混凝土的发展49.docx
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混凝土的发展49
一、什么是混凝土
1、中文名称:
混凝土
英文名称:
concrete
定义1:
由胶凝材料(如水泥)、水和骨料等按适当比例配制,经混合搅拌,硬化成型的一种人工石材。
应用学科:
电力(一级学科);水工建筑(二级学科)
定义2:
由胶凝材料将骨料胶结成整体的工程复合材料的统称。
应用学科:
水利科技(一级学科);工程力学、工程结构、建筑材料(二级学科);建筑材料(水利)(三级学科)。
2、混凝土
混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。
它是由胶结材料,集料(也称为骨料)和水按一定比例配制,经搅拌振捣成型,在一定条件下养护而成的人造石材。
混凝土具有原料丰富,价格低廉,生产工艺简单的特点,因而使其用量越来越大。
同时混凝土还具有抗压强度高,耐久性好,强度等级范围宽等特点。
这些特点使其使用范围十分广泛,不仅在各种土木工程中使用,就是造船业,机械工业,海洋的开发,地热工程等,混凝土也是重要的材料。
二、混凝土的历史
1900年,万国博览会上展示了钢筋混凝土在很多方面的使用,在建材领域引起了一场革命。
法国工程师艾纳比克1867年在巴黎博览会上看到莫尼尔用铁丝网和混凝土制作的花盆、浴盆、和水箱后,受到启发,于是设法把这种材料应用于房屋建筑上。
1879年,他开始制造钢筋混凝土楼板,以后发展为整套建筑使用由钢筋箍和纵向杆加固的混凝土结构梁。
仅几年后,他在巴黎建造公寓大楼时采用了经过改善迄今仍普遍使用的钢筋混凝土主柱、横梁和楼板。
1884年德国建筑公司购买了莫尼尔的专利,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、耐火能力。
钢筋与混凝土的粘结力。
1887年德国工程师科伦首先发表了钢筋混凝土的计算方法;英国人威尔森申请了钢筋混凝土板专利;美国人海厄特对混凝土横梁进行了实验。
1895年——1900年,法国用钢筋混凝土建成了第一批桥梁和人行道。
1918年艾布拉姆发表了著名的计算混凝土强度的水灰比理论。
钢筋混凝土开始成为改变这个世界景观的重要材料。
混凝土可以追溯到古老的年代,其所用的胶凝材料为粘土、石灰、石膏、火山灰等。
自19世纪20年代出现了波特兰水泥后,由于用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性,而且原料易得,造价较低,特别是能耗较低,因而用途极为广泛(见无机胶凝材料)。
20世纪初,有人发表了水灰比等学说,初步奠定了混凝土强度的理论基础。
以后,相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土,各种混凝土外加剂也开始使用。
60年代以来,广泛应用减水剂,并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土;高分子材料进入混凝土材料领域,出现了聚合物混凝土;多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土。
现代测试技术也越来越多地应用于混凝土材料科学的研究。
三、混凝土的发展
混凝土结构的发展极为迅速,在改革开放20年的时间里我国发展极为迅猛,从新材料、新技术的研究、开发和推广应用,到工程结构的建造,取得了惊人的巨大成就,创造了一个个新的纪录。
有的已达到国际先进水平,或已进入国际先进行列,有的甚至暂居领先地位。
混凝土结构的应用范围日益扩大,无论从地上或地下,乃至海洋,工程构筑物很多用混凝土建造,因为它的耐久性和耐火性都较钢结构优越。
甚至有建议太空站也可采用在月球上烧制水泥和炼钢,在此制作预制构件运至太空装配,较在地球上用航天飞机往返(达45次)运输钢构件为经济。
新加坡每年8月份召开一次OurWorldinConcreteStructures学术会议,1999年8月24—26日召开第24次会议,论题为“21stCenturyConcrete&Structures”。
但无可否认,钢结构自重较轻,施工速度较快。
我国钢产量已连续3年超过亿吨。
在某些情况下,笔者认为经各方面比较,有的可能以采用钢结构为宜,包括采用劲性钢筋混凝土结构。
如所周知,混凝土结构发展经历了三个阶段,现已进入第四阶段。
根据学习,从较多方面考虑,对这一阶段的特征作出新的描述并结合最近工程资料,从材料、工艺、施工、高层建筑、桥梁和大坝以及特种结构予以简要举例说明。
1新阶段特征
新阶段的特征是:
进一步发展工业化体系如大模板现浇和大板体系。
高层建筑结构体系的发展,如框桁体系和外伸结构的采用。
在设计中引入概率方法。
由于计算机的发展和普及,在结构工程领域内引起深刻的改革和革命。
专家系统的采用;计算机辅助设计和绘图(CAD,CAG)的程序化,包括结构动态分析图形的描绘,因而改进了设计方法和提高设计质量,也减轻了设计工作量,提高了人的工作效率。
优化设计和施工的实际广泛应用,节约了建设投资。
振动台试验和拟动力试验以及风洞试验较普通地开展。
建筑和桥梁结构的主、被动抗震控制的实际应用。
计算机模拟试验大大减少了试验工作量,节约了大量人力和物力。
有限元法的广泛应用和计算模式研究的开展,以及其他数值计算方法的创立和发展。
结构机理包括破坏机理研究的加强;对复合应力的研究并结合实验结果提出各种强度理论。
因而产生了“近代混凝土力学”这一学科分支,并将逐步得到发展和完善。
工程结构的“移植”,如将桥梁中的斜拉结构应用于房屋建筑;及至创造新的结构形式,如创造出双拱架结构和桁式组合拱桥等;以及各学科间的相互渗透,如将有限元法应用于混凝土的微观研究。
工程材料微观研究的开展与加强,为材料强度和性能的不断提高创造了条件,新材料、新工艺和新施工方法的研究和开发。
模糊数学在抗震设计中的应用。
混凝土结构寿命的研究。
四、钢筋混凝土结构的发展经历的几个重要阶段
混凝土结构与砌体结构、钢结构、木结构相比,历史不长,但自19世纪中叶开始使用后,由于混凝土和钢筋材料性能的不断改进,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,目前已经广泛应用于工业和民用建筑、桥梁、隧道、矿井以及水利、海港等土木工程领域。
建筑用混凝土的发展简史可以追溯到古希腊、罗马时代,甚至可能在更早的古代文明中已经使用了混凝土及其胶结材料。
但直到1824年波特兰水泥的发明才为混凝土的大量使用开创了新纪元。
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。
第一阶段为钢筋混凝土小构件的应用,设计计算依据弹性理论方法。
1801年考格涅特发表了有关建筑原理的论著,指出了混凝土这种材料抗拉性能较差,到1850年法国的兰博特首先建造了一艘小型水泥船,并于1855年在巴黎博览会上展出。
接着法国的花匠莫尼尔在1867年制作了以金属骨架作配筋的混凝土花盆并以此获得专利。
后来康纳于1886年发表了第一篇关于混凝土结构的理论与设计手稿。
1872年美国人沃德建造了第一幢钢筋混凝土构件的房屋。
1906年特纳研制了第一个无梁平板。
从此钢筋混凝土小构件已进入工程实用阶段。
第二阶段为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。
1922年英国人狄森提出了受弯构件按破损阶段的计算方法。
1928年法国工程师弗来西奈发明了预应力混凝土。
其后钢筋混凝土与预应力混凝土在分析、设计与施工等方面的工艺与科研迅速发展,出现了许多独特的建筑物,如美国波士顿市的Kresge大会堂,英国的1951节日穹顶,美国芝加哥市的Marina摩天大楼,湖滨大楼等建筑物。
1950年苏联根据极限平衡理论制定了“塑性内力重分布计算规程”。
1955年颁布了极限状态设计法,从而结束了按破损阶段的设计计算方法。
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。
由于二战后许多大城市百废待兴,重建任务繁重。
工程中大量应用预制构件和机械化施工以加快建造速度。
继苏联提出的极限状态设计法之后,1970年英国,联邦德国,加拿大,波兰相继采用此方法。
并在欧洲混凝土委员会与国际预应力混凝土协会(CEB-FIP)第六届国际会议上提出了混凝土结构设计与施工建议,形成了设计思想上的国际化统一准则。
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。
电算的迅速发展使复杂的数学运算成为可能。
设计计算依据概率极限状态设计法。
概括为计算理论趋于完善,材料强度不断提高,施工机械化程度越来越高,建筑物向大跨高层发展。
我国的钢筋混凝土结构发展比较曲折,解放前几乎是空白,60年代边学习苏联的经验边完善提高,70年代自己动手搞科研,编规范;80年代规范的设计水准正力争赶上世界先进水平。
近30年来,我国在钢筋混凝土基本理论与计算方法、可靠度与荷载分析、单层与多层厂房结构、高层建筑结构、大板与升板结构、大跨度结构、结构抗震、工业化建筑体系、电子技术在钢筋混凝土结构中的应用和测试技术等方面取得了很多成果,为修订和制定有关规范和规程提供了大量的数据和科学依据。
编制出了国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB/T50068,《混凝土结构设计规范》GB50010-2001,;《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001);《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001);《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)等。
这些规范和规程积累了我国半个世纪以来丰富的工程实践经验和最新的科研成果,把我国混凝土结构设计方法提高到了当前的国际水平,它将在工程设计中发挥指导作用。
必将促进我国混凝土结构设计的进一步发展。
六、典型事例
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