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1 钢筋混凝土结构
1.概述
通常来说，钢筋混凝土设计的研究首先从材料一章开始，然后是设计章节。在这本书中，我们不用默守陈规——学生首先应该对钢筋混凝土结构的世界有一个大概的了解，然后再进一步深入到这个主题的细节，这一章给出了钢筋混凝土及其应用的概括性介绍。文章还阐述了结构设计在钢筋混凝土施工中的作用，概述了建筑中常用的各种结构体系。
混凝土是一种常见的结构材料，这一点是众所周知的。但有多么普遍,在我们日常生活扮演多么重要的角色,或许不是众所周知的——或者说,不会常常意识到——结构混凝土广泛用于建设各类建筑物例如礼堂、路面、桥梁、码头、防波堤、码头结构、大坝、水路、管道、水箱、游泳池、冷却塔、掩体和筒仓,烟囱,通信塔、隧道。它是最常用的建筑材料，每一个活着的人大约会消耗一吨。“除了大量的水，人类不消耗任何物质”(参考l. l.)。
一些典型的钢筋混凝土结构例子如图1 - 1.5所示。也许，在未来的某一天，读者可能会被要求设计类似的(如果不是，将更令人兴奋)结构!学到这的同学们最好牢记这个目标。
图1.1钢筋混凝土船-“已知的第一个钢筋混凝土的例子”是一艘船，于1848年由约瑟夫-路易斯·兰博特申请专利[参考文献：美国国家科学院，华盛顿特区，2月
29日]。这里所展示的船是最初设计的较晚版本(1887年)，目前保存在法国布里格诺博物馆。
图1.2现代钢筋混凝土多层建筑——新德里最高（102米）之一：Jawahar Vyapar Bhavan [建筑师：Raj Rewal和Kuldip Singh，项目顾问：工程师]香港有限公司(印度有限公司)。
结构概念：支撑在空腹梁上的龙骨地板(以“塞子”的形式排列)，由核心墙悬臂而成。
图1.3新德里巴哈伊礼拜所——一种独特的荷花形钢筋混凝土结构，具有复杂的壳体几何形状，包括球、圆柱体和锥[建筑师：Fariacute;burz SAHBaacute;，结构顾问：Flintamp;NeilL，承包人：Larsenamp;ToubroLtd.]
图1.4 C N塔-加拿大多伦多的一座通讯塔，高达550米，使它成为世界上最高的钢筋混凝土塔。(图中还显示了一辆电梯沿塔身垂直移动)。
图1.5钢筋混凝土弓形梁桥跨越印度科泽科德的bharathapuzha河
1.2普通钢筋混凝土
1.2.1无钢筋混凝土
混凝土可以定义[参考文献1.2]用胶结介质制成的固体块；这些成分一般由沙子、砾石、水泥和水组成。这种不同的和离散的材料混合在一起，就会产生固体质量(任何想要的形状)，具有明确的性质，这本身就是一个奇迹。混凝土作为建筑材料已经使用了一百五十多年了。它的成功和普及在很大程度上归功于(1)在恶劣环境下的耐久性(包括耐水性)，(2)它可以很容易地转变成多种类型，形状和尺寸，(3)相对经济和易得。混凝土的主要强度在于其抗压强度，它超过了传统材料如砖石材砌筑体的抗压强度。混凝土技术的进步，特别是在过去的四年中，已经使得可以产生各种各样的混凝土等级，质量密度的变化（1200times;2500）。(公斤/立方米)和抗压强度(10100 MPa)。
混凝土在压缩方面可能很强，但在拉力方面也同样非常弱！[图1.6(a)]。其抗拉强度约为其抗压强度的十分之一。因此，普通混凝土作为一种结构材料，仅限于在无显著拉应力和应变的情况下使用，如空心(或实心)砌块墙结构中的小基座。小型支座与大体积混凝土的应用(在水坝等处)。
1.2.2钢筋混凝土
如果没有钢筋混凝土的发明，混凝土就不会获得目前作为主要建筑材料的地位，而钢筋混凝土就是在混凝土中嵌入钢筋的混凝土。改版的想法由于采用钢的ING混凝土，产生了一种新的复合材料，具有抵抗巨大拉应力的潜力，这是迄今为止不可能实现的。因此，承重结构的建设受弯构件，如梁和板，成为可行的这种新材料。钢筋(嵌在混凝土的张拉区)弥补了混凝土抗拉强度的丧失立场，有效地承受所有的张力，而不与混凝土分离[图1.6(b)]钢与周围混凝土之间的粘结确保了应变的相容性，即钢中任意点的应变等于相邻混凝土中的应变。此外，钢筋将延展性赋予脆性的材料。实际上，这意味着如果一个适当加固的梁在张力中失效，那么这样的故障很可能是预制的。由于钢的屈服而引起的大挠度，从而对即将发生的倒塌发出充分的警告[图1.6(c)]。
拉伸应力直接发生，如直接拉伸或弯曲张力，或间接发生，如剪切，这导致沿对角线平面的张力(对角线张力)。温度和收缩影响也可能导致拉应力。在所有这些情况下，钢筋都是非常重要的，并且应该被适当地定位在一个贯穿主拉伸面的方向(即交叉电位拉伸裂纹)。如果提供的钢不足，裂纹会发展和扩展，并有可能导致失效。
钢筋还可以补充混凝土的承压力，就像在有纵向钢筋的柱中一样。这些钢筋需要用横向钢系约束[图1.6(d)]，为了保持它们的位置并防止它们的侧向屈曲。横向连接也起到限制混凝土的作用，从而提高混凝土的抗压承载力。
由于各国在过去几十年中对钢筋混凝土进行了广泛的研究，现在已经到了一个能够预测钢筋混凝土弹性和非弹性性能的阶段对这种复合材料有一定的信心 。毫无疑问，预测中存在一些不确定性，但这主要归因于原位混凝土强度的变化（与钢不同，它不是在严密控制的条件下制造）。导致这种变化的因素有几个，其中一些
与材料性能(主要是集料有关)，而另一些则与现场混凝土的实际制作有关(拌和、制造、放置、压实和固化)，这种不确定性可以通过在设计过程中提供适当的安全系数来解决[讨论了结构设计中的安全问题，第3章详述]。
可靠设计和施工技术的发展使世界各地能够建造各种各样的钢筋混凝土结构：建筑框架(柱和梁)，楼板及屋顶板、地基、桥面及桥墩、挡土墙、看台、水箱、喉管、烟囱、地堡及筒仓、折叠板及壳等。
嵌入钢筋
发际线裂纹(不易察觉）
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- 混凝土简支梁在小荷载作用下受弯拉开裂失效
- 重载荷作用下的延性破坏模式
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钢筋屈服 纵向加固(受压)
（c） 钢筋混凝土柱
横向钢拉索(受拉)
图1.6钢筋在钢筋混凝土中的贡献
值得注意的是，虽然这些钢筋混凝土结构似乎完全不同，它们设计的实际原理是相同的。在接下来的章节中，重点将放在这些基本原则上。
预应力混凝土：不提预应力混凝土，钢筋混凝土的介绍是不完整的，这是与钢筋混凝土并驾齐驱的另一项巧妙发明。预应力混凝土是在施加外荷载之前，采用
高强度钢丝埋入和张拉的高强混凝土。这样，混凝土就可以预先压缩到这样的d。首先，在结构受载后，梁内几乎没有产生合力的张力。预应力混凝土适用于遇到大跨度的情况(如在桥梁中)，或在混凝土中不允许出现裂缝(甚至是毛线)的情况下，例如在压力容器、管道和水箱)，或遇到疲劳载荷的地方(如轨道轨枕)等。
纤维增强混凝土和水泥：混凝土复合材料的最新发展已经导致了一些新产品，其目的是提高混凝土的抗拉强度，并赋予延展性。其中，纤维增强混凝土A钕水泥是重要的发展。在前者中，钢或玻璃纤维在搅拌时被掺入混凝土中；在后者中，薄片是通过嵌入多层而形成的。水泥砂浆中的钢丝网层。虽然近年来才开始普及，但它是钢筋混凝土最早的试验应用之一。[图1.1]
这本书是关于钢筋混凝土，因此，将不再讨论其他混凝土复合材料。
1.3结构设计目标
结构的设计必须满足三个基本要求：
- 防止结构或其部分在荷载作用下发生倾覆、滑动或屈曲；
- 强度以安全抵挡各结构构件所承受的应力
- 在服务负载条件下确保满意性能的适用性——这意味着提供足够的刚度和加筋，以控制挠度、裂缝宽度和振动在可接受的范围内，并提供抗渗性和耐久性(包括(耐腐蚀)等。
一个明智的设计师应该记住另外两个考虑因素，即经济和美学。一个人总是可以设计出一个庞大的结构，它的稳定性是远远不够的。这一结构的成本可能过高，而最终的产品则远非美观。用费利克斯·坎德拉的话来说[摘要. 1.3]，一个非常广泛的钢筋混凝土外壳结构的设计者，“建筑师没有任何武器来对抗工程师的科学论点.两个人之间不可能进行对话.建筑师没有任何武器来对抗工程师的科学论点.两个人之间不可能进行跨语言对话。这场斗争的结果大体上是一样的：科学占主导地位，最终的设计总体上已经失去了建筑师梦想的最终魅力和细节的适切性。”这确实是一个挑战和责任，对于结构设计师来说，设计一个不仅适合于建筑的结构，但同时也在安全和经济之间取得了正确的平衡。[参考1.4]。
1.4钢筋混凝土构造
钢筋混凝土结构不是结构设计的结果。这是一个涉及客户、建筑师、结构工程师、建筑工程师/公关的合作项目。弹射经理和承包商。在土壤调查、供水、卫生、消防、运输、取暖、通风等方面，也可能需要咨询其他专家。空调、音响、电气服务等。通常，一个建设项目包括三个阶段，即规划、设计(包括分析)和建设。
1.规划阶段：建筑师的工作是构思和规划建筑物的建筑布局，以适应客户的功能需求，同时适当考虑到美学、环境和经济考虑。结构的可行性也是一个重要的考虑因素，为此，必须咨询结构设计者。
2.设计阶段：一旦初步计划获得批准，项目的实际细节必须由各种顾问(以书面形式)制定。就结构工程师/顾问而言，所涉及的任务包括：(1)选择最适当的结构体系和成员的初步比例；(2)估计结构的荷载；(3)结构分析，以确定各种荷载组合引起的应力结果(构件力)和位移；(4)实际比例(构件尺寸、加固细节)和在计算构件力下安全和使用所需材料等级的结构设计；(5)提交详细程度足以盖上“建筑良好”印花的工程图纸。
3.建造阶段：纸上设想的计划和设计被转化为具体的现实。一个结构可能有很好的规划和设计，但它也必须建造得很好，因为这是布丁里的证明。在吃东西的时候。为此，不仅应由受托执行的承包商承担责任，还应由代其进行监督的建筑工程师承担责任。这项工作需要妥善管理各种资源，即人力、材料、机械、资金和时间。它还要求熟悉各种建筑技术和规格。特别是，在混凝土技术方面的专门知识是必不可少的，以确保混凝土的适当搅拌、处理、浇筑、压实和养护。管理合同及以下事项适当的程序、制度和文件也是施工阶段的重要方面，特别是在公共工程中，但这些都超出了本书的范围。
在施工阶段，也可能需要进行一些重新设计——如果发生不可预见的意外情况，如基础的复杂性、指定材料的不可用性等。
1.5结构体系
任何结构都由结构单元(承重构件，如梁和柱)和非结构构件(如隔墙、假天花板、门)组成。结构元素，集合在一起r，构成“结构体系”。它的功能是有效地抵抗重力和环境荷载的作用，并将产生的力传递到支撑地面，而不需要。严重干扰结构的几何形状、完整性和适用性。
从简化分析的角度来看，大部分的结构单元可以被认为是一维(骨架)单元(如梁、柱、拱、桁架单元)或二维单元。元素（如板坯、板壳）。一些结构元件（如壳缘梁结，穿孔剪力墙）可能需要更严格的分析。
例如，考虑钢筋混凝土架空水箱结构〔图1.7〕。结构体系主要包括三个子系统，即：坦克、舞台和地基h是不同的，因为它们通常是在不同的阶段设计和构造的。在这个例子中，储罐是由一个圆顶形的壳体屋顶，一个圆柱形侧壁(顶部和底部有加劲的环形梁)，一个扁平的圆形底板和一个主环梁组成的。由暂存的列进行移植。舞台由一个由梁和柱组成的三维框架组成，这些梁和柱是固定在基础上的。基础是一个lsquo;木筏rsquo;，包括一个环形环形状的板，顶部有一个环形梁加劲，并在下面坚实的土壤上休息。作用在结构上的荷载是由恒荷载(由于自重)、活荷载(由于水箱中的水、屋顶上的维修)、风荷载(作用于晒黑的暴露表面)和地震荷载(由于地震引起的地面激励)造成的。作用于罐体上的载荷通过主环梁传递到台阶上；舞台上的荷载依次传递到地基，最终传到下面的地面。
1.6钢筋混凝土建筑
最常见的钢筋混凝土建筑是建筑(计划用于住宅、机构或商业用途)。因此，对其结构体系及其荷载传递机理进行较为详细的研究具有一定的指导意义随着建筑物高度的增加，由于风和地震引起的横向荷载使它们的存在感越来越强；事实上，在非常高的建筑物中，结构体系的选择主要取决于其在有效抵抗横向荷载(而不是重力荷载)方面的相对经济性。
为了方便起见，我们可以将结构系统分成两个载荷传递机构，即抗重力负荷和抗侧向荷载，虽然这两个系统实际上是相辅相成的，相互作用的。作为一个完整的系统，结构必须抵抗重力荷载和侧向荷载的所有作用，并将其传递到地基和地面。
薄壳屋顶
重力荷载
墙 静态/动态水
圈梁
风荷载油箱
压力
垫板
梁
主环梁
分段运输
-
直通油箱
- e抽水体系
圆柱
空筏
地基
pl
土压力
(d) 断面贯通基础
环形梁
-
- 基础
图 1.7 高架水箱结构体系
此外，虽然建筑物是一个三维结构，但它通常被设想、分析和设计为主要位于水平方向的二维(平面)子系统
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