我国混凝土结构发展及典型案例分析.doc

混凝土结构发展和典型实例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Our World in Concrete St ruct ures 学术会议, 1999 年8月24 26 日召开第24 次会议, 论题为“21st Cent ury Concrete & St ruct ures ”。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1 。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 , CA G) 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。“断裂力学”、“损伤力学”和“微观力学”对混凝土的应用。混凝土结构的应用范围在多方面的拓宽, 其尺度不断向高、长、大方向发展。下面仅就材料、施工、高层建筑、桥梁、大坝和特种结构进行些具体介绍。2 新材料、新工艺和新施工方法的研究和应用高强混凝土应以工程特性来划分, 而不应以时间的推移而改变。目前认为C50 以上的混凝土为高强度, C100 以上则为超高强混凝土。70 年后期, 丹麦率先采用掺微硅粉(micro2silica f ume , 我国习称硅粉) 制作高强混凝土。至80 年代中期可制成C200 以上的混凝土。原先认为硅粉是惰性材料, 在混凝土内仅起填充作用(使混凝土密度增大而达到提高强度的作用, 因为混凝土强度近似地与其密度成比例) , 后来研究表明硅粉也有一定的活性。密筋混凝土组合材料(compact rein2forced composite) 的强度可达C400 , 因配筋率高达10 % , 甚至更高, 其容重达40kN/m3 , 则强度与容重比达10000m , 而一般软钢在40005000m。显然这项比率愈高愈好; 就这点而言, 密筋混凝土是优于普通钢, 对降低自重是有效的, 而钢板焊接受焊缝的制约, 是受到限制的(80 年代国际上只能焊到300mm 厚钢板) , 而密筋混凝土的厚度则不受限制。所以笔者基于对“轻质高强”作广义理解, 似应以为指标。国内也已进行过密筋混凝土的试验研究 。因为高强度混凝土都具有良好的工程特性, 故往往将高强度与高性能混凝土通用。实际高性能混凝土的强度有时并不高。日本在混凝土中掺大剂量的粉煤灰和矿渣粉(二者的掺量往往各高于水泥用量) 。这种混凝土的流动性极好, 不能用坍落度衡量而以流动直径来量测。它不需振捣而可在模板内自流动填实, 结硬后密实地好, 而耐久性亦高。因为硅粉价格高,我国发展高强度混凝土的途径可能采用双掺技术,即掺部分硅粉和部分粉煤灰(欧州也有这样做的) 。1993年法国Bouygues Corporation 研制成活性粉末混凝土( recactive powder con2crete , RPC 。这种混凝土为水泥基材料,系由水泥、硅粉、细砂、石英粉、高效塑化剂等组份组成,其质量配合比,例如第一次制作的为1 :0. 325 :1. 43 :0. 3 :0. 027 ,加水(0. 28 - 0. 26)和钢纤维(0. 2) ,这一配比可制成一种非常密实的混凝土,在凝结前和凝结期间(通常在拌和后6 - 12h) 8 加压,其强度可达200MPa (在90 热水中养护3天) 300MPa (在tmax = 90 的低压蒸汽中养护) 。达到这一强度水平是由于:去除粗骨料,改进了配合料的匀质性;仔细选择各种粉状物的粒径,颗粒尺寸在0. 1m 到1mm 之间,改善了颗粒材料的堆积密度; 在凝结前和凝结期间对混凝土的加压,消除夹杂在混凝土中的空气和大部分伴随水化反应引起的化学收缩; 凝结后通过热处理,改变了生成的水化物的性质; 由于材料的脆性,需掺入细而短的钢纤维(直径0. 150. 2mm ,长1213mm) 改善了材料的延性。当活性粉末混凝土采用干热(400 ) 时抗压强度可达到800MPa 。当活性粉末混凝土除抗压强度高之外,还具有一系列优点:对RPC200和RPC800 ,其抗折强度可分别达60和140MPa ,断裂能可达40000和2000J . m - 2 ,弹性模量达60和75GPa ;对正常混凝土、高性能混凝土和活性粉末混凝土的对比试验表明:氯离子扩散顺次为1. 1、0. 6和0. 02 10 - 12m2 . s - 1 ;碳化深度为10 、2和0mm ;冻融剥落为 1000 ,900和7g. cm - 2 ;磨耗系数为4. 0、2. 8和1. 3 。对强度这样高的混凝土,暂尚未定名,是否可将C300 以上混凝土姑名之为“特高强/ 特高性能混凝土?”。1973 年起美国在用离心法生产电杆时, 钢纤维不是与混凝土拌和在一起而是由一种计算机控制的自动化机器喷射在混凝土层里, 不用振捣而纤维的分布具有一定的方向性(与构件轴成20角) 1 。钢纤维是向直径细和长度短的方向发展, 因直径粗为了锚固, 必需有足够长度, 这不利于混凝土的拌和。80 年代初长度很多为50mm , 后来都在20mm 以内, 荷兰生产的钢纤维有长6mm , 直径为0. 15mm 的, 因直径细, 为了防止可能锈蚀镀了一层铜。国内外都采用塑料纤维或玻璃丝乱向掺入混凝土以加强混凝土, 因它们不致像钢筋那样在侵蚀性环境中容易锈蚀, 但它们又必需能抵抗混凝土的碱性侵蚀, 如对玻璃丝需采用耐碱玻璃制成或采用低碱的矾士水泥混凝土(价格较高) 。 80 年代国外已采用经过催化的乙烯醚树脂浴(catalyzed vinyle ester resin bat h) 将玻璃丝制成塑料筋(fiberglass reinforced plastic reinforcing bar , FRP) 以代替钢筋, 已在化学和废水处理厂、海堤、浮船坞以及水下结构中得到应用。此外这种筋优越的绝缘性质使它们可用于那些结构中, 在此电荷磁场将对钢筋引起有害的影响, 例如变电所电阻器座、机场跑道、医院和实验室等。但FRP 筋将不适合用于可能遭受高温大火的场合。虽然现代化塑料在- 68 + 107 ( - 90 + 225F) 范围内具有优越的温度稳定性, 当温度超过204 (400F) , FRP 筋抗弯强度显著降低。因此在建筑和桥梁中应用时温度效应要求特殊考虑, 但如在基础、挡墙、钻墩和斜坡面板、路面和人行道等中应用是非常有生命力的。实际FRP 筋在这些应用中具有明显超过钢筋的优点, 因为当混凝土是对着土壤浇筑时, 这种筋的优越抗腐蚀性能较钢筋在混凝土中保护层厚度获得显著降低。此外, 上述多种类型结构并不经受大的弯曲挠度, 因此FRP 筋低的抗弯刚度和其它构件不同而不是一项重要的因素。在制造过程中, 略为扭转的玻璃丝绞线是通过催化乙烯(基) 醚树脂浴引出的, 然后仔细校直并通过一加热钢模拉出使除去多余的树脂而制造出所需要的直径, 最后筋的组成大致分30 %热固的( t hermoset ting) 树脂和70 %玻璃丝。一条玻璃丝沿筋缠绕成螺旋形以造成最后刻痕表面而提供混凝土对“钢筋”的握固强度, 这和温度高低有关, 对各个制造者提供的“钢筋”材料有明显变化, 而没有标准的应力应变图。但是典型的受拉应力应变图几乎到破坏点都为线性的。抗拉强度大约为6901100MPa ,高于一般钢筋的强度, 但抗拉弹性模量在4070MPa , 这明显低于钢的。虽然FRP 筋强度高于普通钢筋, 但它不能在很多场合下代替钢筋, 因其受拉弹性模量仅为钢筋的1/ 4。除强度外低的弹性模量将影响挠度和裂缝宽度参数 。高强FRP 筋在混凝土中适当的锚固也需特别注意 。此外国外还采用芳纶纤维(aramid fiber) 和碳纤维筋(AFRP 和CFRP rods) , 一项试验表明5. 7 筋的极限强度分别为3000MPa 和2250MPa ,弹性模量则分别为125130GPa 和121GPa ,这些值是按有效的纤维截面确定的12 。在日本、德国等国家用这些加强塑料筋作预应力筋已建造不少桥梁。1996年在日本茨城用AFRP 作预应力筋建造了一座长度为54. 5m 的悬索桥。无粘结预应力筋可以是有单护套和双护套的。图3示V T CMM 体系V T 德文Vorspann Technik ,预应力技术;CMM表示Compact Multi Mono ,紧密的多根和单根(钢绞线) 15 。我国也已较普遍采用无粘结预应力技术。国外在桥梁中较为广泛地采用预应力体外配筋,国内在房屋和桥梁中亦已采用。预弯预应力梁是采用工字钢在无应力状态下制成向上弯的构件,然后横向加载压使平直,再浇筑混凝土,待混凝土结硬后卸载,受预应力的工字钢将回弹使梁底受压,达到预应力效果。我国80年代中期在桥梁工程中即曾采用过这一工艺 。90年代初重庆交通学院提出对钢筋混凝土梁分两次施工,首先将梁中预应力钢筋两端浇入梁端混凝土内,然后用千斤顶在两点横向张拉使其弯折至设计位置而后将其浇入混凝土内,结硬后放张,张拉的预应力筋回弹使梁产生预应力。该工艺降低对张拉设备的要求。这一新设想可行性研究通过鉴定,接着进行了30