混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第一章

土木工程結(jié)構(gòu)

江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院劉洋1.混凝土結(jié)構(gòu)基本原理本課程主要學(xué)習(xí)內(nèi)容2.混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則基本構(gòu)件承載力及變形計(jì)算梁板結(jié)構(gòu)單層工業(yè)廠房多高層混凝土結(jié)構(gòu)參考書目[1]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010—2010；[2]顧祥林編.混凝土結(jié)構(gòu)基本原理（第2版）.同濟(jì)大學(xué)出版社.第一章緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)▲掌握混凝土結(jié)構(gòu)的一般概念及特點(diǎn)；▲了解混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用概況；▲了解本課程的主要內(nèi)容、要求和學(xué)習(xí)方法。本章主要內(nèi)容▲混凝土結(jié)構(gòu)的一般概念和特點(diǎn)▲混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡況及其應(yīng)用▲課程的主要內(nèi)容、特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法以混凝土材料為主，并根據(jù)需要配置鋼筋、鋼骨、鋼管或纖維等形成的主要承重結(jié)構(gòu)，均可稱為混凝土結(jié)構(gòu)。1.1.1混凝土結(jié)構(gòu)的概念和特點(diǎn)素混凝土PlainConcrete纖維增強(qiáng)混凝土FiberReinforcedConcrete鋼骨混凝土SteelReinforcedConcrete鋼筋混凝土ReinforcedConcrete鋼管混凝土ConcreteFilledSteelTube預(yù)應(yīng)力混凝土PrestressedConcrete鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)CompositeStructure第一章緒論1.1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn)素混凝土結(jié)構(gòu)（PlainConcrete)第一章緒論1.1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（ReinforcedConcrete)1、混凝土的主要力學(xué)性能（1）抗壓強(qiáng)度較高，而抗拉強(qiáng)度卻很低

(只有抗壓強(qiáng)度的1/8-1/20)。（2）破壞時(shí)具有明顯的脆性性質(zhì)。第一章緒論1.1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn)1.1.2、配筋的作用與要求一、為什么想將鋼筋與混凝土組合起來使用？

主要由兩者的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性決定的Pcr=9.7kN150300fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2ftsc=ft25002、素混凝土梁的受力性能Pu

≈

Pcrsc=ftft破壞時(shí)跨中截面受壓邊緣的壓應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度相近，遠(yuǎn)未達(dá)到混凝土的抗壓強(qiáng)度，破壞表現(xiàn)為脆性斷裂，無明顯預(yù)兆。第一章緒論1.1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn)

（1）抗拉和抗壓強(qiáng)度都很高。

（2）延性好：多數(shù)鋼材具有屈服現(xiàn)象，破壞時(shí)表現(xiàn)出較好的延性。

（3）易于壓曲失穩(wěn)：細(xì)長的鋼筋受壓時(shí)極易壓曲，僅能作為受拉構(gòu)件。

（4）耐久性和耐火性差。因此，將混凝土和鋼材這兩種材料有機(jī)地結(jié)合在一起，可以取長補(bǔ)短，充分利用材料的性能第一章緒論1.1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn)3、鋼材的主要性能Pcr=9.7kNfc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2fy=335N/mm2ftsc=f鋼筋混凝土梁的受力性能Pu

≈

52.5kNsc=ftft

sssc2f16

fy配置鋼筋后：▲

RC梁的承載力（52.5kN)比素混凝土梁（9.7kN)大大提高，▲鋼筋的抗拉強(qiáng)度和混凝土的抗壓強(qiáng)度均得到充分利用，▲破壞過程有明顯預(yù)兆。Py

≈

50.0kN第一章緒論

fc將混凝土和鋼筋這兩種材料有機(jī)地結(jié)合在一起，可以取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮各自的材料性能。除在構(gòu)件的受拉區(qū)配置鋼筋外在構(gòu)件的受壓區(qū)也可配置鋼筋，來協(xié)助混凝土承受壓力。當(dāng)構(gòu)件所受壓力很大時(shí)，可直接配置鋼骨混凝土核心混凝土三向受壓可利用箍筋約束混凝土來提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，甚至直接采用鋼管來約束混凝土鋼管混凝土

ConcretefilledSteelTube配置預(yù)應(yīng)力筋，形成預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)張拉鋼筋砼成型及養(yǎng)護(hù)（1）鋼筋和混凝土之間存在良好的粘結(jié)力；保證在荷載作用下兩種材料協(xié)調(diào)變形，共同受力；（2）鋼材與混凝土具有基本相同的溫度線膨脹系數(shù)

（鋼材為1.2×10-5/oC，混凝土為1.0~1.5×10-5/oC

）；保證溫度變化時(shí)，兩種材料不會(huì)產(chǎn)生過大的變形差而導(dǎo)致兩者間的粘結(jié)力破壞。（3）混凝土的堿性環(huán)境.呈堿性的混凝土可以保護(hù)鋼筋，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的耐久性.第一章緒論二、鋼筋與混凝土共同工作的條件一、優(yōu)點(diǎn)（1）就地取材（2）合理用材、經(jīng)濟(jì)性好（3）耐久性和耐火性好、維護(hù)費(fèi)用低（4）可模性好（5）整體性好，且通過合適的配筋，可獲得較好的延性：適用于抗震、抗爆結(jié)構(gòu)等；第一章緒論1.1.3混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)第一章緒論1.1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn)⑴自重大不適用于大跨、高層結(jié)構(gòu)。

輕質(zhì)、高強(qiáng)和預(yù)應(yīng)力。⑵抗裂性差

普通RC結(jié)構(gòu)，在正常使用階段往往帶裂縫工作。

預(yù)應(yīng)力混凝土。第一章緒論1.1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn)二、缺點(diǎn)⑶承載力較低

往往導(dǎo)致受力構(gòu)件的截面尺寸較大。第一章緒論1.1混凝土結(jié)構(gòu)一般概念和特點(diǎn)⑸施工復(fù)雜，工序多（支模、綁鋼筋、澆筑、養(yǎng)護(hù)），工期長，施工受季節(jié)、天氣的影響較大。⑷混凝土結(jié)構(gòu)一旦破壞，其修復(fù)、加固、補(bǔ)強(qiáng)比較困難?！?/p>

1824年英國人阿斯普丁(J.Aspdin)發(fā)明硅酸鹽水泥?！?/p>

1849年法國人朗波(L.Lambot)制造了第一只鋼筋混凝土小船?！?/p>

1872年在紐約建造第一所鋼筋混凝土房屋。第一章緒論1.2

混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡況▲

混凝土結(jié)構(gòu)的開始應(yīng)用于土木工程距今僅150多年?！?/p>

與磚石結(jié)構(gòu)、鋼木結(jié)構(gòu)相比，混凝土結(jié)構(gòu)的歷史并不長，但發(fā)展非常迅速，目前混凝土結(jié)構(gòu)已成為土木工程中最主要的結(jié)構(gòu)。第一階段：從鋼筋混凝土發(fā)明到20世紀(jì)初。材料：鋼筋和混凝土的強(qiáng)度都比較低（<C20）。計(jì)算理論：容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用：主要用于建造中小型樓板、梁、柱、拱和基礎(chǔ)等構(gòu)件。第一章緒論1.2混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡況及其應(yīng)用混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的三個(gè)階段第一章緒論材料：混凝土、鋼筋強(qiáng)度不斷提高。計(jì)算理論：破損階段設(shè)計(jì)法極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（定值法）。第二階段：從上世紀(jì)20年代到第二次世界大戰(zhàn)前后應(yīng)用：已應(yīng)用于簡單的結(jié)構(gòu)中，特別是1928年法國土木工程師弗雷西奈（E.Freyssnet）發(fā)明了

預(yù)應(yīng)力混凝土，使得混凝土結(jié)構(gòu)可以用來建造大跨度結(jié)構(gòu)。第一章緒論材料：強(qiáng)度繼續(xù)提高。尤其是高強(qiáng)、高性能混凝土和高強(qiáng)鋼筋的發(fā)展，泵送商品混凝土技術(shù)的發(fā)展等。目前國內(nèi)常用的砼強(qiáng)度等級為C25~C45。第三階段：二戰(zhàn)以后到現(xiàn)在設(shè)計(jì)計(jì)算理論：以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。計(jì)算機(jī)技術(shù)推進(jìn)了設(shè)計(jì)理論的發(fā)展。應(yīng)用：建造了一大批超高層建筑、大跨度橋梁、特長跨海隧道、高聳結(jié)構(gòu)等大型工程。第一章緒論臺(tái)北101101層,508m金茂大廈88層,421m房屋工程迪拜大廈高約900米

第一章緒論第一章緒論1.2混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡況及其應(yīng)用交通工程第一章緒論1.2混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡況及其應(yīng)用重慶市萬縣長江大橋第一章緒論1.2混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡況及其應(yīng)用上海莘莊大型立交工程該工程由15條線路，6條主線、20個(gè)定向道構(gòu)成；占地面積45.8公頃，整個(gè)立交橋梁結(jié)構(gòu)長度11.1公里、面積8.4萬m2。特種工程核電站的安全殼、熱電廠的冷卻塔、儲(chǔ)水池、儲(chǔ)氣灌、海洋石油平臺(tái)、電視塔等.第一章緒論水利及其它工程高181米，壩底寬121米，壩長2309米，是我國最大的混凝土大壩。三峽大壩第一章緒論自重大抗裂性差

承載力較低

施工較復(fù)雜

修復(fù)、加固難混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展取決于混凝土材料的發(fā)展輕質(zhì)混凝土纖維混凝土高性能混凝土自密實(shí)混凝土碳纖維加固高性能、高功能和智能化是21世紀(jì)混凝土科技的主要發(fā)展趨勢輕集（骨）料混凝土主要為解決混凝土自重大的缺陷，采用浮石、陶粒、膨脹珍珠巖等輕骨料或工業(yè)廢渣為原料，減少了混凝土結(jié)構(gòu)的自重。目前世界上最高的輕骨料混凝土高層建筑為美國的休斯敦貝殼廣場大廈，共52層，高215米。高性能混凝土包括高強(qiáng)度、高耐久性和高工作性三個(gè)要素林立巖設(shè)計(jì)大師與沈陽北方建筑材料試驗(yàn)有限責(zé)任公司成功地在沈陽皇朝萬鑫大廈工程中應(yīng)用了C100級高性能泵送混凝土。序號(hào)工程名稱建筑面積(萬m2)應(yīng)用部位(層)混凝土供應(yīng)方施工年月強(qiáng)度平均值(MPa)1遠(yuǎn)吉大廈2.4-2～+5華興2003.4116.32貴和大廈2.11～3泰豐2004.3114.53皇朝萬鑫大廈20-2～+8漢拿2005.4～7119.15宏發(fā)國際名城10.5-2～+12華興2005.9116.9活性粉末混凝土ReactivePowderConcrete,RPC

抗壓強(qiáng)度可達(dá)200MPa、500MPa和800MPa

采用粒徑小于1mm的細(xì)石英砂為粗骨料在成型過程中施加壓力、熱水養(yǎng)護(hù)或蒸壓養(yǎng)護(hù)摻入細(xì)而短的鋼纖維，抗折強(qiáng)度可達(dá)50MPa。法國Bouygues公司1993年研究成功1/31/2023361994加拿大魁北克省70米跨的Sherbrooke

人行混凝土桁架橋上首次應(yīng)用RPC混凝土，全部構(gòu)件在現(xiàn)場組裝。提高結(jié)構(gòu)的耐久性刻不容緩寧波北侖港碼頭混凝土梁（建成后11年）1998年美國土木工程學(xué)會(huì)報(bào)告，美國現(xiàn)有29%以上橋梁和1/3以上的道路老化，有2100座水壩不安全，估計(jì)需有1.3萬億美元改善其安全狀態(tài)。美國每年基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)費(fèi)用約為這些設(shè)施總資產(chǎn)的10％！發(fā)達(dá)國家土建設(shè)施耐久性問題造成的年損失，約占GDP的1.5~2%，其中主要是混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性破壞。我國也將面臨著混凝土結(jié)構(gòu)的大范圍維修自密實(shí)混凝土混凝土拌合物具有良好的工作性，即使在密集配筋條件下，僅依靠混凝土自重作用，無需振搗便能均勻密實(shí)成型的高性能混凝土。自密實(shí)混凝土在深圳市賽格廣場鋼管混凝土柱中的應(yīng)用碳纖維（CarbonFiber）抗拉強(qiáng)度是普通鋼筋的10倍左右，而且具有很好的耐久性，目前主要用于結(jié)構(gòu)的加固工程。據(jù)日本建設(shè)省統(tǒng)計(jì)，早在1995年全日本廢棄混凝土再資源化率已達(dá)到65％，2000年則高達(dá)96％，歐盟也計(jì)劃在2010年實(shí)現(xiàn)建筑垃圾再循環(huán)率達(dá)到90％以上。再生混凝土智能混凝土綠化混凝土受彎構(gòu)件受壓構(gòu)件受扭構(gòu)件受拉構(gòu)件受彎構(gòu)件受壓構(gòu)件1.3課程的主要內(nèi)容、特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法一、課程的主要內(nèi)容第一章緒論研究四種構(gòu)件在兩種極限狀態(tài)下的受力性能、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及構(gòu)造措施。四種基本構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)（安全性）正常使用極限狀態(tài)（適用性、耐久性）S≤R課程的內(nèi)容框架二、課程的內(nèi)容框架第一章緒論設(shè)計(jì)方法材性第一章緒論三、課程的特點(diǎn)1、實(shí)驗(yàn)性、理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)。2、突出特點(diǎn)是以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，提出假定、進(jìn)行簡化、建立實(shí)用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和公式，用于解決工程實(shí)際問題。3、內(nèi)容存在“七多”，即概念多、公式多、系數(shù)多、符號(hào)多、構(gòu)造規(guī)定多、教學(xué)環(huán)節(jié)多，文字?jǐn)⑹龆唷?/p>

問題的復(fù)雜性問題的綜合性基本理論工程應(yīng)用受力性能理論分析構(gòu)件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題不是單一的解答是不唯一的材料的力學(xué)性能兩種材料的配比兩種材料的共同工作第一章緒論第一章緒論四、學(xué)習(xí)方法由鋼筋和混凝土兩種力學(xué)性能不同且復(fù)雜的材料組成，所以鋼筋混凝土的力學(xué)性能十分復(fù)雜。因此，其受力性能、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及配筋構(gòu)造不可能用力學(xué)方法推出，必須建立在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上。1.3課程的主要內(nèi)容、特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一門實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科第一章緒論1.3課程的主要內(nèi)容、特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法設(shè)計(jì)過程包括結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)件布置、內(nèi)力分析、配筋計(jì)算、配筋構(gòu)造、繪制施工圖等。設(shè)計(jì)中許多數(shù)據(jù)可能有多種選擇，因此設(shè)計(jì)結(jié)果不是唯一的。最終的設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)是安全適用和經(jīng)濟(jì)合理的。2、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性問題第一章緒論（1）設(shè)計(jì)規(guī)范的作用：設(shè)計(jì)規(guī)范是具有約束性和立法性的文件，其目的是使工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既安全適用又經(jīng)濟(jì)合理。（2）國內(nèi)的五本砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：建工GB50010-2010、公路JTGD62-2004、水工SL/T191-96、港工JTJ267-98、鐵路TB10002.3-）。3、本課程的學(xué)習(xí)應(yīng)與設(shè)計(jì)規(guī)范相結(jié)合（3）本課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)：本課程以基本理論為主，并結(jié)合主要用于建筑結(jié)構(gòu)的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》第一章緒論一方面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循規(guī)范，另一方面只有深刻地理解規(guī)范，才能發(fā)揮設(shè)計(jì)者的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。本學(xué)科還在不斷地發(fā)展和更新，因此設(shè)計(jì)工作也不應(yīng)被規(guī)范束縛，在經(jīng)