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钢筋混凝土的应用及发展
      钢筋混凝土(Reinforced Concrete或Ferroconcrete或简写为rc),工程上常被简称为钢筋砼(tóng)。是指通过在混凝土中加入钢筋、 钢筋网、钢板或纤维与之共同工作来改善混凝土力学性质的一种组合材料,两者共同工作从而改善混凝土抗拉强度不足的力学性质,为混凝土加固的一种最常见形式。
 
      钢筋混凝土的发展已有160年的历史,发展速度很快。它的发明出现在近代,通常认为法国园丁约瑟夫·莫尼尔1849年发明钢筋混凝土,并于1867年取得包括钢筋混凝土花盆以及紧随其后应用于公路护栏的钢筋混凝土梁柱的专利。1872年,世界第一座钢筋混凝土结构的建筑在美国纽约落成,人类建筑史上一个崭新的纪元从此开始,此时钢筋混凝土还处于发明阶段,没有系统明确的理论支持。
 
      1880年第一批用圆钢配成的混凝土板做成。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。1892年配有箍筋的梁出现,1900年间接配筋的构件取得专利,钢筋混凝土结构在1900年之后在工程界方得到了大规模的使用,1906年法国颁布了第一个部级规范,1910年出现了薄壳,1928年一种新型钢筋混凝土结构形式预应力钢筋混凝土出现,并于二次世界大战后亦被广泛地应用于工程实践。钢筋混凝土的发明以及19世纪中叶钢材在建筑业中的应用使高层建筑与大跨度桥梁的建造成为可能。钢筋混凝土处于实践阶段,此时钢筋和混凝土强度比较低,计算理论套用弹性理论,构件较小,设计采用允许应力法。
 
      直至近些年,对钢筋混凝土的研究进入了改进阶段,材料强度有所提高,有了预应力结构,在计算理论上已考虑了材料的塑性,如板的塑性铰线理论,已开始以破损阶段计算破坏承载力。出现了高强混凝土和高强钢筋并得到广泛应用,采用了泵送混凝土,建造了高层建筑、大跨桥梁结构、和高耸结构,计算理论上充分考虑了钢筋和混凝土的塑性,设计计算方法上,实现了以概率论为基础的多系数表达的设计公式。
 
      由于混凝土的抗拉强度远低于抗压强度,因而素混凝土结构不能用于受有拉应力的梁和板。如果在混凝土梁、板的受拉区内配置钢筋,则混凝土开裂后的拉力即可由钢筋承担,这样就可充分发挥混凝土抗压强度较高和钢筋抗拉强度较高的优势,共同抵抗外力的作用,提高混凝土梁、板的承载能力。钢筋与混凝土两种不同性质的材料能有效地共同工作,是由于混凝土硬化后混凝土与钢筋之间产生了粘结力。它由分子力(胶合力)、摩阻力和机械咬合力三部分组成。其中起决定性作用的是机械咬合力,约占总粘结力的一半以上。将光面钢筋的端部作成弯钩,及将钢筋焊接成钢筋骨架和网片,均可增强钢筋与混凝土之间的粘结力。为保证钢筋与混凝土之间的可靠粘结和防止钢筋被锈蚀,钢筋周围须具有15~30毫米厚的混凝土保护层。若结构处于有侵蚀性介质的环境,保护层厚度还要加大。
 
      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钝化保护膜,使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易腐蚀。
 
      钢筋混凝土与钢、木和砌体结构相比,由于它在物理力学性能及材料来源等方面有许多优点,所以其发展速度很快,应用也最广泛。
 
      钢筋混凝土结构的优点有: 1、就地取材。沙、石是混凝土的主要成分,均可就地取材。在工业废料比较多的地方,可利用工业废料制成人造骨料用于混凝土结构;2、耐久性、耐火性好(与钢结构比较)。处于正常环境下的混凝土耐久性好,高强混凝土的耐久性更好。在混凝土结构中,钢筋受到保护不易锈蚀,所以混凝土结构具有良好的耐久性。对处于侵蚀性环境下的混凝土结构,经过合理设计及采取有效措施后,一般可满足工程需要。混凝土为不良导热体,埋置在混凝土中的钢筋受高温影响远较暴露的钢结构小。只要钢筋表面的混凝土保护层具有一定厚度,在发生火灾时钢筋不会很快软化,可避免结构倒塌;3、整体性好。现浇或装配整体式混凝土结构具有良好的整体性,从而结构的刚度及稳定性都比较好,这有利于抗震、抵抗振动和爆炸冲击波;4、可模性好。新拌和的混凝土为可塑的,因此可根据需要浇筑成各种性质和尺寸,适用于各种形状复杂的结构,如空间薄壳、箱形结构等。这有利于建筑造型;5、比钢结构节约钢材。钢筋和混凝土结构合理地利用了材料的性能,发挥了钢筋和混凝土各自的优势,与钢结构相比能节约钢材并降低造价。
 
      这些方面的综合效应的堆积,就会构成其总体效应的累加。正是因为这样的缘故,所以使得其使用性能更好。也是因为技术等相关方面的原因,所以现在它的性能推广也是体现在诸多的方面,非常的有针对性。
 
      钢筋混凝土结构也同样存在缺点:1、自重大。混凝土结构自身重力较大,这样它所能负担的有效荷载相对较小。这对大跨度结构、高层建筑结构都是不利的。另外,自重大会使结构地震力加大,故对抗震不利;2、混凝土抗拉强度较低,易裂,抗裂性差。钢筋混凝土结构在正常使用情况下构件截面受拉区通常存在裂缝,如果裂缝过宽,则会影响结构的耐久性和应用范围;3、需用模板,费工、费模板周期长。混凝土结构的制作需要模板予以成型。如采用木模板,则可重复使用的次数少,会增加工程造价。此外,混凝土结构施工工序复杂,周期较长,且受季节气候影响;对于现役混凝土结构,如遇损伤则修复困难;隔热隔声性能也比较差。
 
     随着科学技术的不断发展,在钢筋混凝土得到了广泛的应用,正在逐渐克服或改进其缺点,利用和发挥其优点,钢筋混凝土结构在土木工程中的应用范围极广,各种工程结构都可采用钢筋混凝土建造。建筑工程,建造了许多高层建筑和大跨度的建筑,在高层建筑和多层框架中大多采用混凝土结构。1996年建成的广州中信广场,80层,高391m,是世界上最高的钢筋混凝土建筑结构。在多层住宅中也广泛采用了混凝土一砌体混合结构;电视塔、水塔、水池、烟囱、筒仓等特殊构筑物也普遍采用了钢筋混凝土和预应力混凝土结构。此外,大跨度的建筑物采用了钢筋混凝土,主要为拱形的结构和壳体结构如澳大利亚的悉尼歌剧院。朝鲜平壤105层的柳京饭店高达319.8m,加拿大多伦多的预应力混凝土电视塔高达549m,是有代表性的钢筋混凝土高层建筑物和预应力混凝土构筑物。桥梁结构,钢、水泥、钢筋混凝土及预应力混凝土等人工材料在桥梁上的应用,是近现代桥梁的标志。在全部桥梁中,混凝土桥梁占绝大多数,据统计,1989年欧洲桥梁中混凝土桥梁占70%,美国混凝土桥梁占52%,我国混凝土桥梁占90%以上。特殊结构与高耸结构,道路、港口、水池、储藏等工程中,在电视塔,加拿大多伦多电视塔、莫斯科电视塔、天津电视塔、中央电视塔。水利及其他工程中。最近若干年来,钢筋混凝土结构在原子能工程、海洋工程和机械制造业的一些特殊场合,如反应堆压力容器、海洋平台、巨型运油船、大吨位水压机机架等,均得到十分有效的应用,解决了钢结构所难于解决的技术问题。
 
      现代工程混凝土除了必须满足工程设计的力学强度要求外,还应该具有良好的耐久性,以确保工程的安全性和长寿命。但是,越来越多的工程实践表明,混凝土的腐蚀破坏问题日见突出,许多混凝土工程尚未达到设计寿命就显现出各种病害,甚至发生严重事故。据统计,建筑、交通、公共设施的腐蚀损失,占到总腐蚀损失的一半以上。随着建筑物的老化和环境污染的加重,钢筋混凝土结构耐久性问题越来越引起国内外广大研究者的关注。
 

      混凝土和钢筋作为主要建筑材料,在工业、民用、运输和其他建筑物、构筑物的建造中起了很大作用。用混凝土和钢筋混凝土建造的建筑物和构筑物中的很大一部分,在使用期间常常受到腐蚀介质的侵蚀。如果建筑物在建造时对结构材料不采取或不实施防腐措施,则腐蚀性介质就可能损坏建筑结构,甚至使其丧失使用价值。这对于工业构造物尤为密切,因为在工业构筑物中,建筑结构直接与液态、气态等介质接触,或者被产品和生产中排放的废料所污染。在有色冶金、化学、纸浆及其他工业部门中,约有20-70%的构筑物常常受到腐蚀性介质的作用,并由此引起结构材料的腐蚀。同样,农业建筑物,它们会受到腐蚀性有机物的腐蚀。外部介质的腐蚀性越强,在建筑物进行设计、建造和使用时对其腐蚀作用考虑的越少,那么由腐蚀引起的结构损坏就越快和越深。