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1.3 混凝土结构的发展概况

1824年亚斯普丁发明了波特兰水泥,此后大约在19 世纪50 年代,钢筋混凝土开始被用来建造各种简单的楼板、柱、基础等。随着生产的需要,促进了人们对钢筋混凝土性能的实验,开展计算理论的探讨和施工方法的改进,进入20世纪以后,钢筋混凝土结构有了较快的发展,许多国家陆续建造了一些建筑、桥梁、码头和堤坝。20 世纪30 年代,钢筋混凝土开始应用于空间结构,如薄壳、折板,期间预应力混凝土结构也得到了广泛的研究与应用。

混凝土结构在19世纪初期开始得到应用,它与石、砖、木、钢结构相比是相当年轻的,但是在这短短的100多年中,作为一种土木工程材料,在土木工程各个领域取得了飞速的发展和广泛的应用。到1910年,德国混凝土委员会、奥地利混凝土委员会、美国混凝土学会、英国混凝土学会等相继建立,从而促进了混凝土理论和应用的明显进步。到1920年就已先后建造了许多混凝土建筑物、桥梁和液体容器,开始进入了直线形和圆形预应力钢筋混凝土结构的新时代。

从计算理论上看,最初混凝土结构的内力计算和截面承载力设计都是按照弹性方法进行的。到了20世纪30年代,截面设计方法由弹性计算法改进为按破损阶段计算法。20世纪50年代,随着对钢筋混凝土的进一步研究和生产经验的积累,以及将数理统计方法用于结构设计中,于是出现了极限状态设计法。

自从1824年波特兰水泥问世,19世纪80年代美国人杰克逊应用预应力混凝土制作建筑配件,后又制作楼板,初步奠定钢筋混凝土在建筑工程中的应用基础。1903年,美国在辛辛那提建成了世界第一幢混凝土结构高层建筑——英格尔大楼(Ingalls Building),第一次世界大战期间(1914—1918年)混凝土结构多用在多层建筑基础和楼板中。第二次世界大战以后,重建城市的任务十分繁重,必须加快建设速度,于是加快了钢筋混凝土结构工业化施工方法的发展,工厂生产的预制构也得到了较广泛的应用,由于混凝土和钢筋材料强度不断提高,钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的应用范围也在不断向大跨和高层发展。目前,钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构已应用到土木工程的各个领域,成了一种主要的土木工程结构。第二次世界大战以后,由于世界钢材短缺,混凝土结构才得到了大规模的发展。20世纪50年代混凝土建筑最高修建到20层,1958年即修建到38层,1962年达到50层,1968年又达到70层(美国芝加哥的湖岬大厦),这时混凝土结构进入快速发展时期,从这个时期开始混凝土结构在土木工程的各个领域开始大量使用,大量的混凝土多高层建筑、各式混凝土结构桥梁隧道、大坝出现在世界各地。另外,德国修建的预应力轻骨料混凝土飞机库屋盖结构跨度达90 m;日本浜名大桥,采用预应力混凝土箱形截面桥梁跨度超过240 m;俄罗斯和加拿大分别建成了533 m及549 m高的预应力混凝土电视塔。所有这些都显示了近代钢筋混凝土结构设计和施工水平日新月异的迅速发展。

钢筋和混凝土均向高强度发展。工程上已大量使用了C80~C100强度等级的混凝土,而试验室配置出的最高强度已达266 N/mm 2 。国外预应力钢筋趋向于采用高强度、大直径、低松弛钢材。如热轧钢筋的屈服强度达到600~900 N/mm 2 。为了减轻自重,各国都在发展各种轻质混凝土,如加气混凝土、陶粒混凝土等,其重力密度一般为14~18 kN/m 3 ,强度可达50 N/mm 2 。为了改善混凝土的工作性能,国内外正在研究和应用在混凝土中加入掺合料以满足各种工程的特定要求,如纤维混凝土、聚合物混凝土等。在工程实践方面,国外在建筑工业化方面发展较快,已从一般的构件标准设计向工业化建筑体系发展。推广梁板合一、墙柱合一的结构,如盒子结构体系、大型壁板体系等。工程应用上,目前,美国芝加哥水塔广场大厦是世界上混凝土最高建筑,76层、总高262 m;我国广州国际大厦是目前普通混凝土最高建筑,62层(地下2层),总高197.2 m;休斯敦贝壳广场大厦是轻骨料混凝土世界最高建筑,52 层,总高215 m。

我国从1889年才开始有了水泥工业,1908年在上海建造的电话公司大楼是中国最早的钢筋混凝土框架结构。从20世纪初到新中国成立前,我国的混凝土结构发展速度慢,使用量少。1949年新中国成立后,混凝土结构才在建筑工程和土木工程中得到广泛应用,特别是从20世纪80年代以后,混凝土结构进入黄金发展期,到目前,我国成为世界上水泥产量、混凝土用量最多的国家;在我国出现了世界上数量最多的钢筋混凝土高层建筑,数量最多、长度最长的混凝土桥梁,数量巨大的混凝土码头、隧道和大坝;由于混凝土结构使用量的快速增加,也促进了混凝土结构计算理论、实验技术和施工技术的快速发展。

我国在20世纪50年代初期,钢筋混凝土的计算理论由按弹性方法的允许应力的计算法过渡到考虑材料塑性的按破损阶段设计法。随着科学研究的深入和经验的积累,于1966年颁布了按多系数极限状态计算的设计规范。1970年起又提出了单一安全系数极限状态设计法,1991年我国又颁布了近似全概率的可靠度极限状态设计法,此后国家规范经过了几次修改,“5.12”汶川地震,混凝土结构经受了强烈地震的考验,大量按照国家不断修改的最新规范设计混凝土结构在超过设计地震作用的情况下没有倒塌,甚至破坏轻微。说明,我国混凝土结构设计理论和设计方法是基本正确可行的,但是,在地震中也发现了一些设计方法和构造设计不合理的地方;另外,随着技术发展,混凝土材料强度、钢筋质量和强度都有很大的发展和提高,随着经济发展,人们对混凝土结构设计的可靠度提出了更高的要求,近年来,在高强高性能方面和混凝土耐久性方面取得了很大的进展,使混凝土结构设计理论和方法又上了一个新的台阶。

从材料方面,我国在工程上已大量使用了C80~C100 强度等级的混凝土,而试验室配置出了更高强度混凝土。预应力钢筋趋向于采用高强度、大直径、低松弛钢材1860 N/mm 2 。热轧钢筋全面使用设计强度达到400~500 N/mm 2 。为了改善混凝土的工作性能,国内正在研究和应用在混凝土中加入掺合料以满足各种工程的特定要求,如纤维混凝土、聚合物混凝土等。 A5v6UkfbXzdz9DIyWX9o4f/y+K9hRMy8uY7fHB02Lk0TP88qBk85qdN7AkhRoCAE

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