钢结构与钢筋混凝土结构

钢筋混凝土结构与钢结构

张允飞，马先云，罗鹏，任柯宇

陈立阳，宋磊成，黄润康，姚琨

（中国石油大学华东土木工程1303）

结构背景及发展

钢筋混凝土结构背景：

混凝土是由水泥、沙子、石子和水按一定的比例拌和而成。凝固后坚硬如石，受压能力好，但受拉能力差，容易因受拉而断裂（图a）。为了解决这个矛盾，充分发挥混凝土的受压能力，常在混凝土受拉区域内或相应部位加入一定数量的钢筋，使两种材料粘结成一个整体，共同承受外力。这种配有钢筋的，称为钢筋混凝土（图b）。钢筋混凝土粘结锚固能力可以由四种途径得到：①钢筋与混凝土接触面上化学吸附作用力，也称胶结力。②混凝土收缩，将钢筋紧紧握固而产生摩擦力。③钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用，也称咬合力。④ 钢筋端部加弯钩、弯折或在锚固区焊接短钢筋、焊角钢来提供锚固能力。

混凝土发展历程

钢筋混凝土结构应用在建筑工程中。1849年，法国人J.L.朗姆波和1867 年法国人J.莫尼埃先后在铁丝网两面涂抹水泥砂浆制作小船和花盆。1884年德国建筑公司购买了莫尼埃的专利，进行了第一批钢筋混凝土的科学实验，研究了钢筋混凝土的强度、耐火性能，钢筋与混凝土的粘结力。1886年德国工程师M. 克嫩提出钢筋混凝土板的计算方法。与此同时，英国人W.D.威尔金森提出了钢筋混凝土楼板专利；美国人T.海厄特对混凝土梁进行试验；法国人F.克瓦涅出版了一本应用钢筋混凝土的专著。

各国钢筋混凝土结构设计规范采用的设计方法有容许应力设计法、破坏强度设计

法和极限状态设计法。在钢筋混凝土出现的早期，大多采用以弹性理论为基础的容许应力设计法。在本世纪30年代后期，苏联开始采用考虑钢筋混凝土破坏阶段塑性的破坏强度设计法；1950年，更进一步完善为极限状态设计法，它综合了前面两种设计方法的优点，既验算使用阶段的容许应力、容许裂缝宽度和挠度，也验算破坏阶段的承载能力，概念比较明确，考虑比较全面，已为许多国家和国际组织的设计规范所采用。

钢结构发展历程：

中国虽然早期在铁结构方面有卓越的成就，但由于2000多年的封建制度的束缚，科学不发达，因此，长期停留于铁制建筑物的水平。直到19世纪末，我

国才开始采用现代化钢结构。新中国成立后，钢结构的应用有了很大的发展，不论在数量上或质量上都远远超过了过去。在设计、制造和安装等技术方面都达到了较高的水平，掌握了各种复杂建筑物的设计和施工技术，在全国各地已经建造了许多规模巨大而且结构复杂的钢结构厂房、大跨度钢结构民用建筑及铁路桥梁等，我国的人民大会堂钢屋架，北京和上海等地的体育馆的钢网架，陕西秦始皇兵马佣陈列馆的三铰钢拱架和北京的鸟巢等。

轻钢结构的楼面由冷弯薄壁型钢架或组合梁、楼面OSB结构板，支撑、连接件等组成。所用的材料是定向刨花板，水泥纤维板，以及胶合板。在这些轻质楼面上每平方米可承受316?365公斤的荷载。迈特建筑轻钢结构住宅的楼面结构体系重量仅为国内传统的混凝土楼板体系的四分之一到六分之一，但其楼面

的结构高度将比普通混凝土板高100?120毫米。

以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。钢结构今后应研究高强度钢材，大大提高其屈服点强度；此外要轧制新品种的型钢，例如

H型钢（又

称宽翼缘型钢）和T形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。

另外还有无热桥轻钢结构体系，建筑本身是不节能的，本技术用巧妙的特种连接件解决了建筑的冷热桥问题；小桁架结构使电缆和上下水管道从墙里穿越，施工装修都方便；无比节能是世界上唯一的一家以冷弯薄壁型钢建7层住宅

的建筑体系。

钢结构下游行业对钢结构行业的发展具有较大的牵引和驱动作用，它们的需

求变化直接决定了行业未来的发展状况。

结构特点

钢筋混凝土结构特点：

钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料组成，共同受力的结构?

混凝土是一种抗压能力较强而抗拉能力很弱的建筑材料，这就使得素混凝土结构的应用受到很大的限制? 一般来说,在钢筋混凝土结构中，混凝土主要承担压力，钢筋主要承担拉力，必要时也可承担压力?因此，在钢筋混凝土结构中，两种材料的力学性能都能得到充分的利用?钢筋和混凝土这两种材料的物理力学性能很不相同，但能结合在一起工作，

其主要原因是：①由于钢筋和混凝土有良好的粘接力，能牢固的粘接成整体。两

者不致产生相对滑动。02钢筋与混凝土的线膨胀系数接近相等，当温度变化时，这两种材料不致产生相对的温度变形而破坏它们之间的结合。

钢筋混凝土还有以下优点：

(1)耐久性好在钢筋混凝土结构中，钢筋因受到混凝土的保护而不易锈蚀，且混凝土的强度随时间有所增长，因此，钢筋混凝土结构在一般环境下是经久耐用，不像钢，木结构那样需要经常的保养和维修。

(2)强度较高和砖、木结构相比，其强度较高，特别是高强混凝土的应用，在某些情况下可以代替钢结构，因而能节约钢材。

(3)整体性好目前广泛采用的现浇整体式钢筋混凝土结构，整体性好，有利于抗震及抗爆。

(4)可模性好钢筋混凝土可根据设计需要浇制成各种形状和尺寸的结构，尤其适合建造外形复杂的大体积结构及空间薄壁结构和空心楼板等。这一点

是砖石、木结构所不能代替的。

(5)耐火性好混凝土是不良导热体，遭火灾时，由传热性较差的混凝土作为钢筋的保护层，在普通的火灾下不致使钢筋达到变形点的温度而导致结构的整体破坏。因此，其耐火性能比钢、木结构好。

(6)就地取材钢筋混凝土结构中所需要的沙、石材料一般可就近或就

地取材，因而材料运输费用减少，可以显著降低工程造价。

（7）节约钢材钢筋混凝土结构合理的发挥了材料各自的优良性能，在

一定范围内可以代替钢结构，从而节约大量钢材并降低造价。

但是，事物总是一分为二的，钢筋混凝土结构也存在一些缺点，主要有：

（1）自重大这对于建造大跨度结构及高层抗震结构是不利的，但随

着轻质、高强混凝土、预应力混凝土和钢混凝土的组合应用，这一矛盾得到缓解。

（2）施工比较复杂，工序多，施工时间长泵送混凝土和大模板的应用，施工时间大大缩短。冬天和雨期施工比较困难，必须采用相关的施工措施才能保证质量。但当采用预装配式构件可加快施工速度，施工不受季节、气候的影响，从而缓解这一矛盾。

（3）抗裂性差普通钢筋混凝土结构在正常使用时往往带裂缝工作，这

要求不出现裂缝结构很不利，如水池、储油罐等。因为裂缝的存在会降低抗渗和抗冻能力，并会导致钢筋的锈蚀，影响结构的耐久性。采用预应力混凝土结构可控制裂缝，从而控制或者改善裂缝状况。

（4）修补和加固工作困难但随着纤维加固、钢板加固等技术的发展和环氧树脂堵缝技术的应用，这一困难已经减少。

由于钢筋混凝土结构具有很多优点，因而在房屋建筑、地下结构、水工、港

口、海工、桥梁、道路和特种结构等工程得到了广泛的应用。

钢结构特点：

钢是一种铁碳合金，其中还含有其它的微量元素。相对于铁，钢的碳含量不超过2%

在18世纪末19世纪初，铁作为结构部件开始被广泛利用。1776年到1779 年建，英国完成了世界首座铸铁桥梁。而到了19世纪初，马修?博尔顿和詹姆斯?瓦特则成为了世界上讲铸铁应用到建筑物中的第一人。铸铁被应用到19世

纪某些有重要意义的建筑中，其中包括1851年的伦敦世博会约瑟夫?帕格斯通为其设计建造的水晶宫，以及1889年为法国巴黎世博会设计建造的埃菲尔铁塔。

鉴于其较高的强度和高弯曲度、几号的延展性和多能性等特点，如见钢铁

已经成为制造和建筑业中应用最广泛的材料之一。它拥有其他金属共有的主要特征，如特有亮度、高密度，较高的热电传导性，相当大的力学阻力抗压、抗拉伸和抗剪切力，并且具有一定的变形能力来延缓折断。

钢结构建筑的特点：

1)钢材的抗拉、抗压抗剪强度相对来说比较高，钢结构构件断面小、自重小可以减少

运输和吊装费用，基础的负载也相应的较少。

2)钢结构具有良好的延伸性和抗震性，尤其在高烈度地震区，使用钢结构就更为有

利。

3)结构占有面积较小，实际上是增加了使用面积。

4)施工速度快，采用钢结构可为施工提供较大的空间和较为宽敞的施工作业面。

5)钢结构的质量容易保证，钢结构构件一般都在工厂里面制造、加工，

精度咼。

6)钢结构建筑在使用过程中易于改造，如加固、截稿、扩大楼面等内

部分割。

7)钢结构可以做成大跨度、大空间，形成较为宽敞的无柱空间，敞式

的大平面办公室，工业厂房和仓库等是最常见的空间形式。

建筑用刚才种类：

1)碳素结构钢。碳素结构钢是最普通的工程用钢，其中碳是形成钢材强度的主要元素，直

接影响刚才的可焊性。

2)低合金高强度结构钢。在炼钢的过程中，加入一些合金元素，如钒、铌、钛和镍等，其

总含量不超过5%勺刚才，可以使钢的强度明显提高，使钢结构的强度、刚度和稳定性

西厢主要控制指标得以充分的发挥。

3)耐候钢。在钢的冶炼过程中，加入少量的Cu P、Cr、Ni等，可以使金属基体表面上

形成保护层，以提高钢材耐大气腐蚀性能。

4)耐火刚。

5)桥梁用结构钢其它钢材。

施工工艺

钢筋混凝土结构施工：

浇筑前应对模板内的垃圾、泥土等杂物及钢筋上的油污清除干净，并经检查钢筋的水泥垫块是否垫好。如果使用木模板时应浇水使模板湿润，柱子模板的清扫口高水平在清除杂物后再封闭。剪力墙根部松散混凝土已剔除干净。

混凝土现场搅拌：自拌砼用于防止商品砼暂时供应不上的应急措施和零星砼的现场拌

制，原材料和配合比应与商品砼的保持一致。

1根据配合比确定的每盘（槽）各种材料用量及车辆重量，分别固定好水泥、砂、石各