PAGE4/NUMPAGES4鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)

張允飛，馬先云，羅鵬，任柯宇

陳立陽，宋磊成，黃潤康，姚琨

（中國石油大學華東土木工程1303）

結(jié)構(gòu)背景及發(fā)展

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)背景：

混凝土是由水泥、沙子、石子和水按一定的比例拌和而成。凝固后堅硬如石，受壓能力好，但受拉能力差，容易因受拉而斷裂（圖a）。為了解決這個矛盾，充分發(fā)揮混凝土的受壓能力，常在混凝土受拉區(qū)域內(nèi)或相應部位加入一定數(shù)量的鋼筋，使兩種材料粘結(jié)成一個整體，共同承受外力。這種配有鋼筋的，稱為鋼筋混凝土（圖b）。鋼筋混凝土粘結(jié)錨固能力可以由四種途徑得到：①鋼筋與混凝土接觸面上化學吸附作用力，也稱膠結(jié)力。②混凝土收縮，將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生摩擦力。③鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機械咬合作用，也稱咬合力。④鋼筋端部加彎鉤、彎折或在錨固區(qū)焊接短鋼筋、焊角鋼來提供錨固能力。

混凝土發(fā)展歷程

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應用在建筑工程中。1849年，法國人J.L.朗姆波和1867年法國人J.莫尼埃先后在鐵絲網(wǎng)兩面涂抹水泥砂漿制作小船和花盆。1884年德國建筑公司購買了莫尼埃的專利，進行了第一批鋼筋混凝土的科學實驗，研究了鋼筋混凝土的強度、耐火性能，鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。1886年德國工程師M.克嫩提出鋼筋混凝土板的計算方法。與此同時，英國人W.D.威爾金森提出了鋼筋混凝土樓板專利；美國人T.海厄特對混凝土梁進行試驗；法國人F.克瓦涅出版了一本應用鋼筋混凝土的專著。

各國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范采用的設計方法有容許應力設計法、破壞強度設計

法和極限狀態(tài)設計法。在鋼筋混凝土出現(xiàn)的早期，大多采用以彈性理論為基礎的容許應力設計法。在本世紀30年代后期，蘇聯(lián)開始采用考慮鋼筋混凝土破壞階段塑性的破壞強度設計法；1950年，更進一步完善為極限狀態(tài)設計法，它綜合了前面兩種設計方法的優(yōu)點，既驗算使用階段的容許應力、容許裂縫寬度和撓度，也驗算破壞階段的承載能力，概念比較明確，考慮比較全面，已為許多國家和國際組織的設計規(guī)范所采用。

鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程：

中國雖然早期在鐵結(jié)構(gòu)方面有卓越的成就，但由于2000多年的封建制度的束縛，科學不發(fā)達，因此，長期停留于鐵制建筑物的水平。直到19世紀末，我

國才開始采用現(xiàn)代化鋼結(jié)構(gòu)。新中國成立后，鋼結(jié)構(gòu)的應用有了很大的發(fā)展，不論在數(shù)量上或質(zhì)量上都遠遠超過了過去。在設計、制造和安裝等技術方面都達到了較高的水平，掌握了各種復雜建筑物的設計和施工技術，在全國各地已經(jīng)建造了許多規(guī)模巨大而且結(jié)構(gòu)復雜的鋼結(jié)構(gòu)廠房、大跨度鋼結(jié)構(gòu)民用建筑及鐵路橋梁等，我國的人民大會堂鋼屋架，北京和上海等地的體育館的鋼網(wǎng)架，陜西秦始皇兵馬傭陳列館的三鉸鋼拱架和北京的鳥巢等。

輕鋼結(jié)構(gòu)的樓面由冷彎薄壁型鋼架或組合梁、樓面OSB結(jié)構(gòu)板，支撐、連接件等組成。所用的材料是定向刨花板，水泥纖維板，以及膠合板。在這些輕質(zhì)樓面上每平方米可承受316?365公斤的荷載。邁特建筑輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的樓面結(jié)構(gòu)體系重量僅為國內(nèi)傳統(tǒng)的混凝土樓板體系的四分之一到六分之一，但其樓面

的結(jié)構(gòu)高度將比普通混凝土板高100?120毫米。

以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu)，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。鋼材的特點是強度高、自重輕、整體剛性好、變形能力強，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜；材料勻質(zhì)性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學的基本假定；材料塑性、韌性好，可有較大變形，能很好地承受動力荷載；建筑工期短；其工業(yè)化程度高，可進行機械化程度高的專業(yè)化生產(chǎn)。鋼結(jié)構(gòu)今后應研究高強度鋼材，大大提高其屈服點強度；此外要軋制新品種的型鋼，例如

H型鋼（又

稱寬翼緣型鋼）和T形鋼以及壓型鋼板等以適應大跨度結(jié)構(gòu)和超高層建筑的需要。

另外還有無熱橋輕鋼結(jié)構(gòu)體系，建筑本身是不節(jié)能的，本技術用巧妙的特種連接件解決了建筑的冷熱橋問題；小桁架結(jié)構(gòu)使電纜和上下水管道從墻里穿越，施工裝修都方便；無比節(jié)能是世界上唯一的一家以冷彎薄壁型鋼建7層住宅

的建筑體系。

鋼結(jié)構(gòu)下游行業(yè)對鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展具有較大的牽引和驅(qū)動作用，它們的需

求變化直接決定了行業(yè)未來的發(fā)展狀況。

結(jié)構(gòu)特點

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特點：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由鋼筋和混凝土兩種材料組成，共同受力的結(jié)構(gòu)?

混凝土是一種抗壓能力較強而抗拉能力很弱的建筑材料，這就使得素混凝土結(jié)構(gòu)的應用受到很大的限制?一般來說,在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土主要承擔壓力，鋼筋主要承擔拉力，必要時也可承擔壓力?因此，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，兩種材料的力學性能都能得到充分的利用?鋼筋和混凝土這兩種材料的物理力學性能很不相同，但能結(jié)合在一起工作，

其主要原因是：①由于鋼筋和混凝土有良好的粘接力，能牢固的粘接成整體。兩

者不致產(chǎn)生相對滑動。02鋼筋與混凝土的線膨脹系數(shù)接近相等，當溫度變化時，這兩種材料不致產(chǎn)生相對的溫度變形而破壞它們之間的結(jié)合。

鋼筋混凝土還有以下優(yōu)點：

(1)耐久性好在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋因受到混凝土的保護而不易銹蝕，且混凝土的強度隨時間有所增長，因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在一般環(huán)境下是經(jīng)久耐用，不像鋼，木結(jié)構(gòu)那樣需要經(jīng)常的保養(yǎng)和維修。

(2)強度較高和磚、木結(jié)構(gòu)相比，其強度較高，特別是高強混凝土的應用，在某些情況下可以代替鋼結(jié)構(gòu)，因而能節(jié)約鋼材。

(3)整體性好目前廣泛采用的現(xiàn)澆整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，整體性好，有利于抗震及抗爆。

(4)可模性好鋼筋混凝土可根據(jù)設計需要澆制成各種形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)，尤其適合建造外形復雜的大體積結(jié)構(gòu)及空間薄壁結(jié)構(gòu)和空心樓板等。這一點

是磚石、木結(jié)構(gòu)所不能代替的。

(5)耐火性好混凝土是不良導熱體，遭火災時，由傳熱性較差的混凝土作為鋼筋的保護層，在普通的火災下不致使鋼筋達到變形點的溫度而導致結(jié)構(gòu)的整體破壞。因此，其耐火性能比鋼、木結(jié)構(gòu)好。

(6)就地取材鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中所需要的沙、石材料一般可就近或就

地取材，因而材料運輸費用減少，可以顯著降低工程造價。

（7）節(jié)約鋼材鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)合理的發(fā)揮了材料各自的優(yōu)良性能，在

一定范圍內(nèi)可以代替鋼結(jié)構(gòu)，從而節(jié)約大量鋼材并降低造價。

但是，事物總是一分為二的，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也存在一些缺點，主要有：

（1）自重大這對于建造大跨度結(jié)構(gòu)及高層抗震結(jié)構(gòu)是不利的，但隨

著輕質(zhì)、高強混凝土、預應力混凝土和鋼混凝土的組合應用，這一矛盾得到緩解。

（2）施工比較復雜，工序多，施工時間長泵送混凝土和大模板的應用，施工時間大大縮短。冬天和雨期施工比較困難，必須采用相關的施工措施才能保證質(zhì)量。但當采用預裝配式構(gòu)件可加快施工速度，施工不受季節(jié)、氣候的影響，從而緩解這一矛盾。

（3）抗裂性差普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用時往往帶裂縫工作，這

要求不出現(xiàn)裂縫結(jié)構(gòu)很不利，如水池、儲油罐等。因為裂縫的存在會降低抗?jié)B和抗凍能力，并會導致鋼筋的銹蝕，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)可控制裂縫，從而控制或者改善裂縫狀況。

（4）修補和加固工作困難但隨著纖維加固、鋼板加固等技術的發(fā)展和環(huán)氧樹脂堵縫技術的應用，這一困難已經(jīng)減少。

由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點，因而在房屋建筑、地下結(jié)構(gòu)、水工、港

口、海工、橋梁、道路和特種結(jié)構(gòu)等工程得到了廣泛的應用。

鋼結(jié)構(gòu)特點：

鋼是一種鐵碳合金，其中還含有其它的微量元素。相對于鐵，鋼的碳含量不超過2%

在18世紀末19世紀初，鐵作為結(jié)構(gòu)部件開始被廣泛利用。1776年到1779年建，英國完成了世界首座鑄鐵橋梁。而到了19世紀初，馬修?博爾頓和詹姆斯?瓦特則成為了世界上講鑄鐵應用到建筑物中的第一人。鑄鐵被應用到19世

紀某些有重要意義的建筑中，其中包括1851年的倫敦世博會約瑟夫?帕格斯通為其設計建造的水晶宮，以及1889年為法國巴黎世博會設計建造的埃菲爾鐵塔。

鑒于其較高的強度和高彎曲度、幾號的延展性和多能性等特點，如見鋼鐵

已經(jīng)成為制造和建筑業(yè)中應用最廣泛的材料之一。它擁有其他金屬共有的主要特征，如特有亮度、高密度，較高的熱電傳導性，相當大的力學阻力抗壓、抗拉伸和抗剪切力，并且具有一定的變形能力來延緩折斷。

鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點：

1)鋼材的抗拉、抗壓抗剪強度相對來說比較高，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面小、自重小可以減少

運輸和吊裝費用，基礎的負載也相應的較少。

2)鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延伸性和抗震性，尤其在高烈度地震區(qū)，使用鋼結(jié)構(gòu)就更為有

利。

3)結(jié)構(gòu)占有面積較小，實際上是增加了使用面積。

4)施工速度快，采用鋼結(jié)構(gòu)可為施工提供較大的空間和較為寬敞的施工作業(yè)面。

5)鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量容易保證，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般都在工廠里面制造、加工，

精度咼。

6)鋼結(jié)構(gòu)建筑在使用過程中易于改造，如加固、截稿、擴大樓面等內(nèi)

部分割。

7)鋼結(jié)構(gòu)可以做成大跨度、大空間，形成較為寬敞的無柱空間，敞式

的大平面辦公室，工業(yè)廠房和倉庫等是最常見的空間形式。

建筑用剛才種類：

1)碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼是最普通的工程用鋼，其中碳是形成鋼材強度的主要元素，直

接影響剛才的可焊性。

2)低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。在煉鋼的過程中，加入一些合金元素，如釩、鈮、鈦和鎳等，其

總含量不超過5%勺剛才，可以使鋼的強度明顯提高，使鋼結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性

西廂主要控制指標得以充分的發(fā)揮。

3)耐候鋼。在鋼的冶煉過程中，加入少量的CuP、Cr、Ni等，可以使金屬基體表面上

形成保護層，以提高鋼材耐大氣腐蝕性能。

4)耐火剛。

5)橋梁用結(jié)構(gòu)鋼其它鋼材。

施工工藝

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工：