研究表明硅粉也有一定的活性。

密筋混凝土组合材料（compactrein2

forcedcomposite）的强度可达C400,因配筋率高达10%,甚至更高,其容重达40kN/

m3,则强度与容重比入达10000m,而一般软钢在4000〜5000m。

显然这项比率愈高愈

好;就这点而言,密筋混凝土是优于普通钢,对降低自重是有效的,而钢板焊接受焊缝的

制约,是受到限制的（80年代国际上只能焊到300mm厚钢板）,而密筋

混凝土的厚度则不受限制。

所以笔者基于对轻质高强”作广义理解，似应以入为指标。

国内也已进行过

密筋混凝土的试验研究［5］。

我校博士研究生在其学位论文中制成强度为369MPa的纤维加强水

泥基材料［6］。

因为

高强度混凝土都具有良好的工程特性，故往往将高强度与高性能混凝土通用。

实际高性能

混凝土的强度有时并不高。

日本在混凝土中掺大剂量的粉煤灰和矿渣粉（二者的掺量往往

各高于水泥用量）。

这种混凝土的流动性极好，不能用坍落度衡量而以流动直径来量测。

它不需振捣而可在模板内自流动填实，结硬后密实地好，而耐久性亦高。

因为硅粉价格高，我国发展高强度混凝土的途径可能采用双掺技术，即

掺部分硅粉和部

分粉煤灰（欧州也有这样做的）。

1993年法国BouyguesCorporation研制成活性粉末混凝土（recactivepowdercon2

crete,RPC［7,8］）。

这种混凝土为水泥基材料，系由水泥、硅粉、细砂、石英粉、高效塑化剂等组份组成，其质量配合比，例如第一次制作的为

1:

0.325:

1.43:

0.3:

0.027加水（0.28-0.26）

和钢纤维（0.2），这一配比可制成一种非常密实的混凝土，在凝结前和

凝结期间（通常在拌和

后6-12h）[8]加压，其强度可达200MPa（在90C热水中养护3天）〜300MPa（在tmax=90°C

的低压蒸汽中养护）。

达到这一强度水平是由于[8]:

⑴去除粗骨料，改进了配合料的匀质性；

⑵仔细选择各种粉状物的粒径，颗粒尺寸在0.gm到1mm之间，改善了颗粒材料的堆积密

度；⑶在凝结前和凝结期间对混凝土的加压，消除夹杂在混凝土中的

空气和大部分伴随水化

反应引起的化学收缩；⑷凝结后通过热处理，改变了生成的水化物的性质；⑸由于材料的脆

性，需掺入细而短的钢纤维（直径0.15〜0.2mm，长12〜13mm）改善了材料的延性。

当活性粉末混凝土采用干热（400C）时抗压强度可达到800MPa[7]。

当活性粉末混凝土除抗压强度高之外，还具有一系列优点：

对RPC200

和RPC800其

抗折强度可分别达60和140MPa，断裂能可达40000和2000J.m-2,弹性模量达60和75GPa;

对正常混凝土、高性能混凝土和活性粉末混凝土的对比试验表明：

氯

离子扩散顺次为

1.1、0.6和0.021®-12m2.s-1碳化深度为10、2和0mm;冻融剥落为>1000,900和7g.cm-2;

磨耗系数为4.0、2.8和1.3［8］。

对强度这样高的混凝土，暂尚未定名，是

否可将C300以上混凝土姑名之为特高强/特

高性能混凝土？

”

高强度混凝土的应力一应变曲线如图1

所示,达应力峰值时相应应变£0随强度的提

高而增大，这和文献［9］中介绍的结论是一致

的。

左边为普通强度混凝土截面面积为10.35m2和混凝土体积为

0.67m3/m2面板面积，而用

RPC则分别为3.55m2和0.23m3/m2,可见节约材料很多。

为了在实践中建造RPC结构，在加拿大摄布鲁克（Sherbrooke，东南部城市,与美

国相邻近）考虑修建一座60m长双梁（梁截面积为200®00mm2）预制RPC实验性三

轮摩托和人行桥。

结构的纵向预应力是用两梁间延伸的索完成的，在

板内还设置一些单根

后张钢绞线以保证荷截的适当分布。

桥全宽4.2m,板厚40mm［7］。

80年代国外采用碳纤维乱向掺入混凝土内以加强混凝土。

80年代早

期在伊拉克首次

大规模用碳纤维加强轻混凝土（比重为1.0,蒸压养护）建造纪念馆圆顶和预制用瓦罩面

的板材［10］。

1973年起美国在用离心法生产电杆时，钢纤维不是与混凝土拌和在

—起而是由一种

计算机控制的自动化机器喷射在混凝土层里，不用振捣而纤维的分布具有一定的方向性

（与构件轴成i20°角）［1］。

钢纤维是向直径细和长度短的方向发展，因直径粗为了锚

固,必需有足够长度，这不利于混凝土的拌和。

80年代初长度很多为50mm,后来都在

20mm以内，荷兰生产的钢纤维有长6mm,直径为0.15mm的，因直径细，为了防止可

能锈蚀镀了一层铜。

国内外都采用塑料纤维或玻璃丝乱向掺入混凝土以加强混凝土，因它

们不致像钢筋那

样在侵蚀性环境中容易锈蚀，但它们又必需能抵抗混凝土的碱性侵

蚀,如对玻璃丝需采用

耐碱玻璃制成或采用低碱的矶士水泥混凝土（价格较高）。

80年代国外已采用经过催化的乙烯醚树脂浴

（catalyzedvinyleesterresinbath）将

玻璃丝制成塑料筋

（fiberglassreinforcedplasticreinforcingbar,FRP）以代替钢筋,已

在化学和废水处理厂、海堤、浮船坞以及水下结构中得到应用。

此外这种筋优越的绝缘性

质使它们可用于那些结构中，在此电荷磁场将对钢筋引起有害的影

响,例如变电所电阻器

座、机场跑道、医院和实验室等。

但FRP筋将不适合用于可能遭受

高温大火的场合。

虽

然现代化塑料在-68—+107C（-90〜+225F）范围内具有优越的温度稳定性，当温

度超过204C（400°）,FRP筋抗弯强度显著降低。

因此在建筑和桥梁中应用时温度效应

要求特殊考虑，但如在基础、挡墙、钻墩和斜坡面板、路面和人行道等中应用是非常有生

命力的。

实际FRP筋在这些应用中具有明显超过钢筋的优点，因为当混凝土是对着土壤

浇筑时,这种筋的优越抗腐蚀性能较钢筋在混凝土中保护层厚度获得

显著降低。

此外，上

述多种类型结构并不经受大的弯曲挠度，因此FRP筋低的抗弯刚度和其它构件不同而不

是一项重要的因素。

在制造过程中，略为扭转的玻璃丝绞线是通过催化乙烯（基）醚树脂浴引出的，然后仔细校直并通过一加热钢模拉出使除去多余的树脂而制造出所需要的直径，最后筋的组成大致分30%热固的（thermosetting）树脂和70%玻

璃丝。

一条玻璃丝

沿筋缠绕成螺旋形以造成最后刻痕表面而提供混凝土对钢筋”的握

固强度,这和温度高

低有关，对各个制造者提供的钢筋”材料有明显变化，而没有标准的

应力一应变图。

但

是典型的受拉应力一应变图几乎到破坏点都为线性的。

抗拉强度大约

为690〜IIOOMPa,

高于一般钢筋的强度，但抗拉弹性模量在40〜70MPa,这明显低于钢的。

虽然FRP筋强

度高于普通钢筋，但它不能在很多场合下代替钢筋，因其受拉弹性模量仅为钢筋的1/4。

除强度外低的弹性模量将影响挠度和裂缝宽度参数［11］。

高强

FRP筋在混凝土中适当的锚

固也需特别注意［12］。

.此外国外还采用芳纶纤维（aramidfiber）和碳纤维筋（AFRP和

CFRProds）,一

项试验表明＜5.7筋的极限强度分别为3000MPa和2250MPa，弹性模量则分别为125〜

130GPa和12