第1章 基础知识
1.1 钢筋混凝土和砌体结构的概念
1.1.1 混凝土结构的概念及分类
以混凝土为主制成的结构称为混凝土结构，混凝土结构广泛应用于土木工程建设中。混凝土结构包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和预应力混凝土结构等。
1.素混凝土结构
素混凝土结构是指由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构。它由于承载力低、抗裂能力差、脆性破坏等特点，现很少用于受力结构中。
2.钢筋混凝土结构
钢筋混凝土结构是指由配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土制成的结构。混凝土的抗压能力强，抗拉能力低；而钢筋的抗压和抗拉能力都强。将这两种材料合理地组合在一起，混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力，这两种材料各自发挥自己的优势，共同工作，成为了具有很好工作性能的结构。
图1.1为两根截面尺寸、跨度、混凝土强度和受力都相同的简支梁。图1.1（a）是没有配置受力钢筋的素混凝土简支梁，对其进行破坏试验可知，当荷载较小时，截面上的应变如同弹性材料的梁一样，沿截面高度呈直线分布；当荷载增大到受拉区边缘混凝土开裂时，裂缝沿截面高度迅速开展，梁发生没有预兆的断裂破坏，这种破坏属于脆性破坏。这时，受压区混凝土的抗压强度虽然很高却没有得到利用。
图1.1（b）是与图1.1（a）受力条件相同
的简支梁，该梁在受拉区配置有受拉钢筋、受压区配置有架立钢筋，并配有适量箍筋，
图1.1 素混凝土梁和钢筋混凝土梁的破坏情况
（a）素混凝土梁；（b）钢筋混凝土梁
对其进行同样的破坏试验可知，当荷载加到受拉区边缘混凝土开裂后，试件不会立即断裂，裂缝截面处混凝土的拉应力由纵向受拉钢筋承担，故荷载可以再增加，直到纵向受拉钢筋达到屈服强度以后，荷载可以继续增加，直到受压区混凝土被压碎，梁被破坏。破坏时裂缝开展较宽、梁的变形较大，有明显的预兆，属于塑性破坏。同时，该梁的承载力有
较大的提高，说明该梁的受力性能明显得到了改善。
3.型钢混凝土结构
型钢混凝土结构又称为钢骨混凝土结构或劲性钢筋混凝土结构。它是指用型钢板焊成的钢骨架作为配筋的混凝土结构。其承载力高、抗震性好，但是耗钢量多，可在高层、大跨度或者抗震要求较高的结构中使用，梁的截面形式如图1.2所示。
图1.2 型钢混凝土梁、柱的截面
4.钢管混凝土结构
（a）梁截面；（b）柱截面
钢管混凝土结构是指在钢管内浇捣混凝
土制成的结构。虽然其承载力高，但是构件的连接复杂，维护费用高。
5.预应力混凝土结构
预应力混凝土结构是指由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预应力混凝土的结构。由于克服了普通钢筋混凝土结构抗裂性能差、自重大的特点，因此可以广泛应用在大跨度结构中，应用在对裂缝抗震要求较高的结构中。
在混凝土结构部分中，我们重点讲述钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构。
1.1.2 砌体结构的概念和分类
由块材和砂浆砌筑而成的结构称为砌体结构。根据砌体的受力性能分为无筋砌体结构和配筋砌体结构。
1.1.2.1 无筋砌体
无筋砌体是指不配钢筋仅由块材和砂浆组成的砌体。根据块材种类不同，可分为无筋砖砌体、无筋砌块砌体和无筋石砌体。
1.无筋砖砌体
砖砌体结构是由砖砌筑而成的结构，分为烧结普通砖、烧结多孔砖和非烧结硅酸盐砖砌体结构。它使用面广，根据我国墙体材料改革的要求，随着烧结黏土砖的禁用，其他新型材料的烧结砖和非烧结砖逐步得到广泛应用。
2.无筋砌块砌体
砌块砌体结构是由砌块砌筑而成的结构。我国主要采用普通混凝土小型空心砌块砌体和轻骨料混凝土小型空心砌块砌体，是替代黏土实心砖的主要承重砌体材料，当采用混凝土灌孔后，又称为灌孔混凝土砌块砌体，在我国有较大的应用空间和发展前景。
3.无筋石砌体
石砌体结构是由石砌体砌筑而成的结构。根据石材的规格和砌体施工方法的不同分为石砌体、毛石砌体和毛石混凝土砌体。
1.1.2.2 配筋砌体
配筋砌体结构是指由配置钢筋的砌体作为建筑物主要受力构件的结构。主要分为横向配筋砖砌体、组合砖砌体和配筋砌块砌体，如图1.3所示。
图1.3 配筋砌体
（a）横向配筋砖砌体；（b）组合砖砌体；（c）配筋砌块砌体
（1）横向配筋砖砌体是指在砖砌体的水平灰缝内配置钢筋网片或水平钢筋的砌体。通过配筋可以提高砌体的抗压承载力，一般在轴心受压和偏心距较小的受压构件中应用，习惯上称为网状配筋砌体，如图1.3（a）所示。
（2）组合砖砌体是指由砖砌体和钢筋混凝土或钢筋砂浆组成的砌体，如图1.3（b）所示。（3）配筋混凝土砌块砌体是指在混凝土空心砌块的竖向孔洞和横向肋槽中均配置钢筋
浇筑混凝土或在竖向配筋浇混凝土，且在水平灰缝配水平筋的砌体结构，简称配筋砌块砌
体，如图1.3（c）所示。
1.2 钢筋混凝土结构和砌体结构的特点
1.2.1 钢筋混凝土结构的特点1.2.1.1 钢筋混凝土结构的优点
钢筋混凝土结构除了具有较高的承载力和较好的受力性能外，还具有以下优点。
（1）耐久性。混凝土具有较高的密实度和强度，同时混凝土包裹在钢筋的外围，对钢筋起保护作用，钢筋不易锈蚀，耐久性好。
（2）耐火性。由传热性较差的混凝土作为钢筋的保护层，钢筋因有混凝土包裹而不致很快升温到失去承载力，因而比钢结构和木结构的耐火性好。
（3）整体性。现浇的钢筋混凝土结构的整体性好，有利于抗震。
（4）可模性。钢筋混凝土结构可根据工程需要，较容易浇筑成各种形状、各种尺寸的结构。
（5）就地取材。钢筋混凝土所用材料中比例较大的砂、石一般易于就地取材，可以显著降低造价。
（6）节约钢材。钢筋混凝土结构中合理利用钢筋和混凝土各自的良好性能，在一定条件下可以替代钢结构，节约钢材，降低造价。
1.2.1.2 钢筋混凝土结构的缺点
（1）自重大。普通钢筋混凝土结构的自重比钢结构自重大，不利于建造大跨度建筑以及超高层建筑。
（2）抗裂性差。由于混凝土的抗拉强度较低，普通钢筋混凝土结构经常带裂缝工作。尽管裂缝的存在不一定使结构破坏，但是当裂缝数量较多、裂缝较宽时，给人造成不安全感，影响美观，结构的耐久性受到影响。
（3）费工大、模板用料多、施工周期长。建造整体式钢筋混凝土结构比较费工，同时又需要大量的模板和支撑，且混凝土需在模板内进行一段时间的养护，致使工期延长。另外施工还受到气候的限制。
此外，钢筋混凝土结构还有隔热、隔声效果差，结构补强维修困难、施工受季节和气候的限制等缺点。
1.2.2 砌体结构的特点
1.2.2.1 砌体结构的优点
（1）砌体结构材料来源广泛，易于就地取材。
（2）砌体结构有很好的耐火性和较好的耐久性，使用年限长。（3）砌体特别是砖砌体的隔热隔声性能好，节能效果明显。（4）采用砌体结构较钢筋混凝土结构可以节约水泥和钢材。（5）砌体砌筑时，不需要模板及特殊的技术设备，可以节省材料。
1.2.2.2 砌体结构的缺点
（1）砌体结构自重大。
（2）砂浆和砖石砌块之间的黏结力较弱，因此砌体的抗拉抗弯和抗剪强度较低，抗震性能差，使砌体结构的应用受到限制。
（3）砌体基本上采用手工方式砌筑，劳动量大，生产效率低。（4）砖砌体结构的黏土砖用量很大，与农田征地矛盾冲突。
1.3 钢筋混凝土与砌体结构的发展
1.3.1 钢筋混凝土结构的发展
钢筋混凝土结构在建筑工程中的应用，已有约150多年的历史。19世纪中期首先在英、法两国得到应用，虽然历史不长，但其发展很快，现已成为应用最为广泛的建筑结构，特别是近年来在材料、结构施工、设计理论三个方面有了很大进步。
1.3.1.1 材料
材料方面的发展方向主要是轻质、高强、耐久。目前，普通钢筋混凝土结构中混凝土的强度一般为20～40N/mm2；预应力混凝土结构中混凝土的强度可达60～80N/mm2。目前，在实验室里已研制出强度高达200N/mm2的混凝土。钢筋的强度也在逐渐提高，普通热轧钢筋的屈服强度可达到500N/mm2，高强钢丝的强度则高达1860N/mm2。材料强度的提高，意味着使用的材料更少、结构的自重更轻，结构可以建得更高、跨度做得更大。
轻质混凝土、加气混凝土、陶粒混凝土及利用工业废料的“绿色混凝土”等不但改善了混凝土的性能，而且对节能和环境保护具有重要的意义。
1.3.1.2 结构施工
混凝土结构由过去简单结构发展到高层、超高层、大跨度等复杂结构。如上海浦东环球金融中心大厦，95层，460m高，内筒为钢筋混凝土结构。此外，为了快速施工，出现了装配式混凝土结构、泵送商品混凝土等工业化施工技术。
1.3.1.3 设计理论
设计理论从最初的估算，发展到20世纪初的容许应力法、20世纪40年代的破损阶段计算法、20世纪50年代以来采用的极限状态设计法。目前，基于概率论与数理统计的可靠度理论使得钢筋混凝土结构的极限状态设计法更趋完善。随着试验和测试技术与计算机手段的提高，钢筋混凝土的设计理论会日趋完善，并向更高阶段发展。
1.3.2 砌体结构的发展
砖和石是两种古老的土木工程材料，我国早在5000年前就已建造石砌祭坛和石砌围
墙，公元595～605年建造了河北赵县安济桥（即俗称的赵州桥），秦代修建了闻名于世的万里长城等。20世纪上半叶，我国砌体发展缓慢，从过去的砖石建造低矮的民房，发展到大量多层民用建筑和小型工业建筑。20世纪60年代以来，我国小型砌块和多孔砖的生产及应用有较大的发展，由于混凝土小型砌块有诸多优点，它已成为替代传统黏土砖最有竞争力的墙体材料，现已建成数幢配筋混凝土砌块剪力墙结构的高层建筑，如1997年建成的辽宁盘锦国税局15层住宅，1998年建成的上海园南四街坊18层住宅等。目前，国外砌体结构同样有很大的发展，材料的强度有很大的提高，如黏土砖的强度、砂浆的强度和砌体的抗压强度都有很大的提高。美国、新西兰等采用配筋砌体在地震区建造的高层建筑达13～20层，如美国丹佛市17层的“五月市场”公寓和20层的派克兰姆塔楼，瑞士用高强度空心砖在苏黎世建造19层塔式建筑等。
1.4 本课程的特点、内容和任务
本课程研究的钢筋混凝土结构是钢筋和混凝土两种材料所组成的构件，而且混凝土是非均匀、非连续、非弹性材料。由于钢筋混凝土是由两种力学性能不同的材料所组成，如果两种材料在强度搭配和数量比值上的变化超过一定界限，会引起受力性能的改变，这是钢筋混凝土构件所具有的特点。本课程中研究的砌体结构是由砂浆将砖、石或砌块黏结而成的，其抗压能力较强；但砂浆与砖、石、砌块间的黏结力较弱，因此砌体的抗拉、抗弯和抗剪强度较低，抗震性能差，这也使砌体结构的应用受到了限制。
本课程主要讲述基本受力构件的受力性能、截面设计和构造要求等方面的基本知识。不仅要解决强度和变形的计算问题，而且要进一步解决构件的设计问题，包括结构方案、构件选型、材料选择和构造要求等，这是需要综合考虑的问题。对同一个问题，往往有多种可能的解决方法，学习时需要对多种因素进行综合分析。
1.5 学习本课程要注意的问题
学习本门课程时需注意以下几个问题：
（1）本课程公式多和构造多。学习时要正确理解建立公式时的基本假定、公式的适用范围和限制条件；构造处理和有关规定是长期科学实验和工程实践经验的总结，在设计结构和构件时，计算与构造同等重要，学习时要充分重视对构造规定和要求的理解。
（2）构件和结构设计是一个综合而又复杂的过程，包括结构方案、构件选型、材料选择、截面设计、配筋构造和施工等，在满足安全、适用、经济的前提下，可能有多个设计方案，需综合考虑，选择最优方案。在学习本课程时，要培养对多种因素进行综合分析和综合应用的能力。
（3）本课程的计算方法是建立在科学实验基础上的，由于本学科目前还没有建立起比较完善而又实用的强度理论，对实验的依赖性更强。因此在本门课程学习中要重视构件的实验研究结果，加强实验，了解实验中的规律性现象，正确理解建立公式时所采用的基本假定的实验依据。
（4）本课程是一门实践性很强的课程。因此在学习时要注重实践教学环节的学习，通过认识实习，积累感性知识；通过实习实训，增强工程实践经验。
（5）学习相关规范。结构设计要严格遵守国家颁布的相关规范、标准、规程以及法规。设计规范是国家颁布的关于结构设计计算和构造要求的技术规定和标准，是具有约束性和立法性的文件，是保证设计质量、设计方法和审批工程的统一依据，是工程设计人员必须遵守的规定。因此在学习本门课程中，要能熟悉、理解和应用相关的规范。
习题
思考题
（1）混凝土结构的分类有哪些?（2）什么是素混凝土结构?
（3）什么是钢筋混凝土结构?（4）什么是型钢混凝土结构?（5）什么是预应力混凝土结构?
（6）什么是无筋砌体?什么是配筋砌体?（7）钢筋混凝土结构的发展方向是什么?（8）学习本课程时应注意哪些问题?