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混凝土结构发展展望兰祥勇

发表时间：2020/9/3 来源：《基层建设》2020年第11期作者：兰祥勇

[导读] 摘要：混凝土结构与其他结构相比，发展历史相对较短，但自19世纪中叶开始使用后，由于钢筋和混凝土材料性能的不断提升，结构理论、施工技术的进步使钢筋混凝土结构得到迅速发展，未来的世界将需要更加优质性能的混凝土。

        西南科技大学 621010
        摘要：混凝土结构与其他结构相比，发展历史相对较短，但自19世纪中叶开始使用后，由于钢筋和混凝土材料性能的不断提升，结构理论、施工技术的进步使钢筋混凝土结构得到迅速发展，未来的世界将需要更加优质性能的混凝土。
        关键词：混凝土；智能混凝土；历史；发展展望
        一.混凝土结构的定义及分类
        混凝土结构，是以混凝土为主制作的结构，包括素混凝结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等。混凝土是由胶凝材料(水泥)、水和粗、细骨料按适当比例配合，拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。普通的混凝土干表观密度为1900~2500kg/m3，是由天然砂、石作骨料制成的。当构件的配筋率小于混钢筋凝土中纵向受力钢筋最小配筋百分率时，则视为素混凝土结构。
        当在混凝土中配以适量的钢筋，则为钢筋混凝土。钢筋和混凝土这两种物理、力学性能差异很大的材料之所以能有效地结合在一起共同工作，主要靠两者之间存在粘结力，受荷后协调变形。
        预应力混凝土是在混凝土结构构件承受荷载之前，利用张拉配在混凝土中的高强度预应力钢筋而使混凝土受到挤压，所产生的预压应力可以抵消外荷载所引起的大部份甚至全部拉应力，也就提高了结构构件的抗裂度。
        二.混凝土结构的历史发展
        混凝土是由水泥、砂子、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。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。钢筋混凝土至今仅有160多年的历史。它的发展大致经历了四个不同的阶段[1]：第一阶段：钢筋混凝土小构件的应用设计，计算依据弹性理论方法。第二阶段：钢筋混凝土结构与预应力混凝土结构的大量应用，设计计算依据材料的破损阶段方法。第三阶段：为工业化生产构件与施工，结构体系应用范围扩大，设计计算按极限状态方法。第四阶段：由于近代钢筋混凝土力学这一新的学科的科学分支逐渐形成，以统计教学为基础的结构可靠性理论已逐渐进入工程实用阶段。
        在19世纪末20世纪初，我国也开始有了钢筋混凝土建筑物，如.上海市的外滩、广州市的沙面等，但工程规模很小，建筑数量也很少。解放以后，我国在落后的国民经济基础上进行了大规模的社会主义建设。随着工程建设的发展及国家进一步的改革开放，混凝土结构在我国各项工程建设中得到迅速的发展和广泛的应用。
        我国20世纪70年代起，在一般民用建设中已较广泛地采用定型化、标准化的装配式钢筋混凝土构件，并随着建筑工业化的发展以及墙体改革的推行，发展了装配式大板居住建筑，在多高层建筑中还广泛采用大模剪力墙承重结构外加挂板或外砌砖墙结构体系。各地还研究了框架轻板体系，最轻的每平方米仅为3~5kN。由于这种结构体系的自重大大减轻，不仅节约材料消耗，而且对于结构抗震具有显著的优越性。改革开放后，混凝土高层建筑在我国也有了较大的发展，80年代，高层建筑的发展加快了步伐，结构体系更为多样化，层数增多，高度加大，已逐步在世界上占据领先地位;目前国内最高的混凝土结构建筑是广州的中天广场，80层322m高，为框架——筒体结构；香港的中环广场达78层374m,三角形平面简中筒结构，是世界上最高的混凝土建筑；广州国际大厦63层199m,是80年代世界上最高的部分预应力混凝土建筑。
        三.混凝土结构的发展与应用
        随着混凝土结构制造技术的快速发展，它的应用也十分的广泛，主要有两个大的方向。
        在水利水电和农业水利工程中，因混凝土自重大，其材料织成中砂石所占比例大，易于就地取材等优点，故常用来建造拦水大坝（包括重力坝、拱坝、连拱坝等）、引水建筑物、输配水工程等。

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如我国长江三峡大坝，是目前世界上工程规模最大的水利水电工程，坝型为混凝土重力坝，坝顶总长3035m，坝顶高程185m，混凝土总浇筑约2794m3，正常蓄水位175m，总库容393亿m3，其中防洪库容221.5亿米。水电站共装机26台，单机容量70万kw，总容量1820万kw，年均发电量847亿度。左岸的通航建筑物，年单向通过能力5000万t，可通过万吨级船队。
        在桥梁工程建设方面，钢筋混凝土结构的应用也非常广泛，较为常见的结构形式有梁、拱、桁架等。一些大跨度桥梁虽已采用了悬索或钢斜拉结构，但其桥面也常常采用钢筋混凝土结构，1989年建成的涪陵岛江桥全长351.8m，主跨200m，拱结构，矢跨比1/4，是我国目前跨度最大的拱桥。在工业厂房、民用住宅、办公写字楼等房屋建筑工程中，钢筋混凝土结构的应用也十分普遍，如我国广州国际大厦（高200m，地上63层，地下2层）。世界上最高的钢筋混凝土结构楼房己接近300m，最高的钢筋混凝土楼房已达到332m，最高的预应力钢筋混凝土电视塔高达553m。对于某些有特殊要求的结构，钢筋混凝土结构的应用也很广泛，如核电站的安全壳和压力容器、飞机场跑道、海上采油平台以及港口工程等。
        四.混凝土结构的发展展望
        智能混凝土是在混凝土原有组分基础上添加复合智能型组分，使混凝土具有自我感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料[1]。根据这些特性可以有效地预告混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。
        未来蕴含于历史，针对现阶段混凝土出现的许多问题，将来的混凝土应用则需要高强度的高强混凝土，浇筑时流动性好的自密实混凝土，凝结速度快的速凝混凝土，耐久性好的耐久性混凝土，自重小的轻型混凝土，以及能够透气透水的透水混凝土。
        未来世界，智能混凝土的产生和发展将会成为一种趋势，混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用，疲惫效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。为了有效地避免突发事故的发生，延长结构的使用寿命，必须对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时进行修复，智能混凝土将是这些进行实时的健康监测的载体[3]。智能混凝土将拥有以下几种功能：
        (1)自诊断混凝土:自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。
        (2)自调节智能混凝土:自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。
        (3)自修复智能混凝土:混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的[4]。裂缝不仅会使其强度降低，而且空气中的C02、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵入混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，一旦混凝土发生裂缝，要想检查和维修都很困难。自修复混凝土就是应这方面的需要而产生的
        混凝土是一种建筑的原材料，它的价值在建筑行业里是最大的，因为只有它才是建筑的核心材料。没有混凝土的建筑如同没有了肉的生物。而智能混凝士是自感知和记忆、自适应、自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝上等一系列智能混凝土的相继出现，为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。混凝土可以帮助建筑物更好地固定,可以充分延长建筑物的使用寿命，增加它的强度，使得建筑在很长时间的使用中也不会出现大的问题。这就是混凝土的重要意义所在。
        参考文献
        [1]邓江涛.极限状态法与容许应力法在铁路桥梁设计应用中的差异性比较[J/OL].铁道标准设计:1-6[2020-07-01].
        [2]肖建庄,陈立浩,叶建军,蓝戊己,曾亮.混凝土结构拆除技术与绿色化发展[J].建筑科学与工程学报,2019,36(05):1-10.
        [3]孙建勋.智能混凝土技术[J].山西建筑,2015,41(24):115-116.
        [4]张济聪.浅谈混凝土裂缝产生原因及预防措施[J].建材与装饰,2020 (18):20-21.