任务二 发展简况
目 标：（1）了解钢筋混凝土结构发展简况。
（2）了解钢结构发展简况。
（3）了解砌体结构发展简况。
提交成果：发展简况课程报告。
一、混凝土结构的发展简况
混凝土结构从19世纪中叶开始采用以来，距今仅150多年。与砖石结构、木结构和钢结构相比，混凝土结构的历史并不长，但发展极为迅速，目前已成为世界各国现代土木工程建设中占主导地位的结构。为了克服混凝土结构的缺点，发挥其优势，以适应社会建设不断发展的需要，混凝土结构的材料制造与施工技术、结构型式、结构设计计算理论等方面的研究也在不断地发展。
（一）材料与施工技术方面的发展
1.混凝土材料
具有高强度、高工作性和高耐久性的高性能混凝土是混凝土的主要发展方向之一。早期混凝土的强度都比较低，较高强度的混凝土又比较干硬而难以成型。目前立方体抗压强度为50～80N/mm2、坍落度为12～16cm的高性能混凝土已在工程中广泛应用；立方体抗压强度为100～200N/mm2的超高强混凝土也在实际工程中得到了应用。采用活性细粉配制的混凝土立方体抗压强度可达200～800N/mm2，抗拉强度可达25～150N/mm2。大型结构的现浇混凝土施工，因采用工地现场拌和楼（站）集中搅拌混凝土和泵送技术，可将混凝土通过泵送管道输送至浇筑地点，给机械化现浇混凝土施工带来很大方便；商品混凝土的发展结束了在现场存放混凝土原材料、混凝土搅拌等工序，保证了混凝土质量，减少了环境污染，在城市建筑中得到迅速发展。
具有自身诊断、自身控制、自身修复等功能的机敏型高性能混凝土，得到越来越多的研究和重视。如自密实混凝土，可不需机械振捣，而是依靠自身的重量达到密实。混凝土具有高工作性，质量均匀、耐久，钢筋布置较密或构件体型复杂时也易于浇筑，施工速度快，使无噪声混凝土施工成为现实，从而实现了文明施工。再如内养护混凝土，采用部分吸水预湿轻骨料在混凝土内部形成蓄水器，保持混凝土得到持续的内部潮湿养护，与外部潮湿养护相结合，可使混凝土的自生收缩大为降低，减少了微细裂缝。
利用天然轻集料（如浮石、凝灰石等）、工业废料轻集料（如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石及其轻砂）、人造轻集料（如页岩陶粒、黏土陶粒、膨胀珍珠岩等）制成的轻集料混凝土，具有重度小（重度仅为14～18kN/m3，自重减少20%～30%）、相对强度高等特点，同时具有优良的保温和抗冻性能。天然轻集料及工业废料轻集料还具有节约能源、减少堆积废料占用土地、减少厂区或城市污染、保护环境等优点。承重的人造轻集料混凝土，由于弹性模量低于同等级的普通混凝土，吸收冲击能量快，能有效减小地震作用，节约材料、降低造价。
再生骨料混凝土的研究和利用是解决城市改造与拆除重建建筑废料、减少环境建筑垃圾、变废为宝的途径之一。将拆除建筑物的废料如混凝土、砖块经破碎后得到的再生粗骨料清洗以后可以代替全部或部分石子配制混凝土，其强度、变形性能视再生粗骨料代替石子的比率有所不同。
用于大体积混凝土结构（如水工大坝、大型基础）、公路路面与厂房地面的碾压混凝土，其浇筑过程采用先进的机械化施工，浇筑工期可大为缩短，并能节约大量材料，从而获得较高的经济效益。
为了改善混凝土抗拉性能差、延性差等缺点，在混凝土中掺加纤维以改善混凝土性能的研究发展得相当迅速。目前研究较多的有钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维混凝土等。在承重结构中，发展较快、应用较广的是钢纤维混凝土。钢纤维混凝土采用常规施工技术，其纤维掺量一般为混凝土体积的0.6%～2.0%。当纤维掺量在1.0%～2.0%时，与基体混凝土相比，钢纤维混凝土的抗拉强度可提高40%～80%；抗弯强度可提高50%～120%；抗剪强度提高50%～100%；抗压强度提高较小，在0～25%；弹性阶段的变形与基体混凝土性能相比没有显著差别，但可大幅度提高衡量钢纤维混凝土塑性变形性能的韧性。为了提高纤维对混凝土的增强效果，先撒布钢纤维再渗浇砂浆或细石混凝土的技术已在公路钢纤维混凝土路面中得到应用。
其他各种特殊性能混凝土，如聚合物混凝土、耐腐蚀混凝土、微膨胀混凝土和水下不分散混凝土等的应用，可提高混凝土的抗裂性、耐磨性、抗渗和抗冻能力等，对混凝土的耐久性十分有利。
另外，品种繁多的外加剂也在工程上得到应用，对改善混凝土的性能起着很大的作用。各种混凝土细掺料如硅粉、磨细矿渣、粉煤灰等的回收利用，不仅改善了混凝土的性能，而且减少了环境污染。
2.配筋材料
钢筋的发展方向是高强、防腐、较好的延性和良好的黏结锚固性能。我国用于普通混凝土结构的钢筋强度已达500N/mm2，预应力构件中已采用强度为1960N/mm2的钢绞线。为了提高钢筋的防腐性能，带有环氧树脂涂层的热轧钢筋和钢绞线已开始在某些有特殊防腐要求的工程中应用。
采用纤维筋代替钢筋的研究也得到较大进展，常用的树脂黏结纤维筋有碳纤维筋、玻璃纤维筋和芳纶纤维筋。这几种纤维筋的突出优点是抗腐蚀、强度高，同时还具有良好的抗疲劳性能、大的弹性变形能力、高电阻及低磁导性，缺点是断裂应变性能较差、较脆、徐变值和热膨胀系数较大，玻璃纤维筋的抗碱化性能较差。
在钢筋的连接成型方面，正在大力发展各种钢筋成型机械及绑扎机具，以减少大量的手工操作。
3.模板材料
模板材料除了目前使用的木模板、钢模板、竹模板、硬塑料模板外，今后将向多功能发展。发展薄片、美观、廉价又能与混凝土牢固结合的永久性模板，将使模板可以作为结构的一部分参与受力，还可省去装修工序。透水模板的使用，可以滤去混凝土中多余的水分，大大提高混凝土的密实性和耐久性。
（二）结构形式方面的发展
混凝土结构在土木工程各个领域得到了广泛的应用，目前混凝土结构的跨度和高度都在不断地增大。在城市建筑中，上海市的金贸大厦是当今中国第一、世界第二的高楼，建筑总高度为420.5m，主楼地上88层、地下3层，为框筒结构体系，核心筒为现浇钢筋混凝土，外框为钢结构与混凝土结构复合成巨型框架，混凝土施工采用超高层泵送商品混凝土技术，C40级混凝土一次泵送高度382.5m，C50级混凝土一次泵送高度264.9m，C60级混凝土一次泵送高度229.7m。在桥梁工程中，武汉长江二桥是一座主跨400m双塔双索面自锚式悬浮体系的预应力混凝土斜拉桥，桥式组成以跨径5m＋180m＋400m＋180m＋5m双塔双索面的预应力混凝土斜拉桥为主桥，两侧布置跨径125m＋130m＋83m预应力混凝土连续刚构，在北岸边滩地布置跨径7m×60m预应力混凝土连续箱梁，斜拉桥部分桥面宽29.4m，其他部分为26.4m，车行道宽均为23m（6车道），建筑规模与同类型斜拉桥相比，仅次于美国达姆角桥，居世界第二；世界上跨度最大的混凝土拱桥——克罗地亚的克尔克Ⅱ号桥，跨度达390m。在水利工程中，世界上最高的钢筋混凝土拱坝——格鲁吉亚的英古力坝，高272m；我国目前最高的混凝土拱坝——雅砻江二滩双曲拱坝，高240m。在特种结构中，上海电视塔主体为混凝土结构，高415.2m，是我国目前最高的电视塔。
近年来，钢板与混凝土或钢板与钢筋混凝土、型钢与混凝土组成的钢-混凝土组合结构得到迅速发展应用，如钢板混凝土用于地下结构和混凝土结构加固、压型钢板-混凝土板用于楼板、型钢与混凝土组合而成的组合梁用于楼盖和桥梁、外包钢混凝土柱用于电站主厂房等。以型钢或以型钢和钢筋焊成的骨架做筋材的钢骨混凝土结构，由于其筋材刚度大，施工时可用其来支撑模板和混凝土自重，可以简化支模工作。在房屋建筑工程中，世界上最高的混凝土高层建筑——马来西亚吉隆坡City Center的双塔大厦，为钢骨混凝土结构，高450m。
在钢管内浇筑混凝土形成的钢管混凝土结构，由于管内混凝土在纵向压力作用下处于三向受压状态并起到抑制钢管的局部失稳，因而使构件的承载力和变形能力大大提高；由于钢管极为混凝土的模板，施工速度较快。因此，在高层建筑结构的底层和拱桥等工程中得到了逐步推广应用。我国目前跨度最大的钢管拱桥——四川涪陵乌江桥，主跨达200m。
这些高性能新型组合结构具有充分利用材料强度、较好的适应变形能力（延性）、施工较简单等特点，从而大大拓宽了钢筋混凝土结构的应用范围。使得大跨度结构、高层建筑、高耸结构和具备某种特殊功能的钢筋混凝土结构的建造成为可能。
预应力混凝土结构由于抗裂性能好，可充分利用高强度材料，各种应用发展迅速。同时结合传统预应力工艺和实际结构特点，发展了以增强后张预应力孔道灌浆密实性为目的的真空辅助灌浆技术、以减小张拉力减轻张拉设备为目的的横张预应力技术、以实现筒形断面结构环向预应力为目的的环形后张预应力技术、以减小结构建筑高度为目的的预拉预压双预应力技术等。在高耸结构与特种结构中，世界上最高的预应力混凝土电视塔为加拿大多伦多电视塔，高达549m；某些有特殊要求的结构，例如核电站安全壳和压力容器、海上采油平台、大型蓄水池、贮气罐及贮油罐等结构，抗裂及抗腐蚀能力要求较高，采用预应力混凝土结构有其独特的优越性，而非其他材料可比拟。
将预应力钢筋（索）布置在混凝土结构体外的预应力技术，因大幅度减少预应力损失，简化结构截面形状和减小截面尺寸，便于再次张拉、锚固、更换或增添新索，已在桥梁工程的修建、补强加固及其他建筑结构的补强加固中得到应用。
（三）设计计算理论方面的发展
从把材料看作弹性体的容许应力古典理论（结构内力和构件截面计算均套用弹性理论，采用容许应力设计方法），发展为考虑材料塑性的极限强度理论，并迅速发展成按极限状态设计的理论体系。目前在工程结构设计规范中已采用基于概率论和数理统计分析的可靠度理论。
混凝土的微观断裂和内部损伤机理、混凝土的强度理论及非线性变形的计算理论、钢筋与混凝土间黏结-滑移理论等方面也有很大进展。钢筋混凝土有限元方法和现代测试技术的应用，使得混凝土结构的计算理论和设计方法向更高的阶段发展，并日趋完善。结构分析可以根据结构类型、构件布置、材料性能和受力特点选用线弹性分析方法、考虑塑性内力重分布的分析方法、塑性极限分析方法、非线性分析方法和实验分析方法等。
在混凝土结构耐久性设计方面，已建立了相关的材料性能劣化计算模型进行结构使用年限的定量计算，并基于混凝土在环境作用（碳化、氯盐、冻蚀、酸腐蚀）下的损伤机理，提出了结构设计应采取的防护措施。
（四）加固技术方面的发展
近年来，混凝土结构的加固技术得到重视和发展，在加固工作程序、补强加固方法、加固材料、裂缝修补方法等方面基本形成了比较成熟的设计体系。碳纤维布等片材粘贴加固混凝土结构技术的应用，使混凝土结构的加固不仅快速简便，而且不增加原结构重量，施工时对使用影响也很小。
总之，随着科学技术的发展和对混凝土结构研究的深入，混凝土结构的缺点正在得到克服和改善，混凝土结构在土木工程领域将得到更为广泛的应用，发展前景更加广阔。
二、钢结构的发展简况
我国是最早用铁建造结构的国家之一。比较著名的是铁链桥，主要有云南省永平与保山之间跨越澜沧江的霁虹桥以及四川泸定大渡河上的泸定桥；其次是一些纪念性建筑，如建于967年的广州光孝寺的东铁塔和建于963年的西铁塔，以及建于1061年的湖北当阳玉泉寺的13层铁塔。中国古代在钢铁结构方面虽然有所创建，但在封建制度下，生产力发展极其缓慢，在新中国成立前的半殖民地半封建的百年历史中，中国也曾建造过一些钢桥和钢结构高层建筑，但绝大多数是外国人设计的。
新中国成立以后，随着经济建设的发展，钢结构在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中得到一定程度的发展。例如我国几个大型钢铁联合企业如鞍山、武汉、包头等钢厂的炼钢、轧钢、连铸车间等都采用钢结构；在公共建筑方面1975年建成跨度达110m的三向网架上海体育馆、1962年建成直径为94m的圆形双层辐射式悬索结构北京工人体育馆、1967年建成的双曲抛物面正交索网的悬索结构浙江体育馆；桥梁方面，1957年建成的武汉长江大桥和1968年建成的南京长江大桥都采用了铁路公路两用双层钢桁架桥；在塔桅结构方面，广州、上海等地都建造了高度超过200m的多边形空间桁架钢电视塔。1977年北京建成的环境气象塔是一高达325m的5层纤绳三角形杆身的钢桅杆结构。
改革开放以后，我国经济建设有了突飞猛进的发展，钢结构也有了前所未有的发展，应用的领域有了较大的扩展。高层和超高层房屋、多层房屋、单层轻型房屋、体育场馆、大跨度会展中心、大型客机检修库、自动化高架仓库、城市桥梁和大跨度公路桥梁、粮仓以及海上采油平台等都已采用钢结构。目前已建和在建的高层和超高层钢结构已有30余幢，其中地上88层、地下3层、高36.5m的上海金茂大厦的建成，标志着我国的超高层钢结构已进入世界前列。在大跨度建筑和单层工业厂房中，网架、网壳等结构的广泛应用，已受到世界各国的瞩目，其中上海体育馆马鞍型环形大悬挑空间钢结构屋盖和上海浦东国际机场航站楼张弦梁屋盖的建成，更标志着我国的大跨度空间钢结构已进入世界先进行列。桥梁方面，九江长江大桥、上海市杨浦大桥、江阴长江大桥等桥梁的建成标志着我国已有能力建造任何现代化的桥梁。
2005年我国钢产量达到3.45亿t，已连续多年高居世界各国钢铁年产量榜首。钢材质量及钢材规格也已能满足建筑钢结构的要求。市场经济的发展与不断成熟更为钢结构的发展创造了条件。因此，我国钢结构正处于迅速发展的前期。
可以预期，今后我国钢结构的发展方向主要在以下几个方面。
1.发展高强度低合金钢材
逐步发展高强度低合金钢材，除Q235钢、Q345钢外，Q390钢和Q420钢在钢结构中的应用尚有待进一步的研究。
2.钢结构设计方法的改进
概率极限状态设计方法还有待发展，因为它计算的可靠度还只是构件或某一截面的可靠度，而不是结构体系的可靠度，同时也不适用于疲劳计算的反复荷载作用下的结构。
另外，结构设计上考虑优化理论的应用与计算机辅助设计及绘图都得到很大的发展，今后还应继续研究和改进。
3.结构形式的革新
结构形式的革新也是今后值得研究的课题，如悬索结构、网架结构、超高层结构等近年来得到了很大的发展和应用。钢-混凝土组合结构的应用也日益推广，但结构的革新仍有待进一步发展。
三、砌体结构的发展简况
砌体结构的历史悠久，天然石是最原始的建筑材料之一。古代大量具有纪念性的建筑物用砖、石建造。如用加工的巨大石块建成的金字塔一直保存到现代。其中在尼罗河三角洲的吉萨建造的三座大金字塔（公元前2723～前2563年），是精确的正方锥体，其中最大的胡夫金字塔，塔高146.6m，底边长230.60m，约用230万块重2.5t的石块建成。
1949年中华人民共和国成立后，砌体结构得到很大发展和广泛应用，住宅建筑、多层民用建筑大量采用砖墙承重。中小型单层工业建筑和多层轻工业建筑也常采用砖墙承重。中国传统的空心砖墙，经过改进已经用作2～4层建筑的承重墙。20世纪50年代末开始，采用振动砖墙板建造五层住宅，承重墙厚度仅为12cm。在地震区，采取在承重砖墙转角和内外纵横墙交接处设置钢筋混凝土抗震柱也称构造柱，及在空心砖或空心砌块孔内配置纵向钢筋和浇灌混凝土等措施，提高砌体结构的抗震性能。
砌体结构发展的主要趋向是要求砖及砌块材料具有轻质高强的性能，砂浆具有高强度，特别是高黏结强度，尤其是采用高强度空心砖或空心砌块砌体时。在墙体内适当配置纵向钢筋，对克服砌体结构的缺点，减小构件截面尺寸，减轻自重和加快建造速度，具有重要意义。相应地研究设计理论，改进构件强度计算方法，提高施工机械化程度等，也是进一步发展砌体结构的重要课题。