钢筋混凝土的发展及其现状

钢筋混凝土的发展及其现状

长沙理工大学

摘要：钢筋混凝土从19世纪中叶开始采用以来，至今仅有一百多年的历史，其发展极为迅速。钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料组成的共同受力的结构。钢筋混凝土结构的材料制造、计算理论及施工技术等方面都已经历了很大的发展并且还在继续向前发展。钢筋混凝土结构是水利水电工程中最基本的结构形式。

关键词：钢筋混凝土结构，耐久性能，裂缝，腐蚀，试验技术。

1、钢筋混凝土结构的发展简史

我国在1876年开始生产水泥，逐渐有了钢筋混凝土建筑物。全国的混凝土年产量据2002年统计就已达到了15亿立方米，建筑用钢材达3000万t，占世界的首位。已建成的上海金茂大厦，地上88层，地下3层，建筑高度420.5m;采用预应力混凝土结构的上海电视塔，主体结构高350m，塔高468m;外形美丽的上海杨浦大桥，全长7658m，主桥为双塔双锁面钢筋混凝土与钢叠合斜拉桥结构，主桥跨径602m;三峡升船机上闸首结构全长125m，墩墙高44m，航槽宽18m，设计水头34m，校核水头39.4m，是目前世界上最大的预应力混凝土坞式结构。

钢筋混凝土结构的材料制造、计算理论及施工技术等方面都已经经历了很大的发展，并且还在继续向前发展。

在材料研究方面，主要向高强、高流动性、自密实、轻质、耐久及具备特意性能方面的混凝土发展。目前轻骨料混凝土已在工程上应用。各种轻质混凝土、绿色混凝土、纤维混凝土、聚合物混凝土、耐腐蚀混凝土、微膨胀混凝土、水下不分散混凝土以及品种繁多的外加剂在工程中的应用和发展，已使大跨度结构、高层建筑、高耸结构和具备某种特殊性能的钢筋混凝土结构的建造成为现实。另外，有专家预计，到21世纪末纤维混凝土的性能得到极大的改善。

采用高强度的材料，是发展钢筋混凝土结构的主要途径。目前我国建筑结构安全度总体上低于欧美发达国家，但材料用量并没有相应降低。这是因为就全国而言，我国建筑工程上采用的钢筋和混凝土平均强度等级，均低于欧美发达国家。

欧美发达国家较高的安全度是建立在较高强度材料的基础上的，而我国较低的安全度是由于采用的材料强度偏低。为此，用于工业与民用建筑的混凝土结构设计规范已将混凝土强度等级由C60提高到C80，对普通的钢筋混凝土结构优先推广HRB400钢筋，对预应力沪宁图结构优先推广高强钢丝和刚绞线。

在计算理论方面，钢筋混凝土结构经历了容许应力法、破损阶段法和极限状态法三个阶段。目前国内大多数混凝土结构设计规范已经采用基于概率理论和数理统计分析的可靠度理论，它以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计，使极限状态计算体系在理论上向更完善、更科学的方向发展。但由于水利水电工程中大多数荷载还无法得出可靠地统计参数，因而也有学者与工程设计人员认为，目前在水利水电工程设计中应用可靠度理论尚不够成熟。

混凝土的损伤和断裂、混凝土的强度理论、混凝土非线性有限单元法和极限分析的计算理论等方面也有很大发展。有限单元法和现代测试技术的应用，使得钢筋混凝土结构的计算理论和设计方法正在向更高的阶段发展。

在结构和施工方面，随着预拌混凝土、泵送混凝土及滑模施工新技术的应用，已显示出它们在保证混凝土质量、节约原材料和能源、实现文明施工等方面的优越性，所以我国目前工业与民用建筑中广泛采用现浇整体式结构。采用预先在模板内填实粗骨料，再将水泥浆用压力灌入粗骨料空隙中形成的压浆混凝土，以及用于大体积混凝土结构、公路路面与厂房地面的碾压混凝土，它们的浇筑过程都采用机械化施工，浇筑工期可大为缩短，并能节约大量材料，从而获得经济效益。值得注意的是，近年来钢混组合结构、外包钢混凝土结构及钢管混凝土结构已经在工程中逐步推广应用。这些组合结构具有充分利用材料强度、较好的适应变形能力、施工教简单等特点。在预应力混凝土结构中，横向张拉技术是一种值得推广的施工方法，它既不需要锚具，也不需要灌浆。另外，缓粘结预应力混凝土不需要后续灌浆，避免了后张法预应力混凝土结构灌浆不密实的问题，从而可保证质量，也是值得推广的技术。

2.概述

混凝土是现代工程结构的主要材料，我国每年混凝土用量约九亿立方米，钢筋用量约2000万吨。规模之大，耗资之巨居世界前列。经测算，我国工程建设

中仅混凝土结构每年耗资2000亿元以上。可以预见，钢筋混凝土是我国今后相当长时期内的一种重要的工程结构材料。

a.材料特性混凝土是水泥与骨料的混合物。当加入一定量水分的时候，水泥水化形成微观不透明晶格结构从而包裹和结合骨料成为整体结构。通常普通混凝土拥有较强的抗压强度（大约3,000 磅/平方英寸, 35 Mpa）。但是混凝土的抗拉强度较低，通常只有抗压强度的十分之一左右，任何显著的拉弯作用都会使其微观晶格结构开裂和分离从而导致结构的破坏。而绝大多数结构构件内部都有受拉应力作用的需求，故未加钢筋的混凝土极少被单独使用于工程。

相较混凝土而言，钢筋抗拉强度非常高，一般在200MPa以上，故通常人们在混凝土中加入钢筋等加劲材料与之共同工作，由钢筋承担其中的拉力，混凝土承担压应力部分。例如在图2简支梁受弯构件中，当施加荷载P时，梁截面上部受压，下部收拉。此时配置在梁底部的钢筋承担拉力(4)，而上部阴影区所示混凝土(2)承受压力(3)。在一些小截面构件里，除了承受拉力之外，钢筋同样可用于承受压力，这通常发生在柱子之中。钢筋混凝土构件截面可以根据工程需要制成不同的形状和大小。同普通混凝土一样，钢筋混凝土在28天后达到设计强度。

b.工作原理钢筋混凝土之所以可以共同工作是由它自身的材料性质决定的。首先钢筋与混凝土有着近似相同的线膨胀系数，不会由环境不同产生过大的应力。其次钢筋与混凝土之间有良好的粘结力，有时钢筋的表面也被加工成有间隔的肋条（称为变形钢筋）来提高混凝土与钢筋之间的机械咬合，当此仍不足以传递钢筋与混凝土之间的拉力时，通常将钢筋的端部弯起180 度弯钩。此外混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，在钢筋表面形成了一层蚀化保护膜，使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易腐蚀。

c.选用钢筋的规格和种类钢筋混凝土中的受力筋含量通常很少，从占构件截面面积的1%（多见于梁板）至6%（多见于柱）不等。钢筋的截面为圆型。在美国从0.25至1英尺，每级1/8英尺递增；在欧洲从8至30毫米，每级2毫米递增；在中国大陆从3至40毫米，共分为19等。在美国，根据钢筋中含碳量，分成40钢与60钢两种。后者含碳量更高，且强度和刚度较高，但难于弯曲。在腐蚀环境中，电镀、外涂环氧树脂、和不锈钢材质的钢筋亦有使用。

在潮湿与寒冷气候条件下，钢筋混凝土路面、桥梁、停车场等可能使用除冰