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第一章 绪论
1.1混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土
混凝土是一种像石头的材料,它通过以精心比例混合水泥、沙子和砾石或其他聚合物,和水变硬后，再得到所需的结构形状和尺寸。大部分的材料包括细骨料和粗骨料。水泥和水通过化学作用，颗粒聚合成整体。有必要给混合物超过化学反应所需的的足够的水，使其能够在硬化之前插入钢筋和固定形状。混凝土可以通过适当调整组成材料的比例得到更多的性能。特种水泥(如高早强水泥)、特殊骨料(如各种轻量级和重量级骨料)、外加剂(如增塑剂、引气剂、硅灰、粉煤灰),和特殊的固化方法(如蒸汽养护)得到更广泛的属性。
这些属性很大程度上取决于混合比例,各种成分混合在一起的彻底性,和混凝土硬化过程中的湿度和温度条件。控制条件后放置的过程称为固化。为防止意外生产不合格的混凝土, 从每种材料重量配比,混合，放置，直至固化完的成整个过程中，高度熟练的控制和监督是必要的,。
混凝土作为通用建筑材料的优点是如此明显,它已被使用了几千年,以一种更原始的形式和方法,公元前12000年至公元前6000年在克里特岛,塞浦路斯、希腊、和中东就开始制作石灰砂浆。混凝土,像塑料一样,它可以存放和填充形式或任何实际形状的模具，也是它广泛使用的原因之一。高火和耐气候性优势也很明显。大部分的组成材料,除了水泥和添加剂,通常可以在低成本的本地或在小距离的建筑工地得到。其抗压强度,像天然石头一样高,这使得它要受压缩,如列和拱门。另一方面,像天然的石头,它是一个相对脆性材料，相比其抗压强度，它抗拉强度很小。 这使得它完全不可以出现在受拉构件中(比如在拉杆)或在横截面的一部分(如在梁或其他弯曲结构)。
为了抵消这种限制, 使用钢加强混凝土的抗拉强度的，被发现于19世纪下半叶, ,主要是用在那些地方受限于抗拉强度的结构构件中。强化过程通常是表面处理过的螺纹钢筋提供联结力 ,放在混凝土里面。当它完全被硬化的混凝土石块包围,形成不可分割的一部分。由此产生的两种材料的组合,称为钢筋混凝土，它结合了很多的优势:相对较低的成本,良好的耐久性和耐火性, 混凝土良好的可塑性和较强的抗压强度，钢的韧性，延展性和较高的抗拉强度。正是这种组合,它使得钢筋混凝土在建筑结构中有着无限的使用可能，比如桥梁、水坝、水箱、水库、和许多其他结构。
在最近的时代,人们已经发现可以相对低的成本生产钢, ,其屈服强度比普通钢筋钢强3到4倍。同样,可以生产抗压强度比普通混凝土强3到4倍的混凝土 。这些高强度材料提供了许多优点,包括构件截面变小,自重减小,跨度增加。 然而,高强度材料还是有局限性，会出现某些问题。 可以肯定的是,高强度材料会增强构件的强度。然而,来自高应力的大应变,将导致普通荷载下的构件出现大变形，结果导致挠度过大。 同样重要的是,高强度钢筋的大应变诱导周围抗拉强度低的混凝土出现大裂缝,裂缝不仅会难看,也大大降低结构的耐久性。根据许多法规和规范，这限制高强度钢筋有效屈服强度为800N/;600N/钢是最常用的。
然而，发现了一种特殊的方式, 使用非常高强度的钢和混凝土组合这种类型的建筑被称为预应力混凝土。钢筋，像线电线，绳索和杆一样，保持高张力地嵌在混凝土，混凝土硬化后成为整体。 由于这种预先压缩,混凝土在受弯构件中抗裂缝能力更强。预应力大大减少了在这种普通负载下结构的变形量和拉伸裂缝,从而有效地使用这些高强度材料。预应力混凝土在混凝土构件的种类和类型上都使用广泛，因为它更加适用。
1.2结构形式
下图演示的一些主要结构形式的钢筋混凝土。相关的设计方法很多都是在这本书稍后讨论.
建筑中的楼板结构包括整体式梁板结构，如图1.1所示，图1.2的单向梁板结构，无梁楼板结构如图1.3所示。图1.4的楼板结构,经常用于承载更大的建筑，如仓库，类似于面楼板,但是需要增加柱顶附近板的厚度，以减小压力和提高强度。在这些和其他楼板系统间的选择取决于功能需求,结构负载,跨越,并允许构件高度,以及成本和审美因素。 图1.1所示整体式单向板肋梁楼板。(波特兰水泥协会)。
图1.2所示。单向搁栅楼板系统，,由整体式混凝土梁支撑的密集的肋骨组成,;横向肋骨提供横向分布的局部负载。(波特兰水泥协会)。
图1.3所示无梁楼板,直接没有梁。(波特兰水泥协会)。
大跨度屋顶,混凝土被制成外壳,通常很薄,相对来说,比一个蛋壳薄。折板屋顶简单形式,因为它是由平面组成的;这样的屋顶已经被用于200英尺的跨度，甚至更大。
图1.4所示的平面楼板，没有梁,柱顶附近楼板厚度增加，以扩大支座处的抗冲切面（南缅因大学）
图1.5所示，折板屋顶跨度125英尺,除了承载普通屋顶载荷,也承载2楼电缆悬挂系统，一楼无柱。
图1.6的圆柱壳也是相对简单的形式,因为它只有一个单一的曲率，在结构行为，跨度和载荷范围，它和折板结构相近。这种类型的壳结构曾一度流行于美国，并在世界其他地区仍然很受欢迎。。
双弯壳表面可以由简单的数学曲线产生如圆弧、抛物线、双曲线，或者他们可以是复杂的形状组合组成。由一个凹向下的抛物线沿着凹向上抛物线路径移动得到的双曲抛物线，已得到广泛应用。
图1.6所示，筒壳屋顶提供无柱的室内空间
它具有有趣的属性，直线发电机的双重曲面，含两个系统，允许直接形成木材使用。图1.7的复杂的圆顶,为表演艺术事件提供庇护,它本质上是由一个圆形穹顶，和整体的,向上弯曲的在临界区提供支撑和加强强度的边缘表面组成。
图1.7所示，球壳结构，在瑞士洛桑，向上弯曲的边缘提加强中央穹顶。
桥梁设计是结构工程中最具挑战性和创造性的。屡获殊荣的拿破仑·波拿巴布劳沃德桥,图1.8所示六车道斜拉桥结构，跨越在圣约翰的河爵士,佛罗里达州杰克逊维尔市。其1300英尺中心跨度在美国同类型桥梁中是最长的。 图1.9所示展示了班尼特湾纪念桥,四跨连续局部悬臂箱形梁结构。 特别是它的设计美学屡获殊荣。壮观的古道行走百汇桥，在图1.10，使用空心预制混凝土双跨度拱结构元素,带有双车道公路，高出谷底155英尺。这个结构已经赢得了许多荣誉,包括美国土木工程师协会奖和国家艺术基金会奖
图1.8所示，拿破仑·波拿巴布劳沃德桥,中心跨度1300英尺,在佛罗里达州杰克逊维尔市的圣母院。(HNTB公司,堪萨斯城,密苏里州)。
图1 .9 贝内特湾百年纪念大桥，在科达伦，爱达荷州，跨度1730英尺，四跨连续箱梁混凝土结构（HNTB公司，堪萨斯城，密苏里州。）
圆柱形混凝土水箱被广泛用于存储水或者污水净化。图1.11所示的设计证明了一个卫生工程设施善可以兼具功能性和美观的。圆柱形水箱通常是预应力混凝土压，以保持受压,消除由于内部压力引起的开裂。
图1.10 纳奇兹小道公路大桥，在田纳西州的富兰克林附近，是一个屡获殊荣的两跨混凝土拱结构，高出谷底155英尺。 （菲格工集团，塔拉哈西，佛罗里达）
图1 .11圆形混凝土水箱在英格兰的豪顿，是污水净化设施的一部分。 （诺森伯兰水务局，建筑师勒德和琼斯，）。
混凝土结构可可以在表面的纹理、颜色和结构形式各不相同。图1 .12显示含有颜色变化和建筑饰面预制混凝土建筑。
图1.1到1.12虽然不完全，但也能适当说明钢筋或预应力混凝土的性能形状。他们说明材料的适应性强，在一维(梁、主梁、列),二维(砖、拱门、刚性框架)和三维(炮弹,坦克)结构和结构组成都有广泛应用。这种可变性允许结构形状适应其功能，以一种经济的方式,为建筑师和设计工程师提供结构满足审美的设计方案。
1.3 载荷
作用在结构上的载荷可分为三大类:静荷载,活荷载和环境荷载
静荷载在结构的作用点和大小不变。通常静荷载的主要部分是结构本身的自重。这可以从结构形状，,结构的大小,材料的密度准确计算出来。对于建筑物，楼板，楼板填充层,和天花板通常为静载荷,还有一些加工过程中的荷载，如管道、照明灯具等。而桥梁,静载荷则包括耐磨层，人行道，路缘石，和一些加工过程中的荷载，如管道等等。
活载荷则指建筑物中承重的荷载，桥梁上的交通荷载。它们可能全部或者部分作用在其上，作用点可能改变。它们的作用力大小和位置，作用时间都不确定，甚至在结构使用年限中作用的最大值也不知道。建筑的楼板和屋顶的最小活荷载应该是由建筑规范指定。建筑物构筑物最小设计荷载(参考文献1.1)给定了各类建筑的最小活荷载代表值，部分转载在表1.1。表中给出了各类建筑的均匀分布载荷，包括必要时规定的影响。这些载荷被设计为最大值，且大大超过平均值。
图1 .12混凝土结构可以在颜色，光洁度，建筑细节大范围进行生产。 （落基山预应力公司提供）
除了这些均布载荷,建议,作为替代均布荷载,地板被更加安全地设计来支持某些集中荷载，如果这些产生更大的压力。例如,根据参考文献1.1，办公室地板设计载荷为均匀分布在一个2.5平方英尺2000磅的荷载，从而可以安全的支撑其他重型设备的重量，楼梯踏板必须支撑300磅的荷载作用于踏板中心。活荷载作用于大面积的构件，适当减小活荷载值，前提是它不太可能,整个地区将满载(参考文献1.1和1.2)。
应该考虑各种负载，可能的负载也要尽可能准确地计算。承重仓库承载力可能高达500 磅每平方英尺或更多, 表1.1指定一些不常见的建筑生产可能需要增加250磅每平方英尺，必须为所有大的集中载荷做出特别规定。
表1.1，最小均布活荷载
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占用或使用 |
活荷载（） |
占用或使用 |
活荷载（） |
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公寓（见住宅） 地板系列 办公室使用 电脑使用 军械库和演练房 集结地区和剧院 固定座位 大堂 可移动座位 平台（组装） 舞台地板 阳台（外部） 一两户 保龄球馆，台球室，以及类似娱乐区 走秀维修通道 走廊 一楼 其他楼层一样，同样占用担任除特别说明外 歌舞厅和宴会厅 甲板（庭院和屋顶）同区供应，或者占用住宿类型 帐篷和篷 办公楼 文件和电脑室应根据预期的入住率设计为更重的负荷 大厅和地面走廊 办公室 上述一楼走廊 刑事机构 监狱 走廊 住宅 住宅（一户或两户） 不存物阁楼 存物阁楼 可居住阁楼区和睡眠区 除了楼梯和阳台，所有其他地区 酒店和多户住宅 私人房间和走廊 公共区域和走廊 各种看台 学校 教室 上层走廊 一层走廊 |
50 100 150 60 100 100 100 150 100 60 75 40 100 100 75 100 50 80 40 100 10 20 30 40 40 100 100 40 80 100 |
餐饮室和餐厅 住宅 防火通道 单户住宅 车库（乘用车只） 卡车和公共汽车 看台（如体育场和竞技场） 体育馆，主地板和阳台 医院 手术室，实验室 私人病房 病房 上层走廊 酒店 图书馆 阅览室 藏书室 上层走廊 制造业 轻工业 重工业 人行道，车辆车道，和停车场 体育场馆 观景台 固定座位 楼梯和出口 一两户住宅 天花板储存区 储存仓库（如应要求在预计的储存设计为更重的负荷） 轻 重 商店 零售 第一层 楼上 批发，所有楼层 人行道和高架平台（除出口等） 庭院和露台，行人 |
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