淺議工程結構設計中的混凝土技術知識

夏燕芬

摘 要：混凝土技術是結構設計的基本知識，在傳統設計理念中設計人員通常不考慮混凝土施工技術和環境。現從四點說明混凝土技術與工程結構設計的密切關系。1、工程結構與材料性質的關系；2、混凝土的徐變成因分析；3、工程結構設計必須有耐久性的目標；4、工程結構評價和混凝土知識是設計人員必備的知識技能。

關鍵詞：結構設計；混凝土技術

在傳統上，混凝土技術和結構設計兩者好像是不相干的工作。前者的形象是穿著高統靴，不停地用攪拌機拌合混凝土并成型試件；后者則進行計算，近年來轉到計算機方面。筆者結合工作實際，談一談混凝土技術是進行結構設計的基礎。

1 工程結構與材料性質的關系

隨著我國城市化進程的推進，我國各地的建筑業迅猛掘起，這對建筑施工、設計帶來了難得的機遇和挑戰。專業人才、專業知識發揮了很大的用處。特別是工程設計，已成為工程師們的主要工作。即設計是工程師的事，當然通常還包括建筑師和其他專業的人們。結構工程師負責保證結構的強度和智能化，以及它的可服務性、耐久性。所有這些要求都不可避免地需要了解結構材料的性能和行為。

對于不和地面相連的結構，例如汽車、飛機來說，選擇結構形式和形狀，與所用材料的聯系非常緊密。設計時對結構各方面的選擇，和對建筑材料的選擇是同時進行的。因為材料的性質決定了所要達到的設計意圖。當然，材料的發展也是為了滿足結構的需求。這些年來的新材料、新工藝的發展一直是顯著的。

對于大量和地面相連的結構則不是這樣，這里的建筑材料就是鋼筋和混凝土。鋼材是在工廠里生產的，質量均勻，達到各種技術指標，而混凝土是在工地生產和運輸、澆注、振搗和養護的。隨著設計從單純強度設計向性能設計轉變，不僅混凝土的強度要特別規定，其它性能也需要有相應的保證。

2 混凝土的徐變成因分析

結構工程師在結構分析與設計方面，受過很好的教育和訓練，能夠駕御運用方程和現有的分析問題和解決問題的方法。但是這些方程包含描述材料性質的參數，當材料是混凝土的時候，抗壓強度是最明了的，通常也是最容易得到的。然而結構的強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。在大量的設計計算中，徐變是作為一個系數，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雜函數。除了徐變外，還存在與應力有關，同時又受很多因素影響的干縮。在高性能混凝土應用日益廣泛的情況下，還需要知道混凝土產生的自身收縮，這還是一個正在廣泛研究的課題。某些情況下，橋墩是一個收縮引起問題的極好例子。在高墩上的連續梁，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，就引起梁的內應力，水中的收縮相對較小，徐變情況較緩。至于徐變，在高層建筑可能因其導致很大的垂直變形差異，有些可以通過控制持續應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）來避免。然而，在設計階段，所用混凝土的徐變特性，因為還取決于齡期，是無法知道和控制的。徐變對鑲面的影響也一樣，它們的變形彼此總不相同。顯然，要允許混凝土發生徐變，但它會有多大？怎樣變，有著復雜的因素，難以預測。大多數工程師熟悉由于骨料或者拌合物的收縮特性產生意外的開裂，在設計階段，這些都還是未知數。而規范的限制通常都很寬。這些變量的影響如此之大，就不能從相關資料如工程手冊里去查找通用的物理參數。

3 工程結構設計必須有耐久性的目標

耐久性問題也是一樣的。目前我國的許多地方，混凝土結構面臨的主要問題是耐久性。70與80年代建造的許多結構物耐久性不良的情況很普遍，當時就是單憑強度來取舍材料的。由于水泥性質的變化，與過去獲得一樣的強度，但是水灰比可以比較高。結果是28d強度相同，而滲透性就比60年代的差。

影響混凝土的耐久性有外因，也有內因。設計人員必須很好地了解混凝土與環境之間相互作用的物理與化學現象，才能正確地對待這一問題。這里還有另一些例子表明混凝土的行為與結構耐久性間的關系。一個是結構形狀對耐久性的影響。海水中板（slab）狀防波堤不如橋梁上承載（deck）結構耐鋼筋銹蝕，原因是海水中化學成份復雜，腐蝕鋼筋的速度快，這種知識在需要保證結構具有一定使用壽命的時候，就特別重要了，而更好地設計面臨這種要求的正在增多。

因為混凝土的耐久性，直接影響工程使用壽命。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。象我國的三峽工程、高速鐵路網、懸浮列車軌道等，這就對設計人員提出了更高的要求。對工程結構設計和混凝土永久的耐久性設計等知識要透徹了解，把混凝土自身的結構破壞因素全盤考慮在其中，才能在設計中提升其層次。

環境因素引起的混凝土結構破壞除外，混凝土本身的一些物理化學因素，也可能引起混凝土結構的嚴重破壞，致使混凝土失效。例如，混凝土的化學收縮和干縮過大引起的開裂，水化熱過快過高引起的溫度裂縫，硫鋁酸鈣的延遲生成，以及混凝土的堿集料反應等。因此，要制成超耐久混凝土，就必須減小或消除這些結構破壞因素。好在人類對這些結構破壞因素產生的條件已有必須的認識，只要充分注意到這個問題，即可在生產實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，應保證其完全結合）、SO3、Cl-等可以引起結構破壞和鋼筋銹蝕物質的含量，加強施工控制環節，避免收縮及溫度裂縫產生。

4 工程結構評價和混凝土知識是設計人員必備的知識技能

一座結構物體由結構工程師設計，而沒有建筑師是可怕的，反之亦然。設計沒有足夠的混凝土知識，結果結構設計可能和材料的行為不匹配不對應。在過去，主要問題是用了完全不適用的混凝土，例如將高鋁水泥用于結構混凝土；或者在鋼筋混凝土、預應力混凝土里摻了氯化鈣。

還有一些其它例子說明混凝土知識在結構設計中的重要性。結構形式可能要受混凝土的熱性能影響，在設計一些大型結構，或者混凝土方量很大的結構時，就決定耐久性的銹蝕問題，應該自問一下：配筋是否必要，還是用圬工結構更適用？船塢就是這種結構的一個很好的例子。隧道襯砌也有同樣的問題，那里配筋只是在吊裝時有用，然而，通常正是銹蝕制約著隧道襯砌的使用壽命。

還可用兩個例子來說明了解材料的重要性。一個是現有結構的評價，另一個是破壞情況的調查，通常是局部或部分破壞。是自應力導致的開裂或剝落？還是與熱性能有關？是收縮上存在差異，還是因為養護不良？一位純材料科學家都回答不了這種問題，因為他們不了解結構的構性。結構工程師可以回答，但只有在他們懂得混凝土在所有環境條件下的表現才能真正回答此種問題，所以結構工程師必須懂得實踐的重要性，同時還要知曉混凝土在特定環境下的性能。結構設計人員不了解混凝土，就不是一個真正完全的設計師。因此結構工程師需要更廣泛的接受知識技能教育和培訓，也許這會看作是多余，但能夠設計出更好、更耐久的結構就必須加強這方面的知識技能的歷練。工程結構分析與混凝土施工環境、技術相關知識必須在設計人員身上得到充分體現，不僅在理論上掌握，而且能在實際操作中熟練運用。能將結構分析和設計知識與混凝土知識結合在一起。如果他們只懂得后者，也不可能去把兩者有機的結合起來。有幸的是現在是有計算機的交互式學習的時代，可以解決這些問題。例如我們可以設定混凝土某種性質，例如徐變系數。然后變化徐變值，增大或者減小，對變形和應力分布的影響就顯示出來；也可以假定用某種混凝土拌合物設計結構，然后看骨料的彈性模量增大或減小時的結果；模擬混凝土滲透性變化對耐久性的影響。這些聯系也許需要一些人來準備，他們不認為結構設計和材料工程可以分離。這種計算機程序可以在所有設置土木工程系的學校里使用，作為跟隨式學習混凝土的基本途徑之一。

這樣就可以把那些只懂結構分析計算、只閱讀有關結構雜志的人們和只了解混凝土知識、只閱讀材料雜志的人們交流起來，將使得建造更好的混凝土結構物有了保障，使工程結構設計中的混凝土技術得到很好的應用。