混凝土实用手册

混凝土实用手册

第一章混凝土结构物的特性

1.1混凝土结构物的种类与特性

1.1.1混凝土结构物的种类

根据是否需要辅助材料，混凝土结构物（构件）大致可区分为钢筋混凝土和素混凝土结构物。

[1] 钢筋混凝土和素混凝土

最一般的混凝土结构物就是钢筋混凝土结构物，主要用于建筑、桥梁、高架桥、地铁等交通枢纽设施，防波堤、栈桥、码头等港湾设施，核反应堆设施、LNG（液化天然气）地下罐等能源关联设施。预应力混凝土（PC）也常作为桥梁的中心而被使用。

素混凝土可用于修建水坝、铺修公路以及隧道铺设等。

[2] 截面尺寸和混凝土

这些混凝土结构物根据种类截面也明显不同。以素混凝土为例，有的铺设板的厚度为20cm，而重力水坝上下流方向的顶部截面则要达到20m。即使是钢筋混凝土构件，从厚度为15cm的薄楼板到直径3m的柱子，其尺寸也是各种各样的。如果截面高度超过50cm，施工时就有必要根据水泥的水化热来考虑混凝土的温度上升问题。

[3] 邻水结构和混凝土

混凝土结构物中有长期和水接触的构筑物，如承受水压的水坝、沉埋隧道、储水槽等，都要求有很高的抗渗性。对于易被海水飞沫和海风侵蚀的混凝土和钢筋混凝土建筑，则需要考虑防侵蚀的设计与施工方法。

1.1.2 混凝土结构的特性

[1]混凝土的硬化特性和制造方式

混凝土随着水泥的不化反应的进行会缓慢的硬化，达到所需要的强度和耐久性至少需一个月。硬化后的混凝土质量在浇筑以后容易受数日内的温度和温度的影响。一般地，混凝土建筑都是在室外施工。所以，这时对温度和温度的控制，也就是养护条件，将决定混凝土的质量。养护需要花费大量的劳动和时间，费用高。养护是否能够达到要求，要等建筑完工后才能鉴定，养护不完善会成为使混凝土质量低下的原因之一。

[2]混凝土结构施工管理

混凝土结构物的特征之一在于能分别将材料放入设置场所而建设的巨大的结构物。但是，现场施工的巨大结构物在完工后要确认其质量非常困难。因此，混凝土结构物的施工管理变得重要起来。但是，1965年以后，比起质量优先，施工进度的管理开始一般化，质量为黑箱状态的结构物开始指生产。结构物巨大也就意味着建设时间很长。典型的例子就是水坝工程。另一方面，新干线和高速公路等建设工程从开始到竣工也需要花很多年。这些公共工程在建设开始后会遭受巨大的物价变动风险，材料单价和劳务费也可能上升。经常发生承包商要求增加工程费和调整合同费率条款的事件。

[3]混凝土结构物的耐久性

作为一般性倾向，直到1955年建设的混凝土结构物都具有良好的耐久性。这种情况尽管有程度上的差异，但在西欧各车也是一样的。早期表面劣化让“混凝土的耐久性神话”崩溃的原因之一，就是重视强度、轻视耐久性。并且越来越严重的就是无视施工性而追求极端合理性的设计。在工程现场的技术人员慢慢变少也是原因之一。现在，混凝土结构应该以维持稳定性为前提，与建造钢结构物同样重要。

1.2混凝土的基本特性

1.2.1耐火性和耐热性

硬化了的混凝土体积的10%~15%被多种多样形态的孔隙所占据，大部分孔隙会被水占据。另一方面，形成水泥硬化体骨骼的重要水化物是叫做水化硅酸钙（C-S-H）的细微结晶（C:CaO,S:SiO2,H:H2O）。C-S-H这样的符号明显表明，这一部分是由结晶水变化而成的。由此，混凝土是包含大量各种状态的“水”的独特构造材料。这样就使混凝土具有了耐火性。表面即使曝晒在1000。C的高温下，在短时间里可以控制内部温度的上升。宇宙飞行器在进入大气层时要受到高温，但飞行器表面的FRP有吸热作用，可以防止内部温度的上升。混凝土的作用就与FRP相似。

1.2.2振动吸收性和隔声性

与钢铁等金属材料相比，混凝土振动吸收性和隔声性要优越一些。因此，新干线的高架桥和大部分的桥梁都是由混凝土建造的。混凝土之所以有优越的振动吸收性的原因在于其有如图1.1所示的内部构造。图1.1是混凝土的剖面。大大小小、各种各样的骨料碎片占了大半部分，由水泥水化物填充空隙。总之，混凝土是由相对密度各异的各种骨料粒子的混合体构成，界面非常多。而且，界面之间还有空隙。图1.2就是水泥硬化体部分的扫描电子显微镜照片，可以看出是由多种多样的结晶群和孔缝变化而成的。也就是说，混凝土形成的是让外部而来的冲击等造成的弹性波动难以传播的构造，与由金属结晶形成的高均匀性的钢铁材料形成鲜明对比。

1.2.3 依赖材料合成化的性能改善性

对于混凝土，我们可以用合成材料的方法改善材料的性质。最具代表的就是掺进短纤维。

主要目的是要改善其脆性。尤其普遍的是掺进混凝土体积1%~2%的钢纤维制成的钢纤维强化混凝土。使用耐碱玻璃纤维强化水泥多被使用于建筑的外装材料。最近，为了增强弹性模量，也使用了有抑制龟裂效果的维尼纶纤维等。在掺和灰砂浆时，混入分散聚合物使其硬化后形成聚合物薄膜，增强耐水、耐蚀性以及耐磨损性的物体就是聚合物灰砂浆。近年来作为混凝土建工的辅助材料被广泛使用。

如果把占混凝土体积约3/4的骨料，由普通的岩石材料调换成烧制的分量轻质骨料和铁矿石等重骨料，混凝土的单位重量也可以在1.6~3.8内变化。

1.3 混凝土的内部构造特性

1.3.1微孔构造和微孔溶液

水泥硬化体中存在孔径为0.01~1um的毛细管孔隙（图1.2中的“CP”）。些毛细管孔隙通常被注满含大量钠离子和钾离子的强碱溶液（微孔溶液）。毛细管孔隙也充当着物质移动的通道角色。大气中二氧化碳和酸性物质、海水飞沫等产生的氯离子就是以从表面到内部相通的孔隙为媒介而浸入。物质移动引起钢筋的腐蚀和混凝土的碳化，给混凝土建筑的耐久性带来巨大的影响。

1.3.2 材料离析和非均质性

混凝土是相对密度和粒径各异的材料混合体。在一定高度的模板里浇筑流动状态的新拌混凝土，在浇筑后不久受到重力作用开始分离。相对密度较大的骨料粒子就会沉淀，而相对密度最小的水就会上升。由于这种分离现象，混凝土构件里就产生了宏观性和微观性两种水平的不均一性。宏观的不均一性会使构件表面产生水性水泥相对密度较大的多孔水泥。曾发生过高度5m的柱子上部与下部的混凝土强度差达10MPa的例子。混凝土的注入方向，也就是在重力作用方向与水的上升方向同时产生的连续性空隙也成为各种非均质的原因。例如，以碱骨料反应和膨胀性矿物掺合料为基础的混凝土的膨胀会使表面变大。水在分离过程中也会产生微观的不均匀性。粗骨料以下水的滞留会使硬化后的混凝土骨料下面形成空隙。其程度在表面尤为显著。这样的微观不均匀性，成为二氧化碳和氯化物等外部腐蚀因子的浸入而导致非均质的原因。钢筋的粘结强度是材料分离及钢筋混凝土结构物力学性质的最大影响因素。根据浇筑的高度，在水平方向配置的钢筋附着强度比垂直方向要降低1/2.由施工不良造成的材料离析的典型代表就是蜂窝（就也是麻面）。

第二章混凝土构造基础

概述

本书内容以混凝土的物理性质、施工方法等为中心，而不是以结构物设计专业技术人员论述的力学和构造的事项作为重点。但是，用户或者设计人员往往希望能够建造理想中的混凝土结构物，而作为施工者，在结构物的力学特征和设计原理等方面，虽然与施工没有直接关系，但对重要事项的基本理解是很必要的。

基于这些观点，在本章，首先从用于铺路和水坝的素混凝土到近年来施工中增加的钢筋混凝土的合成构造，展示了多种多样的混凝土构造的原理以及基本的考虑方式。并且，关于长期被投入使用的容许应力设计方法，及近年来扩大采用的极限状态等各种设计方法，阐述了哪一种在结构上更能确保结构物的使用性能和安全性能。

伴随着逐渐认识维持地球环境的重要性，也在向混凝土结构物能够尽量长期使用的想法转变，当然，还需要增大维持和管理业务的重要性及作业量，特别是与过去被采用的设计方法相关的知识，以及各种结构物构件中容易发生的损伤、破坏等相关知识，这都是很有必要的。

2.1 混凝土结构的各类和力学特性

2.1.1 素混凝土结构

混凝土的抗压性能很强，但抗拉性能较差，一般要和钢筋组合使用。因此，素混凝土只在压应力作用的情况下和即使有拉伸作用但在功能上满足要求的情况下使用。重力式水坝等就是由于只有压应力作用，因此可以使用素混凝土。高山隧道铺设的混凝土在多数情况下都是素混凝土。

2.1.2钢筋混凝土构造（RC）

混凝土硬化后，钢筋和混凝土之间存在粘结力，使二者结合在一起共同工作，钢筋主要承受拉力，混凝土主要承受压力。

由于钢筋和混凝土之间的共同作用，钢筋可负担高抗拉应力，因此钢筋混凝土是由混凝土负担压应力的合理性构造。所以，钢筋混凝土适用各种结构物。在桥梁建筑中，横梁和桥面板等的表层部分、桥墩和基础等可全部使用钢筋混凝土。房屋也是同样，梁、柱、墙、板、基础等全部构件里都有使用。另外，在沉箱等水中土中结构物、防护墙和地下涵洞、盾构隧道的铺设等抗土压建筑中也有使用。

图2.1表示的是典型的钢筋混凝土构件截面的弯矩-曲率关系。经过短暂的弹性阶段后，混凝土就会出现裂缝。随着裂缝的发展，受拉区混凝土退出工作，不久受拉钢筋就会屈服。部分钢筋进入冷拉强化阶段，混凝土的压应力增大，抗弯性能略微上升，达到最大弯矩后大部分截面会保持该状态，然后混凝土挤压破坏，也就是较为典型的受弯破坏过程。但是，在高轴压应力作用和高配筋的情况下会有所不同。如图2.2所示，混凝土龟裂以后，在受拉钢筋屈服之前，由于混凝土会被挤压破坏，较小的曲率就会降低抗弯性能。

小剪跨比时，没有充足配置腹筋（箍筋和弯起钢筋）的钢筋混凝土构件其典型荷载-位移关系如图2.3所示。主钢筋在屈服之前斜截面开裂继续扩大，随着急剧的抗剪能力降低就会显示脆性破坏[图 2.3（a）]。剪切补强筋在配置合适的情况下，同一图中所示主钢筋虽然可能先屈服，之后也会出现剪切破坏[图2.3（b）]。剪切墩距的最小墙壁构件一般会剪切破坏[图2.3（c）]，但是抗剪能力对茶载的影响不大。剪切补强筋作为配置充足的抗震壁使用时，表现为变形性能较良好的剪切屈服型破坏[图2.3（d）]。

根据阪神、淡路大地震所遭受的损害经验，各种抗震设计方法得以大幅度完善。其中之一就是地震烈度设计的大幅度提高和承担地震力构件的变形性能的改善。变形性能优良的钢筋混凝土柱构件的典型茶载-位移曲线如图2.4所示。为了防止剪切破坏和确保变形性能，就需要增加钢筋含量，保证充足的变形性能。主钢筋屈服，达到保持最大荷载后，主钢筋屈服和混凝土表面脱落[图2.4（a）]，或者发挥在充分变形性能之后的剪切破坏[图2.4（b）]是典型的模式。

2.1.3预应力混凝土构造（PC，PRC）

预应力混凝土在长墩距构造受到绕曲限制时和耐久性作为必要时使用。在建筑上的长墩距梁和楼板即为前例，桥梁从两者的必要性来看要使用横梁和楼板等。并且，水槽、地面液化天然气罐、各种筒仓、核反应堆等的容器结构物也要求从功能上保证防水性能和密封性能，

所以需要使用预应力混凝土。

预应力如图2.5所示，有最大限度预应力和部分预应力两种设计方法。前者是相对设计荷载、不容许拉伸应力的考虑方式。盐害环境严峻的桥梁等就是考虑此方式而设计的。相对应地，部分预应力则是在切面的一部分中允许拉伸的考虑方式。也有根据此种方法来设计非严峻环境里的桥梁或者设计有暂时性内部压力荷载要求的容器。

一般是通过张拉钢筋实现预应力，实现预应力的译意风先张法和后张法两种方式。以PC箱形梁为例，在模板里，使用固定锚具张拉钢材之后再浇筑混凝土，混凝土硬化后释放固定的张拉作用靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递预应力的方法称为先张法。先进行混凝土浇筑后再进行钢材张拉导入预应力的方法称为后张法。在后张法梁上，张拉钢材虽然有护套管插入混凝土截面内，从近年维修管理的角度来看，PC箱形梁等使用外钢缆的方式也在慢慢增加（图2.6）。

2.1.4组合结构

构件截面由钢和混凝土及钢筋混凝土构成，随着近年结构物的大型化、多样化，这些整体化以后的钢和混凝土合成结构也出现了各种各样的造型。按结构性可分为组合梁、组合柱、组合板1）。而且，开发连续纤维等的新原材代替钢材使用于混凝土构件的加固，也可以说是和混凝土的组合结构。此外，把变种构件通过结合点整体化，结构物完全组合的混合也可以被广泛定义为组合结构2）。

〔1〕钢、混凝土组合梁

如图2.7所示，一般有H型钢和钢筋混凝土桥面板整体组合梁及在钢筋混凝土梁的截面内埋入H型钢两种组合梁类型。此时，在整体化中使用抗剪组合柱头螺栓等抗剪结合环的物体，并在钢材里使用加劲肋钢板，使两者相结合，提高混凝土的整体性。

如图2.8所示，其组合作用，从完全组合到非组合可以根据抗剪结合环和附着程度而异。

〔2〕钢、混凝土组合柱

如图2.9所示，钢管内部填充混凝土型与钢筋混凝土截面内设置钢管和H型钢的混凝土覆盖型是有所不同的。混凝土覆盖型中，跨径大的桥梁等大截面用的桥墩采用多钢材配置类型。钢材和混凝土的整体化中，一般不做特别处理，不过重在整体化时要使用加劲肋钢板和网纹钢材。

〔3〕钢、混凝土组合板

典型的组合反如图2.10所标。安装适当的抗剪结合环的底钢板与上方钢筋组合，挖根生的形式多为在钢梁上现浇混凝土板。实现了钢板和混凝土的整体化并发挥其高刚性，可减小桥面板厚度，也可采用长支点间距桥面板。I型钢格子桥面板是把小型I型钢朝意向排列，在正交方向上插入钢筋，并把拼命的钢格子定型模板作为主要框架，在下方焊接薄钢板，并浇筑混凝土。在有条件制约和快速梁施工要求下，会显示出组合板的优势。夹层型合成桥面板在上下现场钢板保持适当间隔的箱型结构中填塞混凝土。在适当间隔的经纬里焊接隔板或者肋条，并焊接柱头螺栓等。填充混凝土受钢板隔板限制，但三轴压缩效果可产生高刚性及高强度，适用于沉埋隧道等。

2.1.5钢、混凝土合结构

接合不同构件的结构叫做混合结构2）。钢筋混凝土基础和钢桩、钢筋混凝土基础和钢桥墩等虽然都可算入此范畴，但这里介绍的是近年来使用在桥梁部结构的柱和梁、桥面板和腹部杆件等新型混合结构。

图2.11（a）是钢筋混凝土桥墩和钢梁接合结构的例子之一。梁内部填充混凝土，用焊接钢梁模板的柱头螺栓来实现桥墩-梁之间的整体化。图2.11（b）是近年来由欧洲引入的波形钢板腹梁。腹部承受剪切力，不抵抗轴向力，并具有向上下桥面板传递压力的特长结构。图2.11（c）是在腹部部分使用混凝土填充钢管桁架。这些都是代替长期使用的PC箱形梁，实现梁的轻质化。

2.2结构设计原理

为了实现结构物的使用目的，顼要保证在使用期限中的有荷载作用的结构安全，并保持足够的耐久性能。除了自重和日照，还要支撑交通荷载这样的日常性荷作用，也要负担对于地震和强风、积雪等暂时性自然作用的适当安全性能，并要求设计的经济性。所谓经济性，不只是初期建设费用，而且包括材料选定并包含使用期限中的维修和加固等维持管理的寿命周期投资。

结构设计中的核对是对假定的结构物全体系及截面承载力（或称安全应力）、变形性能的结构物方面的实际性能和由设计作用荷载而发生的截面力（或称应力），称为变形的要求方面的三方面性能来进行比较。在此，为了考虑设计荷载和截面力、截面承载力等核算时的种种不确定性，一般都会采用安全系数的概念。一般的结构设计核对的流程和使用的安全系数如图2.12所示。以下流程所说的容许应力设计在核对阶段中相当于核对设计应力。并且，对于极限状态设计和极限强度设计与核对设计截面力和设计位移在设计承载力和设计变形性能以下的流程相同。目前，评价方式也有根据实验结果而定，虽然还只着重于承载力、变形性能及大多数构件截面的性能，但核对的进行可着重于结构物的全体系。

2.2.1荷载

荷载有自身重量、土压、预应力等永久荷载作用，也有交通荷载和波浪、温度等变动荷载作用，以及撞车事故、强风、地震等偶发荷载作用。以下所示为一般规定的设计荷载4），对于不同的荷载组合状态，系数应进行适当调整，并进行核对。

恒荷载：组成结构物，并且以附带材料的重量为起因的荷载。

活荷载：在结构物上移动的汽车、火车、人群等荷载。

土压：按照覆盖土厚度等因素分为作用在地下结构物的垂直土压和侧面作用的侧向压力两种。后者的情况根据结构物位移方向的不同，可分为主动土压、静止土压、被动土压。

水压、流体力：水中结构物和地下水水位以下的土中结构物，还有储藏液体的容器结构物一般都承受静水压力，包括水上、水中的结构物荷载及水波作用还有流动的液体力作用。并且，地震时有必要考虑动态水压力。

温度影响：一般要考虑全年的温度变化和日照向阳、背阳的温度差的影响。也需要考虑LNG贮罐等低温容器构造和周围地面的温度差，还有自身的内外表面温度等。

风荷载：结构物的种类和形状尺寸、地形等环境条件等决定结构风振响应。必须考虑风速对吊桥和斜拉桥等特殊桥梁的动态影响。

积雪荷载：按照积雪量等地区的实际情况和结构物来决定。

预应力：对结构物施加的预应力要作为设计荷载来考虑，特别是混凝土的蠕变和干燥收缩等引起的历时变化。

地震荷载：由于在日本，地震影响特别大，需要普遍核对关于在数据内就概率发生一次的中小型地震和使用期限里发生的可能性极低的大规模地震。此外，还需要另外讨论是否要设定根据结构物的重要度和修复的难易性、残存使用期限等的灾害程度。

其他：上述混凝土的收缩及蠕变，按照施工方法和施工阶段变化的施工时的荷也是有必要考虑的。

2.2.2安全系数

在结构设计中，核对是根据调查的荷载作用的大小和结构物抵抗力的相关关系而进行的。如果这两者是确定值，设计就会变得容易。但是，实际上由于构成结构物材料的不均匀性和作用荷载的不确定性产生了概率误差，和由于引入关于荷载作用和材料强度等的特征值和部分安全系数的概念，所以就需进行核对。

表2.1表示使用部分的安全系数及其考虑的内4）。材料相关特征值?k。

材料系数ym是随着材料强度等特征值变化而变化，以及由试块和实际结构物的差异、历时变化等而确定。构件系数yb根据构件承载力计算上的不确定性、构件尺寸的不均匀性、构件的重要度等而确定。另一方面，荷载系数f随荷载的特征值、荷载推算法的不确定性、使用期限内的荷载变化和环境作用而异，构造解析系数ya则是由应力和截面力、位移等推算时构造解析的不确定性等方面而确定。而在阻力和荷作用方面的比较在核对阶段使用的结构物系数yi，则是由结构物的重要度和产生操作的情况等社会影响等而确定。