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发信人: spaceflight (雨前龙井), 信区: Mechanics
标  题: [身边的力学]混凝土的发展与力学——苏洪
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 16:09:06 2005), 站内

混凝土的发展与力学

苏洪
 

    人们最早利用混凝土只不过把它当作人造石材，并没有想到会有今天这样翻天覆地般的影响。今日的混凝土已经渗透到我们生活、生产的各个角落，从海港建筑到高山上的岗亭，从一般的平房到摩天大楼，从乡间小道到万人广场都能见到混凝土的足迹。那么，为什么混凝土能得到如此广泛的应用呢？

    首先是混凝土找到了一个很好的伴侣——钢材。作为人造石材的混凝土与一般石材一样，虽有较好的耐压性能，但经不起受拉，除了其形状能容易地满足人们的要求外，它与石材相比并没有什么特殊的优点。但是它有一个重要的性质，那就是它的膨胀系数与钢材很接近，因此它可以与钢材紧密结合起来。两种材料要永远粘合在一起，关键是要求它们的膨胀系数一样，否则热胀冷缩，彼此胀缩不同就要脱离开来，而混凝土与钢材的结合是经得起长期考验的。另一方面混凝土善于受压，钢材善于受拉，两者结合起来作为梁来使用时正好能够发挥彼此的长处。因为在梁里总是有一侧受压另一侧受拉的。图1所示是所谓简支梁，即两头的支座均能允许梁端自由转动。它在受载过程中，要产生向下的弯曲变形，这必然使上边的材料缩短，下边的材料拉长，即总是上边受压下边受拉。进一步可以说：任何承受弯曲的构件总是一边受拉，一边受压。若把钢筋放在受拉一边，将混凝土放在受压一边，正好符合梁内的受力分布。用钢筋混凝土做6～7米长的梁，可以得到很好的经济效果。它不仅价格便宜而且耐久性好。

    随着科学技术的发展，新的矛盾产生了，钢材的耐拉能力随着钢材性能的改进愈来愈高，可是它的弹性模量并没有增加，弹性模量是反映材料每单位伸长所需要的力。现在抗拉能力提高了，弹性模量没有增加，说明钢材在拉断时比以前伸的更长了。粘结在钢材旁边的混凝土本来就怕受拉，现在必然会裂得更加厉害而使构件无法正常使用。这就使能经拉的钢材，也就是高强钢材无法在钢筋混凝土构件中采用。为了克服这一弱点，人们设法先将钢筋拉紧，然后再在其四周浇筑混凝土，待混凝土凝固并与钢筋产生粘结力以后再放松拉紧了的钢筋。这时靠它们彼此间的粘结力使一部分预先拉紧钢筋的力量传到混凝土上，使在钢筋周围的混凝土受到预压力，而处在与钢筋相对一侧的混凝土受到预拉力，整个梁好像受到反方向的弯曲而拱起。这种现象称作反拱。反拱起来的梁、板在使用载荷下又重新弯回来。在相同的下垂变形条件下，经反拱的梁、板当然能承受更大的载荷，使其既不开裂也更不易破坏，这种被预先拉紧的钢筋做成的构件称作预应力混凝土构件。

    人们并没有停留在一般预应力混凝土构件的水平上，经过进一步探索，发现钢筋预加应力后在构件内呈直线状态。因为只要拉紧了，它就绷直了。可是直线位置的钢筋并不是最合宜的位置，于是开始探索曲线配置预应力钢筋的方法。首先想到的是在混凝土中预留孔道，待混凝土硬化后再穿钢筋，然后再张拉钢筋，向孔道里浇注水泥浆，使钢筋与混凝土间产生粘结力，形成预应力构件，这种构件里的钢筋允许有小量的弯曲。它称作后张法预应力构件，以便区别于前面先张拉钢筋再浇注混凝土的先张法预应力构件。

    小量的弯曲还不能满足人们的愿望，于是放弃了钢筋与混凝土粘结的要求，将高强度钢材用隔离剂与混凝土分割开，先将这种钢筋按要求的曲线形状放好后再浇混凝土，由于存在隔离剂，钢筋可以在其中自由抽动，当然也就可以张拉这种曲线配置的钢筋了。张拉好以后再靠锚固技术将钢筋在两端锚固在混凝土上，中间仍保持无粘结状态。可以想象，这种锚固技术要求相当牢靠。只要锚固牢靠，它同样起到了预加应力的效果，这就是无粘结预应力混凝土。因为钢筋可以在混凝土中自由抽动，它的设计计算方法与一般有粘结力的预应力混凝土构件不同。人们没有停止前进的步伐，又进一步将优化理论应用到预应力构件上来。他们发现，并不是钢筋预拉得越紧越好，而是有一个最优的拉紧程度。这样，当解决了精确控制钢筋张拉力的技术以后，人们研制出了所谓部分预应力混凝土构件，这种构件既能满足承载能力、变形与开裂程度的要求，又处于最经济合理的状态中。

    混凝土技术随着生产而发展，离不开力学知识的深入应用。人们将从各个方面来开发混凝土的潜力，创造出理想的、合理的结构形式，而力学永远是混凝土技术发展的依据。

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