【结构学习室】结构材料系列—钢筋混凝土

钢筋混凝土是现代工程建造中最常用的材料之一。与铁、木材、砖石等传统材料相比，现代钢筋混凝土的历史最短，却应用最广泛。

现代钢筋混凝土技术的细分庞杂，很难用几篇简单的综述文章讲清楚。小i以本文抛砖引玉，粗浅地介绍了钢筋混凝土的历史、结构形式、经典的项目、建筑表现，以及混凝土材料的新进展。

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混凝土的历史

古罗马混凝土  公元前3世纪

大约在公元前3世纪，古代罗马人发现了天然火山灰的水硬性，用它拌制的砂浆硬化后有很高的强度。在古罗马残留的遗迹中我们看到，坍塌的砌块牢牢的连接在一起，如果将砌块比作粗骨料，这算是古代混凝土的雏形。

至今保守完好的万神庙 (Rome, Italy, 公元128年)

古罗马混凝土遗迹 (公元前2世纪至公元1世纪)

由于采用了天然火山灰水泥，古罗马混凝土比现代混凝土的耐久性更好，即使经历了两千年风霜雨雪仍坚固、完好。

波特兰水泥  1824年

现代混凝土以水泥为胶凝材料，水泥是混凝土材料的灵魂，影响着混凝土的各方面性能。

1756年，英国工程师John Smeaton史密顿在修建灯塔时意外发现，把黏土和石灰石以适当的配比混合后煅烧(类似火山灰形成的过程)，可以达到很高的强度。史密顿的做法很快传遍欧洲各国，大家纷纷效仿。

John Smeaton修建的灯塔，1759年

1824-1840年，Joseph Aspdin和William Aspdin父子，总结出用石灰、黏土、矿渣等配比混合煅烧成“水泥”的方法。由于水泥硬结后的颜色和强度，与英国波特兰岛上天然石材差不多，人们便称它为“波特兰水泥”(即普通硅酸盐水泥)。

奥芬巴赫的混凝土景亭, 1879年

“波特兰水泥”最早的一次大规模应用，是建造了穿越泰晤士河河底的隧道。法国和德国分别在1840年和1855年建设了水泥制造厂。随后水泥在世界各地迅速推广使用。

钢筋混凝土 1849年

1849年，法国园丁Joseph Monier将铁丝与混凝土结合，

制作花盆，

解决了混凝土抗拉强度低的问题，并在1867年的巴黎博览会上展示了他的新发明。此后，他又陆续发明了铁筋混凝土管道、水箱、幕墙板，并在1875年设计了第一座铁筋混凝土桥。

第一座铁筋混凝土桥,Chazelet，1875年

法国工程师Francois Hennebique受到Monier的启发，将这种材料组合应用到建筑领域，他在1892年发明了全套的铁筋混凝土建筑建造系统，立刻引起了当时土木工程界的震动。

预应力混凝土 1888年

在钢(铁)筋混凝土应用于建筑领域不久，1888年美国工程师P.H.杰克孙提出了预应力混凝土的概念，但最初的尝试并不成功。低强度的钢(铁)筋限定了预应力值，而较小的预应力很快在混凝土徐变、收缩后而全部损失。

1928年法国工程师E .Freyssinet提出必须采用高强钢材和高强混凝土，以减少预应力损失的影响，他率先应用了极限强度1725MPa的高强钢丝。之后，E .Freyssinet和G .Magnel分别发明了锥形锚具和麦式锲形锚具，用于后张法预应力工艺。E .Hoyer 则研究出不靠锚具的先张法工艺，用于在工厂生产小型的预应力混凝土构件。

1950年，国际预应力混凝土协会FIP成立，借着战后重建的机会，预应力混凝土结构大量代替钢结构，推动了其理论和技术的蓬勃发展。

1956年，林同炎先生完成了经典著作《预应力混凝土结构设计》一书，提出“荷载平衡法”理论，把预加应力看作是

构件上

试图与外荷载平衡的另一种荷载，简化了预应力结构的分析。他将预应力理论在众多桥梁作品中实践，获得“预应力先生”的美誉。

莫斯康会议中心的地下展览厅,林同炎,1981年

采用预应力混凝土拱架结构,净跨约90米

现代预应力桥梁

预应力钢筋混凝土技术被认为是混凝土发展过程中最重要的进步之

一，它创造了一种理想的材料结合。

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混凝土结构形式

传统的建筑材料，如砖、石、木材受限于材料特性，决定了各自的建造逻辑。混凝土硬化前无所谓“形状”，也可以是“任何形状”。(钢筋)混凝土的奇妙之处在于它能适应多种形态、多种结构形式。

早期的混凝土拱结构，游泳馆

建筑师Louis Bonnier，工程师Emile Wood-Girard

混凝土本身的抗压强度高而抗拉强度低，早期的混凝土建筑常采用源自砖石结构的拱壳体系。随着钢筋混凝土和预应力技术的发展，大幅提高了抗弯、抗拉性能，从此更多的混凝土以源自木结构的框架形式出现。

混凝土框架结构，萨伏伊别墅，1931年

香川县厅舍，丹下健三，1955年

在结构形式和建筑表现上更贴近木结构

20世纪初，钢筋混凝土的设计理论仍尚不成熟。一批杰出的工程师，凭借着敏锐结构直觉，创作出了形态优美的钢筋混凝土作品，让人们认识到了钢筋混凝土的潜力。之后，借着第二次世界大战战后重建的机会，混凝土成为了主流的结构工程材料。

瑞士Salginatobel 三铰拱桥，马亚尔，1930年

被国际桥协评为20世纪最优美的桥梁

Robert Maillart马亚尔 (1872～1940)是混凝土结构实践的先驱。在混凝土刚刚兴起的年代，他设计出无梁楼盖、蘑菇形柱帽，以及堪称完美的混凝土三铰拱桥，赋予了混凝土结构灵性和活力。

钢筋混凝土桥梁配筋详图,马亚尔,1910

混凝土空间结构(仓库),马亚尔,1923-1925

奠定了预应力混凝土理论基础的E .Freyssinet (1879～1962)，同时也是工程实践的开拓者。他设计了包括自锚悬索桥、混凝土拱桥、预应力混凝土梁桥等大量作品（国际混凝土结构联合会颁发的结构混凝土奖章以Freyssinet的名字命名）。

钢筋混凝土悬链拱结构,机库, E .Freyssinet

 

The Plougastel Bridge, E.Freyssinet, 1924-1930

三跨钢筋混凝土箱形拱桥，每孔跨度176m

被称为“混凝土诗人”的奈尔维说：“钢筋混凝土像是一种可以抗拉的人造超级石材，工艺简单、造价低廉，几乎可以无限制地生产。混凝土以一种半流质状态，可以浇注成任意的形状…混凝土的

自由

形态和整体性，使得它既能符合建筑师的感性、又能追随力学的法则。

Artemio Franchi 体育场,悬挑24米,奈尔维,1931

企鹅池Penguin-poo, Ove Arup ,1934年

1933年，

Ove Arup设计

的企鹅池有两条交叉的混凝土螺旋坡道，呈现非常轻薄的自由形态。结构方面采用了预应力混凝土建造曲面，螺旋坡道根部上下错开，产生了类似桁架悬挑的受力效果。

加肋的混凝土筒壳飞机库,奈尔维,

1935-1942

马德里Zarzuela赛马场屋盖, 托罗哈, 1935年

霍奇米洛克餐厅, 坎德拉，1958

坎德拉设计的混凝土厂房

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混凝土的“形状”

模板

模板按照材料分类，有木模、钢模、钢木组合模、铝合金模、塑料模，砖砌模板等。通常

曲面形态的

混凝土模板制作复杂、造价昂贵。坎德拉利用双曲抛物面的直纹特点，用竖直的木材搭建模板建造了许多优美的HP壳体。

利用直纹曲面的特点架设模板，

帕尔米拉教堂

帕尔米拉教堂，坎德拉，1958

奈尔维早期的方法是以细钢筋按设计形态弯曲成框，罩以双层铁丝网，喷射砂浆成形并抹平，由此获得形态自由的钢筋水泥模板。这种轻薄的钢丝网水泥板模板本身也是承载结构的一部分，具有很好的强度。

罗马小体育馆,预制整浇的混凝土, 

奈尔维

之后，奈尔维将钢丝网水泥模板技术改造为整体装配式混凝土。先在地面用钢丝网水泥预制曲面板，板间的钢筋混凝土肋、节点现浇，再整浇一层薄薄的混凝土作防水层，并使全部结构形成整体。

FRP模板：台大社科院图书馆柱头曲面

脱模的混凝土外观

清水混凝土

有时，建筑师希望直接以混凝土本色作为建筑饰面。模板的材质和机理将直接影响着混凝土的建筑外观。

普通木模板：Eglise Saint Joseph教堂的木质机理

特级清水模：亚洲美术馆清水混凝土墙面

清水混凝土对美观、色差、表面气泡等方面有很高要求，需在混凝土配制、施工、养护等方面都应采取相应的措施。

“混凝土实际上想变成花岗石”，用平直钢模浇注的混凝土构件，也确实如花岗岩般的坚硬和光滑。大幅面的标准钢模也比零散的板条木模更适合表现建筑的模数关系。

钢模板：萨尔克生物研究所

混凝土模板贴合建筑模数，东京工业大学6号馆

龙美术馆西岸馆, 大舍建筑, 2014

下关市唐户市场 karato wholesale market

预制混凝土梁构件与张拉结构的组合

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混凝土材性的改进

通过改变混凝土组分的比例、特性，或者添加其它外加剂，能够制备出不同特性的混凝土。例如常用的高强混凝土、抗渗混凝土、微膨胀混凝土、低水化热混凝土、低活性混凝土、加气混凝土、轻质混凝土、早强混凝土、超高泵送混凝土等。

高强混凝土

20世纪初，水灰比等学说初步奠定了混凝土强度的理论基础。20世纪60年代以来，高效减水剂、高分子材料、多种纤维的应用，研究出了强度越来越高的混凝土材料。高性能混凝土HPC是混凝土材料发展的一个方向，所谓高性能是指高强度、高耐久性、高流动性等。

高强混凝土与普通混凝土强度

注：上图为D150x300的圆柱体试件抗压强度

在实际工程中，美国西雅图双联广场(Two Union Square)超高层，要求泵送混凝土弹性模量达到50GPa，抗压强度标准值131MPa。工程实测的混凝土56d抗压强度标准值达到133.5MPa。

纤维增强混凝土

为了改善混凝土的抗拉性能和延性，研制了纤维增强混凝土。常见的有钢纤维、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。有研究表明：钢纤维掺量的体积分数在1~2％左右，混凝土的抗拉强度可提高40~80％，塑性变形能力大幅提高。 

用纤维增强混凝土制作的雨篷，平板厚约25mm

斯图加特联邦园艺展览会(Federal Garden Exhibition)，采玻璃纤维混凝土建造的跨度26m的壳体结构，平均厚度仅15mm，展示了纤维增强混凝土的潜力。

Federal GardenExhibition, 约格·施莱希, 1977

轻质混凝土

轻质混凝土的表观密度可减小至400～1800kg/m3，但其强度和弹性模量也有一定的降低。常用的有轻集料混凝土、泡沫混凝土、加气混凝土、轻骨料大孔混凝土等。除了用作保温隔热材料以外，现在大跨度、大悬挑结构以及桥梁结构中，也常采用轻质混凝土楼板以减小结构的自重。

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从波特兰水泥的发明到今天，在将近200年间，混凝土材料、计算理论、结构体系和建造技术等发展出庞杂的细分，其中的每个细分点均值得写几篇文章详细讲讲。庞大的知识量使工程师很难对混凝土有全面的了解。

限于小i对混凝土的认识十分有限，以本文抛砖引玉，希望大家积极分享关于混凝土的新进展，期待对实际工程有所裨益。

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