淺議工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的混凝土技術(shù)知識(shí)

夏燕芬

摘 要：混凝土技術(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中設(shè)計(jì)人員通常不考慮混凝土施工技術(shù)和環(huán)境?，F(xiàn)從四點(diǎn)說(shuō)明混凝土技術(shù)與工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的密切關(guān)系。1、工程結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)的關(guān)系；2、混凝土的徐變成因分析；3、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須有耐久性的目標(biāo)；4、工程結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)和混凝土知識(shí)是設(shè)計(jì)人員必備的知識(shí)技能。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；混凝土技術(shù)

在傳統(tǒng)上，混凝土技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩者好像是不相干的工作。前者的形象是穿著高統(tǒng)靴，不停地用攪拌機(jī)拌合混凝土并成型試件；后者則進(jìn)行計(jì)算，近年來(lái)轉(zhuǎn)到計(jì)算機(jī)方面。筆者結(jié)合工作實(shí)際，談一談混凝土技術(shù)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

1 工程結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)的關(guān)系

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)各地的建筑業(yè)迅猛掘起，這對(duì)建筑施工、設(shè)計(jì)帶來(lái)了難得的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。專業(yè)人才、專業(yè)知識(shí)發(fā)揮了很大的用處。特別是工程設(shè)計(jì)，已成為工程師們的主要工作。即設(shè)計(jì)是工程師的事，當(dāng)然通常還包括建筑師和其他專業(yè)的人們。結(jié)構(gòu)工程師負(fù)責(zé)保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和智能化，以及它的可服務(wù)性、耐久性。所有這些要求都不可避免地需要了解結(jié)構(gòu)材料的性能和行為。

對(duì)于不和地面相連的結(jié)構(gòu)，例如汽車、飛機(jī)來(lái)說(shuō)，選擇結(jié)構(gòu)形式和形狀，與所用材料的聯(lián)系非常緊密。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)各方面的選擇，和對(duì)建筑材料的選擇是同時(shí)進(jìn)行的。因?yàn)椴牧系男再|(zhì)決定了所要達(dá)到的設(shè)計(jì)意圖。當(dāng)然，材料的發(fā)展也是為了滿足結(jié)構(gòu)的需求。這些年來(lái)的新材料、新工藝的發(fā)展一直是顯著的。

對(duì)于大量和地面相連的結(jié)構(gòu)則不是這樣，這里的建筑材料就是鋼筋和混凝土。鋼材是在工廠里生產(chǎn)的，質(zhì)量均勻，達(dá)到各種技術(shù)指標(biāo)，而混凝土是在工地生產(chǎn)和運(yùn)輸、澆注、振搗和養(yǎng)護(hù)的。隨著設(shè)計(jì)從單純強(qiáng)度設(shè)計(jì)向性能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，不僅混凝土的強(qiáng)度要特別規(guī)定，其它性能也需要有相應(yīng)的保證。

2 混凝土的徐變成因分析

結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方面，受過(guò)很好的教育和訓(xùn)練，能夠駕御運(yùn)用方程和現(xiàn)有的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法。但是這些方程包含描述材料性質(zhì)的參數(shù)，當(dāng)材料是混凝土的時(shí)候，抗壓強(qiáng)度是最明了的，通常也是最容易得到的。然而結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度還需要知道混凝土的變形特性，它的彈性模量，況且它不是真彈性的，因此要了解混凝土的徐變。在大量的設(shè)計(jì)計(jì)算中，徐變是作為一個(gè)系數(shù)，只有一階值，最好的情況，是兩階或三階。然而，混凝土的徐變是混凝土拌合物配合料比、加載齡期、卸載齡期、溫度和暴露條件的復(fù)雜函數(shù)。除了徐變外，還存在與應(yīng)力有關(guān)，同時(shí)又受很多因素影響的干縮。在高性能混凝土應(yīng)用日益廣泛的情況下，還需要知道混凝土產(chǎn)生的自身收縮，這還是一個(gè)正在廣泛研究的課題。某些情況下，橋墩是一個(gè)收縮引起問(wèn)題的極好例子。在高墩上的連續(xù)梁，下部在水里還是陸地上，收縮的差異就很大。陸地上的收縮大，就引起梁的內(nèi)應(yīng)力，水中的收縮相對(duì)較小，徐變情況較緩。至于徐變，在高層建筑可能因其導(dǎo)致很大的垂直變形差異，有些可以通過(guò)控制持續(xù)應(yīng)力的變異和柱子的配筋，還有它們的暴露條件（雖然這未必能辦到）來(lái)避免。然而，在設(shè)計(jì)階段，所用混凝土的徐變特性，因?yàn)檫€取決于齡期，是無(wú)法知道和控制的。徐變對(duì)鑲面的影響也一樣，它們的變形彼此總不相同。顯然，要允許混凝土發(fā)生徐變，但它會(huì)有多大？怎樣變，有著復(fù)雜的因素，難以預(yù)測(cè)。大多數(shù)工程師熟悉由于骨料或者拌合物的收縮特性產(chǎn)生意外的開裂，在設(shè)計(jì)階段，這些都還是未知數(shù)。而規(guī)范的限制通常都很寬。這些變量的影響如此之大，就不能從相關(guān)資料如工程手冊(cè)里去查找通用的物理參數(shù)。

3 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須有耐久性的目標(biāo)

耐久性問(wèn)題也是一樣的。目前我國(guó)的許多地方，混凝土結(jié)構(gòu)面臨的主要問(wèn)題是耐久性。70與80年代建造的許多結(jié)構(gòu)物耐久性不良的情況很普遍，當(dāng)時(shí)就是單憑強(qiáng)度來(lái)取舍材料的。由于水泥性質(zhì)的變化，與過(guò)去獲得一樣的強(qiáng)度，但是水灰比可以比較高。結(jié)果是28d強(qiáng)度相同，而滲透性就比60年代的差。

影響混凝土的耐久性有外因，也有內(nèi)因。設(shè)計(jì)人員必須很好地了解混凝土與環(huán)境之間相互作用的物理與化學(xué)現(xiàn)象，才能正確地對(duì)待這一問(wèn)題。這里還有另一些例子表明混凝土的行為與結(jié)構(gòu)耐久性間的關(guān)系。一個(gè)是結(jié)構(gòu)形狀對(duì)耐久性的影響。海水中板（slab）狀防波堤不如橋梁上承載（deck）結(jié)構(gòu)耐鋼筋銹蝕，原因是海水中化學(xué)成份復(fù)雜，腐蝕鋼筋的速度快，這種知識(shí)在需要保證結(jié)構(gòu)具有一定使用壽命的時(shí)候，就特別重要了，而更好地設(shè)計(jì)面臨這種要求的正在增多。

因?yàn)榛炷恋哪途眯裕苯佑绊懝こ淌褂脡勖?。一般大中型永久性工程的使用年限均?00年以上，重要的工程在1000年以上。象我國(guó)的三峽工程、高速鐵路網(wǎng)、懸浮列車軌道等，這就對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和混凝土永久的耐久性設(shè)計(jì)等知識(shí)要透徹了解，把混凝土自身的結(jié)構(gòu)破壞因素全盤考慮在其中，才能在設(shè)計(jì)中提升其層次。

環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞除外，混凝土本身的一些物理化學(xué)因素，也可能引起混凝土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，致使混凝土失效。例如，混凝土的化學(xué)收縮和干縮過(guò)大引起的開裂，水化熱過(guò)快過(guò)高引起的溫度裂縫，硫鋁酸鈣的延遲生成，以及混凝土的堿集料反應(yīng)等。因此，要制成超耐久混凝土，就必須減小或消除這些結(jié)構(gòu)破壞因素。好在人類對(duì)這些結(jié)構(gòu)破壞因素產(chǎn)生的條件已有必須的認(rèn)識(shí)，只要充分注意到這個(gè)問(wèn)題，即可在生產(chǎn)實(shí)踐中采取措施予以避免。例如，限制或消除從原材料引入的堿（在有意引入堿的條件下，應(yīng)保證其完全結(jié)合）、SO3、Cl-等可以引起結(jié)構(gòu)破壞和鋼筋銹蝕物質(zhì)的含量，加強(qiáng)施工控制環(huán)節(jié)，避免收縮及溫度裂縫產(chǎn)生。

4 工程結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)和混凝土知識(shí)是設(shè)計(jì)人員必備的知識(shí)技能

一座結(jié)構(gòu)物體由結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)，而沒有建筑師是可怕的，反之亦然。設(shè)計(jì)沒有足夠的混凝土知識(shí)，結(jié)果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能和材料的行為不匹配不對(duì)應(yīng)。在過(guò)去，主要問(wèn)題是用了完全不適用的混凝土，例如將高鋁水泥用于結(jié)構(gòu)混凝土；或者在鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土里摻了氯化鈣。

還有一些其它例子說(shuō)明混凝土知識(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性。結(jié)構(gòu)形式可能要受混凝土的熱性能影響，在設(shè)計(jì)一些大型結(jié)構(gòu)，或者混凝土方量很大的結(jié)構(gòu)時(shí)，就決定耐久性的銹蝕問(wèn)題，應(yīng)該自問(wèn)一下：配筋是否必要，還是用圬工結(jié)構(gòu)更適用？船塢就是這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)很好的例子。隧道襯砌也有同樣的問(wèn)題，那里配筋只是在吊裝時(shí)有用，然而，通常正是銹蝕制約著隧道襯砌的使用壽命。

還可用兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明了解材料的重要性。一個(gè)是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)，另一個(gè)是破壞情況的調(diào)查，通常是局部或部分破壞。是自應(yīng)力導(dǎo)致的開裂或剝落？還是與熱性能有關(guān)？是收縮上存在差異，還是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)不良？一位純材料科學(xué)家都回答不了這種問(wèn)題，因?yàn)樗麄儾涣私饨Y(jié)構(gòu)的構(gòu)性。結(jié)構(gòu)工程師可以回答，但只有在他們懂得混凝土在所有環(huán)境條件下的表現(xiàn)才能真正回答此種問(wèn)題，所以結(jié)構(gòu)工程師必須懂得實(shí)踐的重要性，同時(shí)還要知曉混凝土在特定環(huán)境下的性能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不了解混凝土，就不是一個(gè)真正完全的設(shè)計(jì)師。因此結(jié)構(gòu)工程師需要更廣泛的接受知識(shí)技能教育和培訓(xùn)，也許這會(huì)看作是多余，但能夠設(shè)計(jì)出更好、更耐久的結(jié)構(gòu)就必須加強(qiáng)這方面的知識(shí)技能的歷練。工程結(jié)構(gòu)分析與混凝土施工環(huán)境、技術(shù)相關(guān)知識(shí)必須在設(shè)計(jì)人員身上得到充分體現(xiàn)，不僅在理論上掌握，而且能在實(shí)際操作中熟練運(yùn)用。能將結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)知識(shí)與混凝土知識(shí)結(jié)合在一起。如果他們只懂得后者，也不可能去把兩者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。有幸的是現(xiàn)在是有計(jì)算機(jī)的交互式學(xué)習(xí)的時(shí)代，可以解決這些問(wèn)題。例如我們可以設(shè)定混凝土某種性質(zhì)，例如徐變系數(shù)。然后變化徐變值，增大或者減小，對(duì)變形和應(yīng)力分布的影響就顯示出來(lái)；也可以假定用某種混凝土拌合物設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，然后看骨料的彈性模量增大或減小時(shí)的結(jié)果；模擬混凝土滲透性變化對(duì)耐久性的影響。這些聯(lián)系也許需要一些人來(lái)準(zhǔn)備，他們不認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料工程可以分離。這種計(jì)算機(jī)程序可以在所有設(shè)置土木工程系的學(xué)校里使用，作為跟隨式學(xué)習(xí)混凝土的基本途徑之一。

這樣就可以把那些只懂結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、只閱讀有關(guān)結(jié)構(gòu)雜志的人們和只了解混凝土知識(shí)、只閱讀材料雜志的人們交流起來(lái)，將使得建造更好的混凝土結(jié)構(gòu)物有了保障，使工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的混凝土技術(shù)得到很好的應(yīng)用。