1.1.1 混凝土结构的定义与分类
所谓“结构”是指建筑物或构筑物中能有效地将各种作用承担起来并传递到地基中的空间骨架系统。混凝土结构是指以混凝土作为主要材料制成的结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构等。
素混凝土结构是指不配置受力钢筋的混凝土结构。素混凝土结构仅在以承受压力为主的构件中，如素混凝土刚性基础、基础垫层或路面等。
钢筋混凝土结构是由配置受力普通钢筋、钢筋网、钢筋骨架等的混凝土制成的结构。在钢筋混凝土结构或构件中，主要依靠混凝土承担截面的压应力，而钢材主要承担拉应力。
预应力混凝土结构是指由配置受力的预应力钢筋的混凝土制成的结构。该结构在承受荷载之前，通过一定的方法（先张法或后张法）利用张拉设备将高强度预应力钢筋经过张拉、放张等程序在构件中产生预压应力，在结构受荷以后，预压应力将抵消外荷载产生的部分或全部拉应力，以延缓构件开裂、提高结构承载力。
如无特殊说明，本书中所讲的混凝土结构即是指钢筋混凝土结构。
1.1.2 配筋的作用与要求
混凝土的抗压强度较高而其抗拉强度很低（约为抗压强度的1/20~1/8），钢筋的抗拉强度和抗压强度均很高。在混凝土中配置适量的受力钢筋，主要依靠混凝土承担由荷载产生的压应力，而拉应力则主要依靠钢筋承担，能起到充分利用材料，提高结构承载力和延性的作用。下面通过钢筋混凝土梁与素混凝土梁的受力全过程的对比来说明配置适量受力钢筋对混凝土构件的影响。
图1.1（a）素混凝土梁在跨中集中荷载P作用下，梁跨中截面底部受拉边缘产生的拉应变达到混凝土极限拉应变时，梁底将产生受拉裂缝，该裂缝随即迅速贯通整个截面，梁表现出脆性断裂而破坏，无明显的预兆，梁的极限荷载与开裂荷载几乎相等，即Pu≈Pcr=9.7kN。该梁破坏时跨中截面受压边缘的压应力与抗拉强度相近，远未达到混凝土的抗压强度，混凝土抗压强度高的特点未得到充分利用。
图1.1（b）所示钢筋混凝土梁是与图1.1（a）素混凝土梁的截面尺寸、跨度、混凝土强度等均相同，只是在受拉区配置了2B16钢筋。梁开裂前与素混凝土梁类似，开裂荷载Pcr亦为9.7kN，但受拉区混凝土开裂后，拉力由钢筋承担，荷载可以继续增加，直至钢筋屈服，此时的荷载Py=50kN。梁在屈服荷载以后，变形仍可持续增大，最后因受压区混凝土被压碎而达到极限荷载Pu=52.5kN。
可见，在混凝土结构中配置适量的钢筋可以起到以下作用：
（1）显著提高结构或构件的承载力；
（2）充分利用钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度；
（3）显著地改善结构或构件的变形能力（延性）。
另外，钢筋混凝土构件中的钢筋数量和布置方式应满足承载能力、正常使用、延性、耐久性和构造等要求，同时还须能够满足施工方便的要求。
1.1.3 钢筋和混凝土共同工作的原因
混凝土和钢筋是两种物理力学性能截然不同的材料，它们之所以能有效结合在一起并共同工作，主要原因有：
（1）钢筋和混凝土之间存在良好的粘结力（粘结力的组成将在第2章中介绍），在荷载作用下，两种材料可以协调变形，共同受力；
（2）钢筋与混凝土的温度线膨胀系数非常接近（钢材为1.2´10-5/ºC，混凝土为（1.0~1.5）´10-5/ºC）。当温度变化时，钢筋和混凝土之间不会产生较大的变形差而破坏二者的粘结力。
1.1.4 混凝土结构的优点与缺点
混凝土结构主要具有以下优点：
（1）取材容易。混凝土所用的大量砂、石子等材料易于就地取材。近年来，利用矿渣、粉煤灰等工业废料制成人造骨料用于混凝土中，既解决了废料处理问题，又保护了环境。
（2）合理用材。钢筋和混凝土的材料强度均可以得到充分发挥，对一般工业与民用建筑而言，经济指标优于钢结构。
（3）耐久性与耐火性好。混凝土在凝结硬化的过程中会在钢筋表面形成一层氧化膜，钢筋有了混凝土的保护，一般环境下不会出现钢筋锈蚀的情况，耐久性能好；混凝土是热的不良导体，钢筋不致因火灾升温过快而丧失承载能力，一般30mm厚的混凝土保护层，可耐火2.5小时，而且温度在300ºC以内时，混凝土的抗压强度基本不变。
（4）可模性好。混凝土可根据需要制作成各种形状和尺寸的钢筋混凝土结构。
（5）整体性好。现浇或装配整体式混凝土结构有很好的整体性，适用于抗震、抗爆结构，同时防振和防辐射性能较好，适用于防护结构。
（6）刚度大、阻尼大，有利于结构的变形控制。
但是，混凝土结构也主要有以下缺点：
（1）自重大。不适用于大跨、高层结构。因此需要发展和研究轻质混凝土、高强混凝土和预应力混凝土等。需要指出的是，对重力坝而言，高密度混凝土自重大则是优点。
（2）抗裂性差。普通钢筋混凝土结构，在正常使用阶段往往是带裂缝工作的。尽管裂缝的存在不一定意味结构就失效，但是它影响了结构的耐久性，而且不适用于对防渗、防漏有较高要求的结构。采用预应力混凝土可较好的解决开裂问题，
（3）施工复杂，工序多，施工受季节、天气的影响较大。利用钢模、飞模、滑模等先进施工技术，利用泵送混凝土、免振自密实混凝土等，可大大提高施工效率。
（4）混凝土结构破坏后的修复、补强、加固比较困难。随着采用粘贴碳纤维布、预应力钢板箍等新加固技术的发展，这一缺点已得到较好得改善。
（5）混凝土结构对资源、环境和生态有着不利影响。混凝土结构所用的水泥和钢材是大量消耗资源和能源的产品，砂和石的大量使用对自然生态环境造成很大的影响。
综上，混凝土结构的优点较多，且大部分的缺点现在都已能够克服，故它在房屋建筑、地下结构、桥梁、铁路、隧道、水利、港口等工程中得到广泛应用。
1.1.5 混凝土结构的发展与应用
1824年，英国人JosephAspdin发明了波特兰水泥，并取得专利。1850年，法国人L.Lambot制作了铁丝网水泥砂浆小船。1861年，法国人JosephMonier获得了制作钢筋混凝土板、管道和拱桥等的专利。1866年，德国人Koenen和Wayss发表了计算理论和计算方法，1887年，Wayss和J.Bauschinger发表了相关试验结果，提出了钢筋应配置在构件受拉区的概念以及板的计算方法等。此后，钢筋混凝土的推广应用有了较快的发展。1950年，美国学者ThaddensHyan进行了钢筋混凝土梁的试验，其研究成果于1877年发表。1890年，Ransome在美国旧金山建造了一幢两层高、95m长的钢筋混凝土美术馆。从此，钢筋混凝土结构在美国得到迅速的发展。
20世纪以后，混凝土结构进入了快速发展的时代，钢筋混凝土结构如雨后春笋般的出现在世界各地，不胜枚举，主要应用于以下工程。
（1）单层及多层工业与民用房屋。如工业厂房、多层框架结构、多层剪力墙结构等。
（2）高层建筑。主要有钢筋混凝土结构、钢骨（型钢）混凝土结构、钢管混凝土结构等。例如，上海环球金融中心（图1.2（a））、台北101大厦（图1.2（b））等。
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| （a）上海环球金融中心（高492m） | （b）台北101大厦（高509m） |
| 图1.2 典型的高层建筑（图片来源于网络） | |
（3）桥梁工程。主要包括梁板桥、预应力刚架桥、拱桥等。例如，上海杨浦大桥（图1.3（a）），主跨602米；南京长江五桥（图1.3（b）），为世界首座轻型钢混组合结构斜拉桥，主跨跨径达600米。
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| （a）上海杨浦大桥 | （b）南京长江五桥 |
| 图1.3 典型的桥梁工程（图片来源于网络） | |
（4）电视塔、烟囱、冷却塔、水池、塔桅结构等特种结构。例如，上海东方明珠电视塔（图1.4（a）），高468米；中央电视台总部大楼（图1.4（b）），建筑高度234米。
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| （a）上海东方明珠电视塔 | （b）中央电视台总部大楼 |
| 图1.4 典型的特种结构（图片来源于网络） | |
（5）大坝、水电站、拦洪坝港口、码头、船坞等水利工程。例如，三峡重力大坝（图1.5（a）），高度为185米；黄河小浪底大坝（图1.5（b）），高154米；我国在建的两河口水电站，项目总投资约665亿元人民币，预计2023年全部完工，坝体高度为295米。
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| （a）三峡重力大坝 | （b）黄河小浪底大坝 |
| 图1.5 典型的水利工程（图片来源于网络） | |
混凝土结构材料主要向轻质、高强、高性能等方向发展，主要表现在：轻集料混凝土的研究与应用，如浮石、凝灰岩等天然轻集料；粉煤灰、炉渣、煤矸石等工业废料轻集料；页岩陶粒、黏土陶粒、膨胀珍珠岩陶粒等人造轻集料，具有自重轻，相对强度较高及保温、抗冻性性好等优点；纤维混凝土的研究和应用，如掺加钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维等，这些纤维的应用不仅可以提高混凝土的强度，还可以改善混凝土的抗裂性；另外，耐磨、耐腐、防渗、保温、防射线等特殊需要的混凝土以及智能混凝土及其结构也在不断的研发当中。
混凝土结构设计计算理论方面的发展大致经历了三个阶段：
第一阶段：20世纪20年代以前。钢筋混凝土结构的设计理论尚未形成，主要还是沿用经典力学的允许应力设计方法。
第二阶段：20世纪20年至第二次世界大战前后。前苏联混凝土结构专家A.A.Гвоздев提出了考虑混凝土塑性性能的破损阶段设计法，20世纪50年代又提出了更为合理的极限状态设计方法，此方法奠定了现代钢筋混凝土结构的基本设计理论。
第三阶段：第二次世界大战至今。发展了以概率理论为基础的极限状态设计方法，基本建立各类常用混凝土基本构件、结构的计算理论和方法。随着混凝土本构模型的研究以及计算机技术的发展，人们可以利用非线性分析方法对各种复杂混凝土结构进行全过程受力模拟；而新型混凝土材料及其复合结构形式的出现，又不断提出新的课题，不断促进混凝土结构的发展。
