我国混凝土结构的发展

1、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2

2、426日召开第24次会议，论题为“21sCenturyConcrete&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

3、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

4、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。现代三力学”（这是笔者这样称谓的）即断裂力学”、损伤力学”和微观力学”34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

5、。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（micro2silicafume,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（compactrein2forcedcomposite）的强度可达C400,因配筋率高达10%,甚至更高,其容重达40k

6、N/m3，则强度与容重比入达10000m，而一般软钢在4000-5000m。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，似应以入为指标。国内也已进行过密筋混凝土的试验研究5。我校博士研究生在其学位论文中制成强度为369MPa的纤维加强水泥基材料6。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

7、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，而耐久性亦局。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BouyguesCorporation研制成活性粉末混凝土（recactivepowdercon2crete,RPC7,8）。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

8、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衽90c热水中养护3天）300MPa（在tmax=90C的低压蒸汽中养护）。达到这一强度水平是由于8:（1医除粗骨料，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0.1pm到1mm之间，改善了颗粒材料的堆积密度；（3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；（4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（400C）时抗压强度

9、可达到800MPa7。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0.0210-12m2,s-1碳化深度为10、2和0mm;冻融剥落为1000,900和7g.em-2;磨耗系数为4.0、2.8和1.38。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？”。高强度混凝土的应力一应变曲线如图1所示，达应力峰值时相应应变随强度

10、的提高而增大，这和文献9中介绍的结论是一致的。左边为普通强度混凝土截面面积为10.35m2和混凝土体积为0.67m3/m2面板面积，而用RPC则分别为3.55m2和0.23m3/m2，可见节约材料很多。为了在实践中建造RPC结构，在加拿大摄布鲁克（Sherbrooke，东南部城市，与美国相邻近）考虑修建一座60m长双梁（梁截面积为200彩00mm2）预制RPC实验性三轮摩托和人行桥。结构的纵向预应力是用两梁间延伸的索完成的，在板内还设置一些单根后张钢绞线以保证荷截的适当分布。桥全宽4.2m，板厚40mm7。80年代国外采用碳纤维乱向掺入混凝土内以加强混凝土。80年代早期在伊拉克首次大规模用碳纤

11、维加强轻混凝土（比重为1.0，蒸压养护）建造纪念馆圆顶和预制用瓦罩面的板材10。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（与构件轴成受0角）1。钢红绳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

12、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矶士水泥混凝土（价格较高）。80年代国外已采用经过催化的乙烯醍树脂浴（catalyzedvinyleesterresinbath）#玻璃丝制成塑料筋(fiberglassreinforcedplasticreinforcingbar,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+107C(-90+225

13、F)范围内具有优越的温度稳定性，当温度超过204C(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)醍树脂浴引出的，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

14、组成大致分30%热固的(thermosetting)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，而没有标准的应力一应变图。但是典型的受拉应力一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11。高强FRP筋在混凝土中适当的锚固也需特别注意12。.此外国外还采用芳纶

15、纤维(aramidfiber)和碳纤维筋(AFRP和CFRProds),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13,14。无粘结预应力筋可以是有单护套和双护套的。图3示VTCMM体系VT德文Vorspann-Technik预应力技术;CMM表示CompactMulti-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

16、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14。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，再浇筑混凝土彳寺混凝土结硬后卸载,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1。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，结硬后放张月长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30m跨的预弯梁白试验研究16。原T形（实为工形

17、，但下翼缘宽度较小）梁的截面尺寸及后浇混凝土如图4所示,图中设置在梁腹板两侧、将横向张拉的24S15预应力钢绞线是未张拉前的位置（这时钢绞线为平直的，一般（自）锚固在第一阶段浇筑的梁两端的混凝土内），横向张拉后被压”至下面，即设计受力的位置。梁下6S15钢绞线为非预应力的，第一次浇筑在混凝土梁内。试验表明这样构造的预弯梁能满足设计要求。这一30m跨预弯梁应用于红梢房7孔30m跨的公路桥，桥宽14.25m采用7根梁组成。片。经比较仅材料费用，每根梁节约2158元。此外荣经大桥（6孔、16.8m跨）的扩宽工程中还采用了预弯箱梁16。对钢结构，在施工中现在国内也较普遍地采用整体提升就位的方法。在装配

18、式结构中，构件是采用吊装的，但限于起重设备的起重量，吊装构件的尺寸往往不能太大。我国曾采用顶升和提升的方法将尺寸大的扁壳提升和顶就位。此外我国还广泛采用开板结构。工业化建房方法无疑是发展的方向。60年代国外（主要在罗马尼亚）曾采用盒子式结构，即将一个房间制成有四方墙壁和顶板的结构，整体吊装。这样将构成双墙，显得笨重，以后不再采用。但70年代丹麦采用的盒子结构，厚度则很薄，如墙厚仅50mm17。北欧还采用倒L形构件构成楼板和一方墙，而美国Anderson体系，除四方墙外才娄板则根据需要为四面、三面或二面挑出以构成另一房间的楼板部分；这时将没有双墙1。国外采用大起重量高塔吊，80年代后期起重能力已

19、达250000kNm,高度达140m（图6）18。中小型预制桥梁，自整个吊装。图7示我国铁道建筑科研院设计、紫荆关桥梁厂制造的我国新一代140型铁路架桥机在京九复线架设32m预应力混凝土工形梁的情景，它具有空中自动对梁系统，可直接自动进行桥梁对位减少了导链移梁工序，即减轻了架桥工人的劳动强度，又提高50%工效19。对大型桥梁，国外也有采用整体吊装的，如丹麦大海带桥西桥连续箱梁，每跨110m共6联，每联1100m采用设计能力为73000kN的浮吊1，在海上预应力混凝土吊装就位，每根梁重57300kN。浮吊是在船上设置4台起重机构成。梁的连续接头设在跨中，因此处剪力小。1624m东桥钢箱梁悬索桥引

20、桥原设计方案之一为124m跨的预应力M凝土箱梁，每根重64000kN，后改为193m跨的钢箱梁，故没有采用这样大的浮吊。该桥主跨桥塔高254m是目前世界上最高的混凝土桥塔（日本明石海峡桥塔高287.2m为钢结构）。3高层建筑由于城市的发展，用地紧张，在黄金地段”不得不建造高层建筑，因此高层建筑越来越高。美国高层建筑与都市居住小区理事会（由IABSE、ASCE等9大国际学术组织组成）于1986年公布的世界最高100幢高层建筑最低为207m;1991年公布的最低为218m，而1997年公布的则为227m20;1986年公布的美国占78幢，这次则剩59幢20。美国高层建筑发展滞后的原因之一可能是经济

21、效益差，前些年的统计表明高层建筑亏损居多,如Sears塔楼每年亏损4000万美元。文献20列出的世界100幢最高的高层建筑中我国大陆（3）、香港（3）和台湾共有8幢。据1996年底统计，我国大陆建成的20层及以上的高层在8000幢以上14。目前我国已建成的金茂大厦（图8）,高420.5m为钢和钢筋混凝土混合结构，居世界高层建筑的第3位。世界前10位如图9所示。图9世界最高的10幢高层建筑我国将建成的深圳格赛广场大厦（图10）,高291.6m，采用钢管混凝土结构，是世界上最高的钢管混凝土结构高层结构21。图8金茂大厦图10深圳格赛广场大厦图11香港中环广场大厦在1997年的上述统计中，将马来西亚

22、石油双塔作为2幢，这样金茂大厦将居第4位。在3次统计中纽约世贸中心亦作为2幢。如将石油双塔楼作为一幢，则第10位为美国芝加哥印第安纳标准石油办公楼(AmocoBuild2ing),1973年建成,高346m，钢结构。在文献20中石油双塔为用混合材料建造。该塔楼采用混凝土内芯(墙)/混凝土圆筒体系，即承侧力结构为用混凝土建筑，故一般认为系混凝土结构，而楼面(板梁体系)米用钢结构。现将前10位混凝土结构20胪列如下：1.马来西亚石油双塔楼,高452m;2.香港中环广场大厦(1992)(图11),高374m22;3.广州中天广场大厦(1997)，高322m;4.曼谷Baiyoke塔楼II(1997)

23、，高320m;5.芝加哥双咨询大楼(1990),高303m;6.平壤柳京饭店(RyugyongHotel,1995)，高300m;7.芝加哥311南威克旅游中心(1990)，高293m;8.美国夏洛特国家银行合作中心(1992)高265m;9.阿特兰大SunTrustPlaza(1992)高265m;10.芝加哥水塔广场大厦(1976),高262m。4桥4.1拱桥我国已建成跨度100m及以上的石拱桥10座，它们都属世界纪录，因为原世界纪录为德国1903年建成的Plauen和Syratal桥，跨长为90m23。跨度为120m的湖南乌巢河双肋石拱桥已列入1996年吉尼斯世界纪录大全p.9624。在

24、建的太原河南焦作高速公路上的石拱桥跨度已达146m。可见我国石拱桥建设屡创辉煌。1990年我国建成的宜宾金沙江钢筋混凝土拱桥，跨度为240m,是中承式拱桥世界纪录。这一纪录为1996年建成的广西邕宁邕江桥（图12）所突破，其跨度为312m23,25,是用钢管混凝土作骨架浇成混凝土箱形截面的，钢管不外露，因此视为劲性钢筋混凝土。图12邕宁邕江桥图13318国道四川万县桥1997年建成的318国道上的四川万县桥（图13）,也是用钢管混凝土作骨架浇成三室单箱截面的，为上承式拱桥26,它超过1980年建成的原南斯拉夫第二大城、现克罗地亚首都萨格列布附近跨度为390m的KRKII号桥（邻接的中间有一小岛

25、I号桥跨度为244m）而跃居世界第一1,23。1995年建成的贵州江界河桥，跨度为330m是我国工程师们创造的一种新型桥桁式组合拱桥27。当支座能承受负弯矩时，将拱钱移至跨中距支座a的适当位置处在拱中间形成两较，拱跨度减小为122a该桥a取84m，即中间拱跨度为162m,中间74m为实腹段。自可大大节约。该桥是采用预制构件建造，由支座向跨中逐步安装，中间校采用双竖杆在上部断开构成。桥的上、下弦为三室单箱截面，竖杆及斜杆都为两个分离箱构成。对上弦和斜杆均施加预应力270。图14示已建成的江界河桥。因为国外无这种桥型，它自属世界纪录。1997年建成的广西三岸邕江桥（图15）31,32为钢管混凝土桁

26、式中承式拱桥，其中钢管为暴露在外的，跨度为270m。它是世界上跨度最大的钢管混凝土拱桥。可以认为我国混凝土拱桥建设暂居世界领先地位。图14330m江界河桁式组合桥图15三岸邕江桥4.2刚架桥我国虎门大桥系由东引桥、主桥（跨度为880m悬索桥）、中引桥、辅航道桥和西引桥组成，其中辅航道桥跨度达270m,为两座单桥组成，都为单室单箱预应力混凝土连续刚构桥（图16）30,33,34L行车道宽14.25m，于1997年7月建成通车，它跨长超过跨度同为260m的澳大利亚门道桥和挪威的Varodd桥而成为预应力混凝土刚构桥的世界纪录。1999年11月挪威建成两座刚构桥，它们是Stolmasundet（在A

27、ustevoll岛）和Raftsundet桥35,36（在Lofoten岛）（Sundet在挪文中为海峡，它们分别称Stoma和Raft海峡桥），跨度分别为301m和298m,这时辅航道桥退居第三。图17示建设中的Stolma海峡桥，图18和图19分别示该桥的纵立面和横截面。桥墩柱为空心截面，纵横向尺寸（外包）为5000潟200mm。在Selbjrm一侧壁厚分别为1050和700mm。在Stoma一侧为了提供沿桥轴向以必要的柔度，横向壁厚采用700mm，而纵向采用200300mm与承重壁用20mm宽的缝分开。悬臂自重约相当于在柱处剪力的90%,因此优化自重很重要，为此在跨度中间182m内采用L

28、C60级轻混凝土，而桥的其余部分采用C65混凝土。图20示建成的、主跨为298m的Raft海峡桥，其立面和截面分别示于图21和图22。桥的大部分采用C65混凝土，但由于跨度不等，在298m跨中224m范围内采用轻混凝土LC60。桥墩采用C45混凝土。4.3斜拉桥如所周知，1993年1月建成通车的上海杨浦组合（混凝土面板与钢加劲大梁共同工作）斜拉桥,在主跨跨度为856m的法国诺曼第桥（主跨为钢箱形截面，侧跨为预应力混凝土箱梁，两边各伸入主跨内116m而构成混合型斜拉桥1）,于1995年1月18日通车前，杨浦桥为斜拉桥世界纪录。日本890m跨的Tatara桥（钢）于1999年建成后，它又将退于第二

29、位。1996年我国建成的重庆长江二桥，为预应力混凝土斜拉桥，主跨444m,居世界第2位（仅次于主跨为530m的挪威Skarnsundet桥，即Skarn海峡桥）。在建的武汉军山预应力混凝土斜拉桥跨度为480m。最近我国在福州附近建成的三县洲预应力混凝土独塔单索面（所谓单索面，实际一般是将很多根索布置在桥面中部靠近的两个面内）桥（图23）37,最大跨度为238m,超过1987年建成的世界独塔单索面预应力混凝土斜拉桥纪录的重庆石门桥（具最大跨为230m）而居世界第一，因为1985年建成的美国东亨迁顿预应力混凝土斜拉桥（最大跨为274m）,虽为独塔，但系双索面，而跨度达366m、美国预应力混凝土阳光

30、斜拉桥，虽为单面索，但为双塔1。将于2000年2月建成通车的台湾高屏线（高雄一屏东线）独塔斜拉桥，其跨度分布如斜拉索在桥面横截面中心相互平行，索与塔顶和沿箱梁中心的吊环连接。所有索均施加预应力以减小索的垂度并保持初始的和要求的形状。图26示高屏斜拉桥在建设中。以上介绍的都为公路斜拉桥。从上可见我国斜拉桥建设已进入国际先进行列。我国铁路预应力混凝土斜拉桥跨度最大的为1981年建成的广西红水河桥,主跨度为96m1,而南美阿根廷和巴拉圭界河Parana河上预应力混凝土斜拉桥主跨为330m（1986）,1997年建成的香港汲水门公铁两用斜拉桥主跨跨度为430m,超过日本九洲四国联络线上的两座主跨为420m的相邻的柜石和岩黑二座公铁两用钢斜拉桥（1988年）成为世界纪录1,39,40件跨为490m的丹麦Oresund（sund在丹文中为海峡，即为O