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引言
1.1混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土
混凝土是一种石质材料，它是由水泥、砂砾或其他骨料精心配制而成，而水则以水泥的形状和尺寸的形式硬化。理想的结构。这种材料的大部分由细集料和粗集料组成。水泥和水通过化学作用将集料颗粒结合成固体质量。除了这种化学反应所需的额外水外，还需要额外的水，使混合物具有工作能力，使其能够填充形式并包围嵌入的增强钢，在硬化之前。通过适当调整组成材料的比例，可以得到各种性质的混凝土。特殊水泥(如高早期强度水泥)、特殊集料(如各种轻质或重量级集料)、外加剂(如增塑剂、引气剂、二氧化硅)烟，粉煤灰)，和特殊的固化方法(如蒸汽固化)，可以获得更广泛的性质。
这些性能在很大程度上取决于混合物的比例，各种组分混合的透气性，以及混合物从放入混合物的那一刻起保持湿度和温度的条件 直到它完全变硬为止。放置后控制条件的过程称为固化。 为防止意外生产不合标准的混凝土，在整个过程中需要高度熟练的控制和监督，从单个组分的重量配比，混合和放置到固化完成。
使混凝土成为通用建筑材料的因素非常明显，几千年来，它已经以比现在更为原始的种类和方式被使用，从克里特岛，塞浦路斯，希腊的12,000至6000年的石灰砂浆开始，和中东地区。这种设备虽然可以用塑料制成，但它可以用来填充几乎任何实际形状的模板或模具，这些都是这些因素之一。其高火和耐候性是明显的优势。除了水泥和添加剂之外，大多数构成材料通常可以在当地以低成本获得，或者在距建筑工地很小的距离处获得。它的抗压强度与天然宝石相当，抗压强度高，适用于主要承受压缩的构件，如柱子和拱门。另一方面，与天然石材一样，它是一种相对脆性材料，其抗拉强度与其抗压强度相比较小。这样可以防止其在经受全部（例如拉杆）或部分横截面（例如横梁或其他弯曲构件）中的拉伸的结构构件中经济地使用。
为了抵消这个限制，在十九世纪下半叶发现可能使用具有高抗拉强度的钢筋来加固混凝土，主要是在那些低十分强度会限制构件承载能力的地方。钢筋通常是带有适当表面变形以提供互锁的圆形钢筋，在混凝土之前放置在模板中。当被硬化的混凝土块完全包围时，它成为构件的组成部分。由两种材料（称为钢筋混凝土）组合而成的钢筋混凝土具有许多优点：成本相对较低，耐候性和耐火性好，抗压强度好，混凝土具有良好的成形性，抗拉强度高，钢的延展性和韧性。正是这种组合使得钢筋混凝土在建筑，桥梁，大坝，水池，水库和其他建筑物中的使用和可能性几乎无限。
近来，已经发现可以以相对低的成本生产钢，其屈服强度是普通钢筋的3至4倍。同样，有可能生产混凝土的压缩强度比普通混凝土高4至5倍。这些高强度材料具有很多优点，包括较小的构件截面积，减少的静载荷和较长的跨距。然而，组成材料的强度存在限制，存在某些问题。可以肯定的是，这样一个成员的力量会随着这些材料的比例大幅增加。然而，由高应力导致的高应变可能会导致较大的变形，并因此导致这些构件在普通载荷条件下的较大挠度。同样重要的是，这种高强度钢筋中的大应变会在周围的低抗拉强度混凝土中产生大的裂缝，这些裂缝不仅不美观，而且会显着降低结构的耐久性。这将高强度钢筋的有用屈服强度限制在80 ksi，符合许多规范和规范; 60 ksi钢是最常用的。
然而，已经发现了一种特殊的方法，即将高强度的钢材和混凝土组合使用。 这种结构被称为预应力混凝土。 钢丝，钢绞线或钢筋形式的钢在高张力下嵌入混凝土中，在混凝土硬化后通过压应力保持平衡。 由于这种预压缩，弯曲构件中的混凝土将在比没有预压缩时大得多的载荷下在张力侧破裂。 预应力大大降低了这种结构在普通载荷下的挠曲和拉伸裂纹，从而能够有效地使用这些高强度材料。 预应力混凝土在很大程度上扩展了结构混凝土的跨度范围和适用的结构类型。
1.2结构形式
下面的数字显示了钢筋混凝土的一些主要结构形式。 本书后面将讨论其中许多的细节设计方法。
用于建筑物的地板支撑系统包括图1.1中所示的整体平板和地板梁地板，图1.2的单向梁板系统以及没有梁或梁的平板地板，如图1.3所示 。 图1.4的平板楼板通常用于仓库等重负荷建筑物，与平板地板类似，但是利用了柱子的可运动性以及火焰柱顶部的厚度增加 ，以减少应力并增加支撑区域的强度。 这些和其他系统中用于地板和屋顶的选择取决于功能要求，载荷，跨度和允许的构件深度，以及成本和审美因素。
图1.1单向钢筋混凝土楼板与整体支 图1.2单向龙骨地板系统，由整体式混凝土梁支撑的间隔紧撑梁（波特兰水泥协会） 密的肋骨; 横向肋提供局部载荷的横向分布。 （波特兰水泥
协会）
图1. 3平板楼板，直接由没有横梁或桁架的立柱承载。 （波特兰水泥协会）
如果屋顶需要长长的跨度，混凝土外壳允许使用极薄的表面，通常比蛋壳更薄。 图1.5的折叠板屋顶由于其平坦的表面构成而易于形成; 这种屋顶已被用于200英尺或更多的跨度。
图1. 4平板楼板，没有横梁，但楼板厚厚度增加，并且在柱子上有喇
叭口，以提供局部集中力。（南缅因州大学）
图1.5 125英尺跨度的折叠式平板屋顶除了承载普通屋顶荷载外，还承
载着电缆吊架系统的二楼；底层不含柱子
图1.6的圆柱形壳体也比较容易形成，因为它只有一个曲面; 它与其折叠板在其结构特性和跨距和载荷范围上类似。这种类型的贝壳曾经在美国颇受欢迎，并在世界其他地区流行。
通过简单的数学曲线（例如圆弧，抛物线和双曲线）可以生成双曲面壳表面，或者它们可以由复杂的形状组合构成。 双曲抛物面形状由凹面朝下的抛物线沿凹面向上的抛物线路径定义，已被广泛使用。 它有一个有趣的特性，即双曲面包含两个直线发生器系统，允许使用直形木材。 为表演艺术活动提供庇护的图1.7的复杂圆顶基本上由圆形穹顶组成，但包括单片向上弯曲的边缘表面，以便在该关键区域提供加固和加固。
图1.6圆柱形屋顶提供无柱内部空间
图1.7瑞士洛桑的球壳，向上弯曲的边缘为中央穹顶提供加强
桥梁设计为结构工程中的一些最具挑战性和创造性的应用提供了机会。 屡获殊荣的拿破仑·波拿巴布劳沃德桥，如图1.8所示，是一条跨越圣约翰的六车道斜拉结构。 在佛罗里达州杰克索维尔的圣母大教堂河边。 其1300英尺的中心跨度是其在美国最长的类型。 图1.9显示了贝内特湾百年桥，一种四跨连续分段浇注箱梁结构。 在这个屡获殊荣的设计中特别关注美学。 图1.10中的壮观的Natchez Trace Parkway大桥，采用中空预制混凝土构件的双跨拱结构，在谷底155英尺处搭载双车道高速公路。 这种结构赢得了许多荣誉，包括美国土木工程师协会和国家艺术学院的奖项。
图1.8拿破仑·波拿巴布劳沃德大桥，位于佛罗里达州杰克逊维尔的达
默斯角，中心跨度为1300英尺。（HNTB公司，密苏里州堪萨斯城）
图1. 9位于爱达荷州Coeur d#39;Alene的贝内特湾百年桥，，一座长度为
1730英尺的四跨连续混凝土箱梁结构。（HNTB公司，密苏里州堪萨斯城）
圆柱形混凝土储罐广泛用于储存水或废物净化厂。 图1.11所示的设计证明卫生工程设施既美观又实用。 圆柱形罐通常在周向预应力以保持混凝土中的压缩并消除由于内部压力而导致的开裂。
图1.10田纳西州富兰克林附近的Natchez Trace Parkway Bridge，这是一座屡获
殊荣的双跨混凝土拱形结构，高出谷底155英尺。 （菲格工程集团，佛罗里达州
塔拉哈西）。
图1. 11用作英国豪顿废水净化设施一部分的圆形混凝土储罐。（诺森伯兰管理局
维特与路德和琼斯建筑师）
可以设计混凝土结构以提供各种各样的表面纹理，颜色和结构形式。 图1.12显示了一个包含颜色变化和建筑表面处理的预制混凝土建筑。
图1.1至图1.12所示的形式很难构成完整的库存，但是说明了与加固或预应力混凝土性能相适应的形状。它们说明了材料对各种一维（梁，梁，柱），二维（板，拱，刚性框架）和三维（壳，罐）结构和结构部件的适应性。这种可变性使得结构的形状能够以经济的方式适应其功能，并为建筑师和设计工程师提供了多种可能性，以满足美学上令人满意的结构解决方案。
1.3负载
作用于结构的荷载可以分为三大类：静载荷，活荷载和环境荷载。
图1. 12 混凝土结构可以生产各种颜色，饰面和建筑细节。
（由洛基山预应力公司提供）
静载是那些在整个结构寿命期间幅值恒定且固定的地方。通常静载的主要部分是结构本身的重量。这可以根据设计配置，结构尺寸和材料密度精确计算。对于建筑物，地面填充物，装饰地板和涂灰天花板通常包含静止荷载，并允许悬挂荷载如管道和照明装置的固定。对于桥梁，静载可能包括磨损表面，人行道和路缘，并且允许管道和其他悬挂载荷的允许位移。
活动负荷主要包括建筑物的入住负荷和桥梁的交通负荷。 它们可能完全或部分存在或根本不存在，也可能会改变位置。它们的大小和分布在任何时候都是不确定的，甚至它们在整个结构寿命期间的最大强度都不准确。建筑物的地板和屋顶应设计的最小活荷载通常在施工现场管理的建筑法规中规定。在各种建筑物中使用的最小活荷载的代表值可以在建筑物和其他结构的最小设计荷载（参考1.1）中找到，其中一部分重新印刷在表1.1中。 该表为不同类型的占用情况提供均匀分布的活载; 这些包括必要的影响条款。 这些负载是预期的最大值，并大大超过平均值。
除了这些均匀分布的荷载之外，建议将地板作为均匀荷载的替代物，以便在这些荷载产生较大的应力时安全地支撑某些集中的荷载。例如，根据参考文献1.1，办公楼的设计应承载2000磅重的荷载，分布在2.5英尺的区域内，以便承担安全或其他重型设备的重量，楼梯踏板必须安全地支撑施加在中心的300磅负荷胎面。在支持大面积地区的会员的活载中，经常允许进行某些减少，前提是整个地区不可能一次完全装满（参见1.1和1.2）。
表1.1 最小均匀分布的活载
占用或使用 活载（psf） 占用或使用 活载（psf）
公寓（见住宅） 用餐室和餐厅 100
地板系统 住所（见住宅）
办公室使用 50 消防逃生 100
电脑使用 100 仅限单户住宅 40
军械库和钻房 150 车库（仅限乘用车） 40
装配区和剧院 卡车和公共汽车
固定座椅（固定在地板上） 60 看台（体育场和竞技场看台）
大厅 100 健身房，主楼层和阳台 100
可动座椅 100 医院
平台（组件） 100 手术室，实验室 60
舞台地板 150 私人房间 40
占用或使用 活载（psf） 占用或使用 活载（psf）
阳台（室外） 100 病房 40
一个或两个家庭的住宅 60 一楼以上的走廊 80
仅限不超过100平方英尺 酒店（见住宅）
保龄球馆，游泳池等 图书馆
休闲区 75 阅览室 60
维护通道的走廊 40 栈室 150
走廊 一楼以上的走廊 80
第一层 100 制造业
其他楼层，与居住相同 100 电灯 125
除指示外服务 重量 250
舞厅和宴会厅 100
甲板（庭院和屋顶）
与所服务的区域相同，或适
合的入住类型
跑马灯和檐篷 75 人行道，车道和码头 250
办公大楼 受卡车运输
文件和计算
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