任务一　基本概念

目　　标：（1）掌握钢筋混凝土结构基本概念。

（2）掌握钢结构基本概念。

（3）熟悉砌体结构基本概念。

提交成果：基本概念课程报告。

一、混凝土结构的基本概念

混凝土结构是以混凝土为主要材料制成的结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等。素混凝土结构是指由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构；钢筋混凝土结构是指由配置受力钢筋的混凝土制成的结构；预应力混凝土结构是指由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土制成的结构。

众所周知，钢筋和混凝土都是土木工程中重要的建筑材料。钢筋的抗拉和抗压强度都很高，破坏时表现出良好的变形能力。但细长的钢筋受压时极易失稳，强度得不到充分发挥，仅能作为受拉构件，同时钢筋的防锈能力差，价格较高；混凝土的抗压强度高而抗拉强度很低，一般抗拉强度只有抗压强度的1/20～1/8，受拉破坏时具有明显的脆性性质，破坏前无预兆，这就使得素混凝土结构仅能用于以受压为主的基础、柱墩和一些非承重结构，很少用作主要受力构件。但如果将钢筋和混凝土这两种材料按照合理的方式有机地结合在一起共同工作，可以取长补短，使钢筋主要承受拉力，混凝土主要承受压力，充分发挥它们的材料特性，并使得结构具有良好的变形能力。因此，工程中应用最为广泛的是钢筋混凝土和预应力混凝土结构。

（1）钢筋和混凝土两种材料的物理力学性能很不相同，但能够共同工作，其主要原因如下。

1）钢筋与混凝土之间存在有良好的黏结力，能牢固地形成整体，保证在荷载作用下，钢筋和外围混凝土能够协调变形，共同受力。

2）钢筋和混凝土两种材料的温度线膨胀系数接近。钢材为1.2×10-5/℃，混凝土为（1.0～1.5）×10-5/℃，因此当温度变化时，两者之间不会产生过大的相对变形导致它们之间的黏结力破坏。

3）钢筋至构件边缘的混凝土保护层起着防止钢筋锈蚀的作用，当混凝土保护层具有足够的密实性和厚度时，能够保证结构的耐久性，使钢筋与混凝土长期可靠地共同工作。使钢筋不容易发生锈蚀，且使其受压时不易失稳，在遭受火灾时不致因钢筋很快软化而导致结构整体破坏。因此，在混凝土结构中，钢筋表面必须留有一定厚度的混凝土作保护层，这是保持二者共同工作的必要措施。

在设计和施工中，钢筋的端部要留有一定的锚固长度，有的还要做弯钩，以保证可靠地锚固，防止钢筋受力后被拔出或产生较大的滑移；钢筋的布置和数量应由计算和构造要求确定。

（2）混凝土结构与其他结构相比，主要优点如下。

1）合理用材。能充分合理的利用钢筋（高抗拉性能）和混凝土（高抗压性能）两种材料的受力性能，结构的承载力与其刚度比例合适，基本无局部稳定问题。对于一般工程结构，经济指标优于钢结构。

2）耐久性好，维护费用低。在一般环境下，钢筋受到混凝土保护而不易发生锈蚀，而混凝土的强度随着时间的增长还有所提高，因而提高了结构的耐久性，不像钢结构那样需要经常地维修和保养。对处于侵蚀性气体或受海水浸泡的钢筋混凝土结构，经过合理地设计及采取特殊的防护措施，一般也可以满足工程需要。

3）耐火性好。混凝土是不良导热体，遭受火灾时，钢筋混凝土结构不会像木结构那样被燃烧，钢筋因有混凝土包裹而不至于很快升温至失去承载力的程度，这是钢、木结构所不能比拟的。

4）可模性好。混凝土可根据设计需要支模浇筑成各种形状和尺寸的结构，适用于建造形状复杂的结构及空间薄壁结构，这一特点是砌体、钢、木等结构所不具备的。

5）整体性好。现浇混凝土结构的整体性好，再通过合适的配筋，可获得较好的延性，有利于抗震、防爆；同时防辐射性能好，适用于防护结构；刚度大、阻尼大，有利于结构的变形控制。

6）易于就地取材。混凝土所用的大量砂、石产地普遍，易于就地取材。另外，还可有效利用矿渣、粉煤灰等工业废料。

（3）混凝土结构也存在一些缺点，主要如下。

1）自重大。钢筋混凝土的重度约为25kN/m3，比砌体和木材的重度都大。尽管比钢材的重度小，但结构的截面尺寸较大，因而其自重远远超过相同宽度或高度的钢结构，这对于建造大跨度结构和高层建筑结构是不利的。因此需要开发和研究轻质混凝土、高强混凝土和预应力混凝土。

2）抗裂性差。由于混凝土的抗拉强度较低，在正常使用时钢筋混凝土结构往往带裂缝工作，裂缝的存在会降低抗渗和抗冻能力，影响使用性能。在工作条件较差的环境下，如露天、沿海、化学侵蚀，会导致钢筋锈蚀，影响结构物的耐久性。采用预应力混凝土可较好地解决开裂问题，利用树脂涂层钢筋可防止因混凝土开裂而导致的钢筋锈蚀。

3）施工比较复杂，工序多。需要支模、绑钢筋、浇筑、养护、拆模，工期长，施工受季节、天气的影响较大。现浇钢筋混凝土使用模板多，模板材料耗费量大。

4）新老混凝土不易形成整体。混凝土结构一旦破坏，修补和加固比较困难。

二、钢结构的基本概念

钢结构主要是指由钢板、热轧型钢、薄壁型钢、钢管等构件组合而成的结构，它是土木工程的主要结构形式之一。目前，钢结构在房屋建筑、地下建筑、桥梁、塔桅、海洋平台中都得到广泛应用，这是由于钢结构与其他材料的结构相比，具有如下特点。

1.钢结构的优点

（1）建筑钢材强度高，塑性和韧性好。

1）强度高。钢与混凝土、木材相比，虽然密度较大，但其强度较混凝土和木材要高得多，其密度与强度的比值一般比混凝土和木材小，因此在同样受力的情况下，钢结构与钢筋混凝土结构和木结构相比，构件较小，重量较轻。适用于建造跨度大、高度高、承载重的结构。

2）塑性好，结构在一般的条件下不会因超载而突然断裂，只增大变形，故容易被发现。此外，尚能将局部高峰应力重分配，使应力变化趋于平缓。

3）韧性好，适宜在动力荷载下工作，因此在地震区采用钢结构较为有利。

（2）钢结构的重量轻。钢材容重大，强度高，但做成的结构却比较轻。结构的轻质性可用材料的密度ρ和强度f的比值α来衡量，α值越小，结构相对越轻。建筑钢材的α值在1.7×104～3.7×104/m之间；木材的α值为5.4×104/m；钢筋混凝土的α值约为18×104/m。以同样的跨度承受同样的荷载，钢屋架的重量最多不过为钢筋混凝土屋架的1/4～1/3。

（3）材质均匀，与力学计算的假定比较符合。钢材内部组织比较均匀，接近各向同性，可视为理想的弹-塑性体材料，因此，钢结构实际受力情况和工程力学计算结果比较符合，在计算中采用的经验公式不多，从而，计算的不定性较小，计算结果比较可靠。

（4）工业化程度高，工期短。钢结构所用材料皆可由专业化的金属结构厂轧制成各种型材，加工制作简便，准确度和精密度都较高。制成的构件可运到现场拼装，采用焊接或螺栓连接。因构件较轻，故安装方便，施工机械化程度高、工期短，为降低造价、发挥投资的经济效益创造条件。

（5）密封性好。钢结构采用焊接连接后可以做到安全密封，能够满足一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜油罐和管道等的要求。

（6）抗震性能好。钢结构由于自重轻和结构体系相对较柔，受到的地震作用较小，钢材又具有较高的抗拉和抗压强度以及较好的塑性和韧性，因此在国内外的历次地震中，钢结构是损坏最轻的结构，已公认为是抗震设防地区特别是强震区的最合适结构。

（7）耐热性较好。温度在200℃以内，钢材性质变化很小；当温度达到300℃以上时，强度逐渐下降；当温度达到600℃时，强度几乎为零。因此，钢结构可用于温度不高于200℃的场合。在有特殊防火要求的建筑中，钢结构必须采取保护措施。

2.钢结构的缺点

钢结构的下列缺点有时会影响钢结构的应用。

（1）耐腐蚀性差。钢材在潮湿环境中，特别在处于有腐蚀性介质的环境中容易锈蚀。因此，新建造的钢结构应定期刷涂料加以保护，维护费用较高。

目前国内外正在发展各种高性能的涂料和不易锈蚀的耐候钢，钢结构耐锈蚀性差的问题有望得到解决。

（2）耐火性差。钢结构耐火性较差，在火灾中，未加防护的钢结构一般只能维持20min左右。因此需要防火时，应采取防火措施，如在钢结构外面包混凝土或其他防火材料，或在构件表面喷涂防火涂料等。

（3）钢结构在低温条件下可能发生脆性断裂。钢结构在低温和某些条件下，可能发生脆性断裂，还有厚板的层状撕裂等，都应引起设计者的特别注意。

现在钢材已经被认为是可以持续发展的材料，因此从长远发展的观点，钢结构将有很好的发展前景。

三、砌体结构的基本概念

砌体结构是由块材和砂浆砌筑而成的墙，柱作为建筑物主要受力构件的砌体为主制作的结构。它包括砖结构、石结构和其他材料的砌块结构。分为无筋砌体结构和配筋砌体结构。砌体结构在我国应用很广泛。

1.砌体结构的优点

（1）容易就地取材。砖主要用黏土烧制；石材的原料是天然石；砌块可以用工业废料——矿渣制作，取材方便，价格低廉。

（2）砖、石或砌块砌体具有良好的耐火性和较好的耐久性。

（3）砌体砌筑时不需要模板和特殊的施工设备。在寒冷地区，冬季可用冻结法砌筑，不需特殊的保温措施。

（4）砖墙和砌块墙体能够隔热和保温，所以既是较好的承重结构，也是较好的围护结构。

2.砌体结构的缺点

（1）与钢筋混凝土相比，砌体的强度较低，因而构件的截面尺寸较大，材料用量多，自重大。

（2）砌体的砌筑基本上是手工方式，施工劳动量大。

（3）砌体的抗拉、抗剪强度都很低，因而抗震性能较差，在使用上受到一定限制；砖、石的抗压强度也不能充分发挥；抗弯能力低。

（4）黏土砖需用黏土制造，在某些地区过多占用农田，影响农业生产。