浅议工程结构设计中的混凝土技术知识

夏燕芬

摘 要：混凝土技术是结构设计的基本知识，在传统设计理念中设计人员通常不考虑混凝土施工技术和环境。现从四点说明混凝土技术与工程结构设计的密切关系。1、工程结构与材料性质的关系；2、混凝土的徐变成因分析；3、工程结构设计必须有耐久性的目标；4、工程结构评价和混凝土知识是设计人员必备的知识技能。

关键词：结构设计；混凝土技术

在传统上，混凝土技术和结构设计两者好像是不相干的工作。前者的形象是穿着高统靴，不停地用搅拌机拌合混凝土并成型试件；后者则进行计算，近年来转到计算机方面。笔者结合工作实际，谈一谈混凝土技术是进行结构设计的基础。

1 工程结构与材料性质的关系

随着我国城市化进程的推进，我国各地的建筑业迅猛掘起，这对建筑施工、设计带来了难得的机遇和挑战。专业人才、专业知识发挥了很大的用处。特别是工程设计，已成为工程师们的主要工作。即设计是工程师的事，当然通常还包括建筑师和其他专业的人们。结构工程师负责保证结构的强度和智能化，以及它的可服务性、耐久性。所有这些要求都不可避免地需要了解结构材料的性能和行为。

对于不和地面相连的结构，例如汽车、飞机来说，选择结构形式和形状，与所用材料的联系非常紧密。设计时对结构各方面的选择，和对建筑材料的选择是同时进行的。因为材料的性质决定了所要达到的设计意图。当然，材料的发展也是为了满足结构的需求。这些年来的新材料、新工艺的发展一直是显著的。

对于大量和地面相连的结构则不是这样，这里的建筑材料就是钢筋和混凝土。钢材是在工厂里生产的，质量均匀，达到各种技术指标，而混凝土是在工地生产和运输、浇注、振捣和养护的。随着设计从单纯强度设计向性能设计转变，不仅混凝土的强度要特别规定，其它性能也需要有相应的保证。

2 混凝土的徐变成因分析

结构工程师在结构分析与设计方面，受过很好的教育和训练，能够驾御运用方程和现有的分析问题和解决问题的方法。但是这些方程包含描述材料性质的参数，当材料是混凝土的时候，抗压强度是最明了的，通常也是最容易得到的。然而结构的强度还需要知道混凝土的变形特性，它的弹性模量，况且它不是真弹性的，因此要了解混凝土的徐变。在大量的设计计算中，徐变是作为一个系数，只有一阶值，最好的情况，是两阶或三阶。然而，混凝土的徐变是混凝土拌合物配合料比、加载龄期、卸载龄期、温度和暴露条件的复杂函数。除了徐变外，还存在与应力有关，同时又受很多因素影响的干缩。在高性能混凝土應用日益广泛的情况下，还需要知道混凝土产生的自身收缩，这还是一个正在广泛研究的课题。某些情况下，桥墩是一个收缩引起问题的极好例子。在高墩上的连续梁，下部在水里还是陆地上，收缩的差异就很大。陆地上的收缩大，就引起梁的内应力，水中的收缩相对较小，徐变情况较缓。至于徐变，在高层建筑可能因其导致很大的垂直变形差异，有些可以通过控制持续应力的变异和柱子的配筋，还有它们的暴露条件（虽然这未必能办到）来避免。然而，在设计阶段，所用混凝土的徐变特性，因为还取决于龄期，是无法知道和控制的。徐变对镶面的影响也一样，它们的变形彼此总不相同。显然，要允许混凝土发生徐变，但它会有多大？怎样变，有着复杂的因素，难以预测。大多数工程师熟悉由于骨料或者拌合物的收缩特性产生意外的开裂，在设计阶段，这些都还是未知数。而规范的限制通常都很宽。这些变量的影响如此之大，就不能从相关资料如工程手册里去查找通用的物理参数。

3 工程结构设计必须有耐久性的目标

耐久性问题也是一样的。目前我国的许多地方，混凝土结构面临的主要问题是耐久性。70与80年代建造的许多结构物耐久性不良的情况很普遍，当时就是单凭强度来取舍材料的。由于水泥性质的变化，与过去获得一样的强度，但是水灰比可以比较高。结果是28d强度相同，而渗透性就比60年代的差。

影响混凝土的耐久性有外因，也有内因。设计人员必须很好地了解混凝土与环境之间相互作用的物理与化学现象，才能正确地对待这一问题。这里还有另一些例子表明混凝土的行为与结构耐久性间的关系。一个是结构形状对耐久性的影响。海水中板（slab）状防波堤不如桥梁上承载（deck）结构耐钢筋锈蚀，原因是海水中化学成份复杂，腐蚀钢筋的速度快，这种知识在需要保证结构具有一定使用寿命的时候，就特别重要了，而更好地设计面临这种要求的正在增多。

因为混凝土的耐久性，直接影响工程使用寿命。一般大中型永久性工程的使用年限均在500年以上，重要的工程在1000年以上。象我国的三峡工程、高速铁路网、悬浮列车轨道等，这就对设计人员提出了更高的要求。对工程结构设计和混凝土永久的耐久性设计等知识要透彻了解，把混凝土自身的结构破坏因素全盘考虑在其中，才能在设计中提升其层次。

环境因素引起的混凝土结构破坏除外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效。例如，混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂，水化热过快过高引起的温度裂缝，硫铝酸钙的延迟生成，以及混凝土的碱集料反应等。因此，要制成超耐久混凝土，就必须减小或消除这些结构破坏因素。好在人类对这些结构破坏因素产生的条件已有必须的认识，只要充分注意到这个问题，即可在生产实践中采取措施予以避免。例如，限制或消除从原材料引入的碱（在有意引入碱的条件下，应保证其完全结合）、SO3、Cl-等可以引起结构破坏和钢筋锈蚀物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生。

4 工程结构评价和混凝土知识是设计人员必备的知识技能

一座结构物体由结构工程师设计，而没有建筑师是可怕的，反之亦然。设计没有足够的混凝土知识，结果结构设计可能和材料的行为不匹配不对应。在过去，主要问题是用了完全不适用的混凝土，例如将高铝水泥用于结构混凝土；或者在钢筋混凝土、预应力混凝土里掺了氯化钙。

还有一些其它例子说明混凝土知识在结构设计中的重要性。结构形式可能要受混凝土的热性能影响，在设计一些大型结构，或者混凝土方量很大的结构时，就决定耐久性的锈蚀问题，应该自问一下：配筋是否必要，还是用圬工结构更适用？船坞就是这种结构的一个很好的例子。隧道衬砌也有同样的问题，那里配筋只是在吊装时有用，然而，通常正是锈蚀制约着隧道衬砌的使用寿命。

还可用两个例子来说明了解材料的重要性。一个是现有结构的评价，另一个是破坏情况的调查，通常是局部或部分破坏。是自应力导致的开裂或剥落？还是与热性能有关？是收缩上存在差异，还是因为养护不良？一位纯材料科学家都回答不了这种问题，因为他们不了解结构的构性。结构工程师可以回答，但只有在他们懂得混凝土在所有环境条件下的表现才能真正回答此种问题，所以结构工程师必须懂得实践的重要性，同时还要知晓混凝土在特定环境下的性能。结构设计人员不了解混凝土，就不是一个真正完全的设计师。因此结构工程师需要更广泛的接受知识技能教育和培训，也许这会看作是多余，但能够设计出更好、更耐久的结构就必须加强这方面的知识技能的历练。工程结构分析与混凝土施工环境、技术相关知识必须在设计人员身上得到充分体现，不仅在理论上掌握，而且能在实际操作中熟练运用。能将结构分析和设计知识与混凝土知识结合在一起。如果他们只懂得后者，也不可能去把两者有机的结合起来。有幸的是现在是有计算机的交互式学习的时代，可以解决这些问题。例如我们可以设定混凝土某种性质，例如徐变系数。然后变化徐变值，增大或者减小，对变形和应力分布的影响就显示出来；也可以假定用某种混凝土拌合物设计结构，然后看骨料的弹性模量增大或减小时的结果；模拟混凝土渗透性变化对耐久性的影响。这些联系也许需要一些人来准备，他们不认为结构设计和材料工程可以分离。这种计算机程序可以在所有设置土木工程系的学校里使用，作为跟随式学习混凝土的基本途径之一。

这样就可以把那些只懂结构分析计算、只阅读有关结构杂志的人们和只了解混凝土知识、只阅读材料杂志的人们交流起来，将使得建造更好的混凝土结构物有了保障，使工程结构设计中的混凝土技术得到很好的应用。