《混凝土结构设计原理》教学课件-绪论

第第1章章 绪论绪论 1.1 混凝土结构的概念和特点混凝土结构的概念和特点 1.2 混凝土结构的应用与发展混凝土结构的应用与发展 1.3 学习内容、目的及方法学习内容、目的及方法 1.4 本课程考核方式本课程考核方式 本章重点本章重点 第第1章章 绪论绪论 什么是什么是混凝土混凝土? 水泥（水泥（胶凝材料胶凝材料） 砂（砂（细骨料细骨料） 石子（石子（粗骨料粗骨料） 混凝土混凝土是由水泥、砂、石子、水和外加剂按一定比例搅拌、振 捣，在一定条件下养护成型的人造石材（砼砼）。 第第1章章 绪论绪论 粗骨料粗骨料 细骨料细骨料 水泥石水泥石 混凝土的混凝土的宏观宏观结构（结构（ 毫米级）毫米级） 混凝土是一个多孔的、非均质材料。混凝土是一个多孔的、非均质材料。 混凝土内部是由混凝土内部是由水泥结晶体水泥结晶体、水泥凝胶体水泥凝胶体和和内部微裂缝内部微裂缝组成的组成的 第第1章章 绪论绪论 混凝土的混凝土的微观微观结构（结构（ 微米级）微米级） CSH凝胶（水化硅酸钙产物）凝胶（水化硅酸钙产物） 约占水泥石体积的约占水泥石体积的70 % 第第1章章 绪论绪论 以以混凝土混凝土材料为主，并根据需要配置钢筋、预应力筋、材料为主，并根据需要配置钢筋、预应力筋、 钢骨、钢管或纤维等形成的主要承重结构，均可称为钢骨、钢管或纤维等形成的主要承重结构，均可称为混凝土混凝土 结构结构（Concrete Structures）。）。 1.1 混凝土结构的混凝土结构的概念概念和特点和特点 素混凝土素混凝土 Plain Concrete 纤维增强混凝土纤维增强混凝土 Fiber Reinforced Concrete 钢骨混凝土钢骨混凝土 Steel Reinforced Concrete 钢筋混凝土钢筋混凝土 Reinforced Concrete 钢管混凝土钢管混凝土 Concrete Filled Steel Tube 预应力混凝土预应力混凝土 Prestressed Concrete 钢混凝土组合结构钢混凝土组合结构 Composite Structure 第第1章章 绪论绪论 抗压强度高，而抗拉强度却很低抗压强度高，而抗拉强度却很低 通常抗拉强度只有抗压强度的通常抗拉强度只有抗压强度的1/81/20（取为（取为1/10） 破坏时具有明显的破坏时具有明显的脆性特征脆性特征 混凝土混凝土材料特性材料特性 第第1章章 绪论绪论 抗拉和抗压强度都很高抗拉和抗压强度都很高 通常具有通常具有屈服屈服现象，破坏前表现出现象，破坏前表现出较好的延性较好的延性 细长的钢筋受压时极易细长的钢筋受压时极易压曲压曲，多用于受拉，多用于受拉 钢筋钢筋材料特性材料特性 第第1章章 绪论绪论 混凝土结构的混凝土结构的特点特点 素混凝土梁 L=1500mm 120 200 C20 P 钢筋混凝土梁 L=1500mm 120 200 2f f14 C20 P P=4.4 kN P=62.5 kN 受压受压 受拉受拉 中性层中性层 中性轴中性轴 由上述对比试验可知：由上述对比试验可知： 钢筋混凝土梁的钢筋混凝土梁的承载力承载力比素混凝土梁比素混凝土梁大大提高大大提高（约约14倍倍）； 素混凝土梁素混凝土梁破坏突然破坏突然，没有明显预兆；没有明显预兆；而钢筋混凝土梁则表现出而钢筋混凝土梁则表现出 较好的较好的延性延性，破坏前破坏前有明显预兆有明显预兆； 钢筋混凝土梁最终由于混凝土被压碎而破坏钢筋混凝土梁最终由于混凝土被压碎而破坏，此时钢筋已经屈此时钢筋已经屈 服服，钢筋和混凝土的钢筋和混凝土的材料强度材料强度得到充分利用得到充分利用。 清华大学清华大学试验录像试验录像 清华大学清华大学试验录像试验录像 第第1章章 绪论绪论 钢筋和混凝土钢筋和混凝土共同工作的基础：共同工作的基础： 1.1. 两者之间有良好的粘结力，可以保证两者协同工作两者之间有良好的粘结力，可以保证两者协同工作 2.2. 温度线膨胀系数相近，因此当温度变化时两者之间不会产生过大温度线膨胀系数相近，因此当温度变化时两者之间不会产生过大 的变形差的变形差（钢材（钢材为为1.210-5，混凝土为，混凝土为1.01.510-5 ） 本课程主要研究本课程主要研究钢筋混凝土钢筋混凝土基本构件的设计原理基本构件的设计原理，不同的结构和构，不同的结构和构 件中，钢筋位置和形式并不相同，可见钢筋和混凝土不是随意组合件中，钢筋位置和形式并不相同，可见钢筋和混凝土不是随意组合 的，而应的，而应根据不同构件的受力特点来布置钢筋根据不同构件的受力特点来布置钢筋。 混凝土主要承受混凝土主要承受压力压力，钢筋则以承受钢筋则以承受拉力拉力为主为主，从而组成了钢筋混从而组成了钢筋混 凝土构件凝土构件，按构件的主要受力特点可分为按构件的主要受力特点可分为受拉受拉、受受压压、受受弯弯、受受剪剪、 受受扭扭等构件形式等构件形式，这些构件称为钢筋混凝土基本构件这些构件称为钢筋混凝土基本构件。 思考：钢材和混凝土还可能有哪些组合方式思考：钢材和混凝土还可能有哪些组合方式？ 第第1章章 绪论绪论 在复杂应力区域复杂应力区域配置钢筋 V + _ P a b c d P M 3 Pl b a c d bc段称为纯弯段，段称为纯弯段，ab、cd 段称为弯剪段段称为弯剪段 x x xy xy x x 1 3 垂直裂缝垂直裂缝 微元体微元体 微元体微元体 斜裂缝斜裂缝 P P 2P P P 2P 第第1章章 绪论绪论 钢筋理想的配置形式：钢筋理想的配置形式： 与裂缝垂直相交与裂缝垂直相交，全部承，全部承 担裂缝处的担裂缝处的主拉应力主拉应力。 梁构件实际工程中的配筋图示 弯起钢筋 弯起钢筋 箍筋 箍筋 在复杂应力区域复杂应力区域配置钢筋 第第1章章 绪论绪论 受弯构件的钢筋配置 对于楼面梁，钢筋应配置于梁下部，以承担正弯矩产生的对于楼面梁，钢筋应配置于梁下部，以承担正弯矩产生的主拉应力主拉应力； 对于挑梁及其他对于挑梁及其他悬臂构件悬臂构件，钢筋应钢筋应配置配置于梁的上部于梁的上部，来承担负弯矩，来承担负弯矩 产生的产生的主拉应力主拉应力。 第第1章章 绪论绪论 沈阳市大东区合作街沈阳市大东区合作街120号阳台整个坠落号阳台整个坠落（建成后（建成后15年）年） 阳台板内几乎看不到钢筋阳台板内几乎看不到钢筋 第第1章章 绪论绪论 受压构件的钢筋配置 钢骨混凝土柱钢骨混凝土柱 Steel Reinforced Concrete Column 当构件所受压力很大时，可直接配置当构件所受压力很大时，可直接配置型钢型钢 受受 拉拉 受受 压压 N M 钢筋混凝土柱钢筋混凝土柱 Reinforced Concrete Column N M 普通钢箍柱螺旋钢箍柱 第第1章章 绪论绪论 可利用箍筋约束混凝土来提高混凝土的抗压强度，甚至直接采用可利用箍筋约束混凝土来提高混凝土的抗压强度，甚至直接采用 钢管钢管来约束混凝土。来约束混凝土。 受压构件的钢筋配置 核心混凝土核心混凝土三向受压三向受压 钢管混凝土钢管混凝土 Concrete-filled Steel Tube (CFST) 填充混凝土填充混凝土 第第1章章 绪论绪论 配置预应力筋，形成预应力混凝土构件（先张法） 张拉钢筋张拉钢筋 砼成型及养护砼成型及养护 放张钢筋施加预应力放张钢筋施加预应力 锚固锚固 锚固锚固 第第1章章 绪论绪论 预应力钢筋的布置预应力钢筋的布置 应和构件的应和构件的弯矩图弯矩图 形状相似。形状相似。 第第1章章 绪论绪论 1.2.1 混凝土结构的应用与发展混凝土结构的应用与发展 1824年英国人阿斯普丁年英国人阿斯普丁(J.Aspdin)发明硅酸盐水泥发明硅酸盐水泥 1849年法国人朗波年法国人朗波(L.Lambot)制造了第一只钢筋混凝土小船制造了第一只钢筋混凝土小船 1872年在纽约建造了第一所钢筋混凝土房屋年在纽约建造了第一所钢筋混凝土房屋 混凝土结构开始应用距今不到混凝土结构开始应用距今不到200年年 与砖石结构、钢木结构相比，混凝土结构的历史并不长，但与砖石结构、钢木结构相比，混凝土结构的历史并不长，但 发展非常迅速，目前已成为大量土木工程中主要采用的结构形发展非常迅速，目前已成为大量土木工程中主要采用的结构形 式，而且式，而且高性能混凝土高性能混凝土和和新型钢混凝土组合结构新型钢混凝土组合结构还在不断发还在不断发 展。展。 钢筋混凝土结构的钢筋混凝土结构的优点优点 材料利用合理材料利用合理 钢筋与混凝土的材料强度可充分发挥；钢筋与混凝土的材料强度可充分发挥； 可模性好可模性好 适用于各种复杂的结构形式；适用于各种复杂的结构形式； 耐久和耐火性好耐久和耐火性好 维护费用较低；维护费用较低； 结构整体性好结构整体性好 有利于结构的抗震、抗爆；有利于结构的抗震、抗爆； 刚度、阻尼大刚度、阻尼大 有利于结构的变形控制；有利于结构的变形控制； 材料易获得材料易获得 混凝土材料可就地取材，还可利用工业废料混凝土材料可就地取材，还可利用工业废料 作为其原材料，进而保护环境。作为其原材料，进而保护环境。 第第1章章 绪论绪论 阿拉伯联合酋长国阿拉伯联合酋长国 迪拜塔迪拜塔 （ 哈利法塔，哈利法塔，828米）米） 第第1章章 绪论绪论 台北台北101大厦大厦 （508米）米） 帝国大厦帝国大厦 101101大厦大厦 巨型结构体系巨型结构体系，主体承重结构为主体承重结构为八根巨型钢管高强混凝土柱八根巨型钢管高强混凝土柱 以吉祥数字以吉祥数字“八八”作为设计单元作为设计单元，每每8层为一个单元层为一个单元，模仿竹模仿竹 节构筑的含义节构筑的含义，完美体现了古代中国传统的建筑艺术完美体现了古代中国传统的建筑艺术 在在88-92层设置了一个重达层设置了一个重达680吨的巨大钢球吨的巨大钢球，利用摆动来利用摆动来 减小结构在风振下的反应减小结构在风振下的反应。 第第1章章 绪论绪论 建筑外围采用建筑外围采用8根巨型钢管混凝土柱根巨型钢管混凝土柱，构成巨型结构形式构成巨型结构形式。 第第1章章 绪论绪论 上海环球金融中心上海环球金融中心 （492米）米） 第第1章章 绪论绪论 吉隆坡国家石油吉隆坡国家石油 双子星座大厦双子星座大厦 （451.9米）米） 结构底部采用结构底部采用钢骨高强混凝土柱钢骨高强混凝土柱，混凝混凝 土强度等级土强度等级C70。 第第1章章 绪论绪论 南京紫峰大厦南京紫峰大厦 （450米）米） 第第1章章 绪论绪论 多伦多电视塔多伦多电视塔 （544.5米）米） 预应力混凝土结构预应力混凝土结构 第第1章章 绪论绪论 上海金茂大厦上海金茂大厦 （420.5米）米） 外形轮廓共十三层外形轮廓共十三层，每隔每隔 若干层渐渐收进若干层渐渐收进，似中国似中国 古代的宝塔古代的宝塔，具有独特的具有独特的 民族风格民族风格。 第第1章章 绪论绪论 金茂大厦主体结构中部为八角形型钢配筋混凝土金茂大厦主体结构中部为八角形型钢配筋混凝土(SRC)核核 心筒束心筒束，筒内井字形墙到筒内井字形墙到56层结束层结束，然后单筒升到然后单筒升到 335.3 m； 核心筒四周为八根核心筒四周为八根SRC大柱大柱，截面由截面由 1.5 m5 m逐渐收至逐渐收至1 m3.5 m，以适应逐渐收进的外形以适应逐渐收进的外形。 第第1章章 绪论绪论 香港国际金融中心香港国际金融中心 （415.8米）米） 美国芝加哥西尔斯大厦美国芝加哥西尔斯大厦 （442米）米） 1974年建成年建成 曾居世界最高楼曾居世界最高楼 20年年 第第1章章 绪论绪论 钢管混凝土拱桥钢管混凝土拱桥巫山长江大桥巫山长江大桥 第第1章章 绪论绪论 钢管混凝土拱桥施工钢管混凝土拱桥施工 第第1章章 绪论绪论 上海金茂上海金茂 大厦大厦 三峡大坝三峡大坝 秦岭隧道秦岭隧道 南京长江三桥南京长江三桥 国家大剧院国家大剧院 我国重大工程的建设已居世界之首我国重大工程的建设已居世界之首 世界前世界前10座最高座最高建筑建筑，我国我国7座座 ； 世界前世界前10座最大跨度座最大跨度斜拉桥，我国斜拉桥，我国7座座； 世界前世界前10座最大跨度悬索桥座最大跨度悬索桥，我国我国3座座； 三峡工程是世界上规模最大的水利工程；小湾大坝三峡工程是世界上规模最大的水利工程；小湾大坝、锦屏大坝、锦屏大坝 是世界上最高的在建拱坝是世界上最高的在建拱坝 (292m、305m)。 第第1章章 绪论绪论 钢筋混凝土结构的钢筋混凝土结构的缺点缺点 自重大自重大 不适于发展高层和大跨结构；不适于发展高层和大跨结构； 混凝土的容重是混凝土的容重是 25 kN/m3，小于钢材的容重，小于钢材的容重 78 kN/m3，为什么说，为什么说 混凝土结构的自重比钢结构要大混凝土结构的自重比钢结构要大？ 假设钢材和混凝土同时承受假设钢材和混凝土同时承受100吨吨的压力，混凝土抗压强度的压力，混凝土抗压强度30 MPa，钢材的抗压强度为，钢材的抗压强度为235 MPa，所需截面尺寸如下，所需截面尺寸如下 则混凝土截面重：则混凝土截面重：0.1830.18325 kN/m3 = 0.837 kN/m 钢材截面重钢材截面重：0.0650.06578 kN/m3 = 0.33 kN/m 在构件长度一样时，混凝土构件的重量是钢构件的在构件长度一样时，混凝土构件的重量是钢构件的2.5倍！倍！ 混凝土混凝土 钢钢 183183 mm 6565 mm 承载力较低承载力较低 往往导致受力构件的截面尺寸较大；往往导致受力构件的截面尺寸较大； 抗裂性差抗裂性差 对防渗防漏的结构不利，还会影响结构的耐久性；对防渗防漏的结构不利，还会影响结构的耐久性； 施工较复杂施工较复杂 工期较长且受季节影响；工期较长且受季节影响； 修复、加固难修复、加固难 混凝土产生裂缝或被压碎后修复困难；混凝土产生裂缝或被压碎后修复困难； 早期容易开裂早期容易开裂 高性能混凝土水胶比较小，早期收缩大，养护高性能混凝土水胶比较小，早期收缩大，养护 不及时会导致表面严重开裂，影响耐久性及美观。不及时会导致表面严重开裂，影响耐久性及美观。 第第1章章 绪论绪论 自重大自重大 抗裂性差抗裂性差 承载力较低承载力较低 施工较复杂施工较复杂 修复、加固难修复、加固难 混凝土结构的混凝土结构的发展取决于发展取决于混凝土混凝土材料的发展材料的发展 轻质混凝土轻质混凝土 纤维混凝土纤维混凝土 高性能混凝土高性能混凝土 自密实混凝土自密实混凝土 碳纤维加固碳纤维加固 高性能、高功能高性能、高功能和和智能化智能化是是21世纪混凝土科技的主要发展趋势世纪混凝土科技的主要发展趋势 新的施工工艺新的施工工艺 第第1章章 绪论绪论 自重大自重大 抗裂性差抗裂性差 承载力较低承载力较低 施工较复杂施工较复杂 修复、加固难修复、加固难 混凝土结构的混凝土结构的发展取决于发展取决于混凝土混凝土材料的发展材料的发展 轻质混凝土轻质混凝土 纤维混凝土纤维混凝土 高性能混凝土高性能混凝土 自密实混凝土自密实混凝土 碳纤维加固碳纤维加固 高性能、高功能高性能、高功能和和智能化智能化是是21世纪混凝土科技的主要发展趋势世纪混凝土科技的主要发展趋势 新的施工工艺新的施工工艺 点击观看演示点击观看演示 第第1章章 绪论绪论 轻集（骨）料混凝土主要为解决混凝土自重大的缺陷，采用轻集（骨）料混凝土主要为解决混凝土自重大的缺陷，采用 浮石、工业废渣及轻砂为原料，减少了混凝土结构的自重浮石、工业废渣及轻砂为原料，减少了混凝土结构的自重 目前世界上最高的轻骨料混凝土目前世界上最高的轻骨料混凝土 高层建筑为美国的高层建筑为美国的休斯敦贝壳广休斯敦贝壳广 场大厦场大厦，共，共52层，高层，高215米米。 第第1章章 绪论绪论 钢纤维钢纤维 玻璃纤维玻璃纤维 短切碳纤维短切碳纤维 聚丙烯纤维聚丙烯纤维 第第1章章 绪论绪论 钢纤维钢纤维、碳纤维碳纤维及及玻璃纤维玻璃纤维等均可掺入混凝土中形成纤维等均可掺入混凝土中形成纤维 混凝土，纤维混凝土可提高构件的承载力和变形能力，改混凝土，纤维混凝土可提高构件的承载力和变形能力，改 善破坏性态及提高抗裂承载力。善破坏性态及提高抗裂承载力。 第第1章章 绪论绪论 高性能混凝土包括高性能混凝土包括高强度高强度、高耐久性高耐久性和和高工作性高工作性三个要素三个要素 建设部将“建设部将“高强高性能混凝土技术高强高性能混凝土技术”列为“九五”期间建筑业十”列为“九五”期间建筑业十 项新技术之一，要求在高层建筑中普及项新技术之一，要求在高层建筑中普及C60级混凝土的应用，级混凝土的应用， C80级混凝土达到工程应用，级混凝土达到工程应用，C100级混凝土能在试点工程中应用。级混凝土能在试点工程中应用。 序序 号号 工程名称工程名称 建筑面积建筑面积 (万万m2) 应用部位应用部位 (层层) 混凝土混凝土 供应方供应方 施工年月施工年月 强度平均值强度平均值 (MPa) 1 远吉大厦远吉大厦 2.4 -2 +5 华兴华兴 2003.4 116.3 2 贵和大厦贵和大厦 2.1 1 3 泰丰泰丰 2004.3 114.5 3 皇朝万鑫大厦皇朝万鑫大厦 20 -2 +8 汉拿汉拿 2005.4 119.1 4 东北大学科技东北大学科技 综合楼综合楼 3.8 1 3 健富健富 2005.9 115 5 宏发国际名城宏发国际名城 10.5 -2 +12 华兴华兴 2005.9 116.9 高性能混凝土的工程应用实例高性能混凝土的工程应用实例 第第1章章 绪论绪论 100MPa高强混凝土在国家大剧院中也得到广泛应用高强混凝土在国家大剧院中也得到广泛应用 第第1章章 绪论绪论 提高结构的提高结构的耐久性耐久性刻不容缓刻不容缓 钢筋锈蚀钢筋锈蚀引起的构件破坏引起的构件破坏 第第1章章 绪论绪论 宁波北仑港码头混凝土梁宁波北仑港码头混凝土梁（建成后（建成后11年）年） 钢筋锈蚀引起的钢筋锈蚀引起的劈裂裂缝劈裂裂缝 第第1章章 绪论绪论 美国土木工程学会报告，美国现有美国土木工程学会报告，美国现有29%以上桥梁和以上桥梁和1/3以上的以上的 道路老化，有道路老化，有2100座水坝不安全，估计需有座水坝不安全，估计需有1.31.3万亿美元万亿美元改善改善 其安全状态。其安全状态。 美国每年基础设施修复费用约为这些设施总资产的美国每年基础设施修复费用约为这些设施总资产的10！ 发达国家土建设施耐久性问题造成的年损失，约占发达国家土建设施耐久性问题造成的年损失，约占GDP的的 1.52%，其中主要是，其中主要是混凝土结构的耐久性破坏混凝土结构的耐久性破坏。 我国也将面临着我国也将面临着混凝土结构的大范围维修混凝土结构的大范围维修 第第1章章 绪论绪论 活性粉末混凝土活性粉末混凝土 Reactive Powder Concrete, RPC 抗压强度可达抗压强度可达200MPa、500MPa和和800MPa 采用粒径小于采用粒径小于1mm的细石英砂为粗骨料的细石英砂为粗骨料 在成型过程中施加压力、热水养护或蒸压养护在成型过程中施加压力、热水养护或蒸压养护 掺入细而短的钢纤维，抗折强度可达掺入细而短的钢纤维，抗折强度可达50MPa。 法国法国Bouygues公司公司1993年研究成功年研究成功 第第1章章 绪论绪论 RPC构件构件 第第1章章 绪论绪论 1994加拿大魁北克省加拿大魁北克省70米跨的米跨的 Sherbrooke 人行混凝土桁架桥人行混凝土桁架桥 上首次应用上首次应用RPC混凝土，全部构件在现场组装。混凝土，全部构件在现场组装。 第第1章章 绪论绪论 30mm厚无纤维厚无纤维RPC桥面板桥面板 钢管钢管RPC钢管混凝土桁架钢管混凝土桁架 由于采用了由于采用了RPC材料，不仅大大减轻了桥梁结构的自重，同材料，不仅大大减轻了桥梁结构的自重，同 时提高了桥梁在时提高了桥梁在高湿度环境高湿度环境、除冰盐腐蚀除冰盐腐蚀与与抗冻融循环抗冻融循环作用作用 下的耐久性能。下的耐久性能。 有纤维的有纤维的RPC梁梁 第第1章章 绪论绪论 韩国韩国 Seoul（首尔）混凝土步行拱桥（首尔）混凝土步行拱桥 跨度跨度120m，拱高，拱高15m，厚，厚1.3m，没有任何柱子支撑，没有任何柱子支撑，没有箍筋没有箍筋 第第1章章 绪论绪论 自密实混凝土自密实混凝土 混凝土拌合物具有良好的工作性混凝土拌合物具有良好的工作性，即使在密集即使在密集 配筋条件下配筋条件下，仅依靠混凝土自重作用仅依靠混凝土自重作用，无需振捣便能均匀密实无需振捣便能均匀密实 成型的高性能混凝土成型的高性能混凝土。 第第1章章 绪论绪论 自密实混凝土自密实混凝土 在深圳市在深圳市赛格赛格 广场广场钢管混凝钢管混凝 土柱中的应用土柱中的应用 第第1章章 绪论绪论 湘雅医院内科楼加固工程湘雅医院内科楼加固工程 第第1章章 绪论绪论 0 0 1010 2020 3030 4040 5050 6060 19801980 19851985 19901990 19951995 20002000 20052005 20102010 20152015 20202020 20252025 20302030 投資額（兆円）投資額（兆円） 更新費更新費 維持費維持費 新規投資新規投資 整備水準整備水準( () ) ( (量量) ) 公共投資額公共投資額( (実績実績) ) 公共投資額公共投資額( (予想予想) ) 100%100% 整備水準整備水準 0%0% New construction retrofit maintenance Public investment (real) Public investment (predicted) Maintenance levelMaintenance level ( (stockstock） Maintenance level Amount invested (trillion Yen) 2000 2010 2020 日本基础设施投资现状与预测（日本基础设施投资现状与预测（吴智深吴智深） 美国美国FHWA（联邦公路管理局）提供数据表明：（联邦公路管理局）提供数据表明：600,905座桥梁中座桥梁中26.9%桥梁桥梁 有结构或功能缺陷，今后有结构或功能缺陷，今后50年内年内每年需投资每年需投资170170亿亿美元维修加固，但现在可利美元维修加固，但现在可利 用投资只有用投资只有105105亿亿美元。美元。 既有结构的维修与加固既有结构的维修与加固 第第1章章 绪论绪论 FRP (Fiber-Reinforced Polymer) CFRP GFRP AFRP BFRP Characters: High strength-to-weight ratio 轻质高强轻质高强 Resistance to corrosion 耐腐蚀耐腐蚀 Ease of installation 易于施工易于施工 纤维纤维 树脂基体树脂基体 0.00.51.01.52.02.53.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Mild steel GFRP Stress (MPa) Strain (%) CFRP CFRP 碳纤维碳纤维 GFRP 玻璃纤维玻璃纤维 AFRP 芳纶纤维芳纶纤维 第第1章章 绪论绪论 材料种类材料种类 强度强度 /MPa 弹模弹模 /GPa 密度密度 /g/cm3 应力应力-应变应变 关系关系 耐腐蚀性能耐腐蚀性能 抗疲劳强度抗疲劳强度 钢钢 310 210 7.8 差差 低低 碳纤维碳纤维 CFRP 3500 230 1.78 好好 优异优异 玄武岩纤维玄武岩纤维 BFRP 2100 80 2.65 好好 高高 玻璃纤维玻璃纤维 GFRP 1500 70 2.55 一般一般 高高 纤维增强复合材料纤维增强复合材料(FRP)是实现高性能、长寿命的理想材料 纤维种类纤维种类 多，性能多，性能 各异，可各异，可 设计性强设计性强 轻质高强，轻质高强， 可实现结可实现结 构轻量化构轻量化 FRP弹性自弹性自 恢复性可提恢复性可提 升结构的可升结构的可 修复性修复性 FRP腐蚀腐蚀 速率远低速率远低 于钢材于钢材 FRP比钢比钢 有更高的有更高的 抗疲劳强抗疲劳强 度度 高性能高性能 长寿命长寿命 FRP是目前唯一被认为能够替代钢材，解决腐蚀问是目前唯一被认为能够替代钢材，解决腐蚀问 题及实现长寿命和高性能的结构材料；同时，题及实现长寿命和高性能的结构材料；同时，FRP 是各国优先发展的战略性非金属结构材料。是各国优先发展的战略性非金属结构材料。 第第1章章 绪论绪论 碳纤维（碳纤维（Carbon Fiber）抗拉强度是普通钢筋的）抗拉强度是普通钢筋的10倍左右，而倍左右，而 且具有很好的耐久性，目前主要用于环境恶劣的工程结构，应且具有很好的耐久性，目前主要用于环境恶劣的工程结构，应 用对象为板、梁、柱等构件。用对象为板、梁、柱等构件。 纤维增强复合材料纤维增强复合材料 (FRP) 在新建结构中的应用 第第1章章 绪论绪论 FRPFRP在很多领域已有多年的应用经验在很多领域已有多年的应用经验 第第1章章 绪论绪论 FRPFRP风力发电机叶片风力发电机叶片 第第1章章 绪论绪论 CFRP是新一代波音客机是新一代波音客机B787的主要材料的主要材料 每架飞机消耗每架飞机消耗32吨碳纤维，按重量算吨碳纤维，按重量算CFRP占占61%， 按体积算按体积算CFRP占占80%。 DreamlinerDreamliner 梦梦想飞机想飞机 第第1章章 绪论绪论 FRP (Fiber-Reinforced Polymer) CFRP GFRP AFRP Characters: High strength-to-weight ratio Resistance to corrosion Ease of installation Work of Prof. Sheikh (University of Toronto, Canada) 第第1章章 绪论绪论 FRP管混凝土管混凝土 钢筋钢筋 FRP管管 混凝土混凝土 FRP管管 混凝土混凝土 钢管钢管 钢钢-FRP组合柱组合柱 FRP管管 第第1章章 绪论绪论 111m跨体内索箱梁悬臂桥 步行桥 连接防波堤和海洋设施的简支梁桥 吊桥 碳纤维在工程中的应用碳纤维在工程中的应用 第第1章章 绪论绪论 隧道施工 核磁共振实验室地基 火山地区的地锚 地铁的轨枕 碳纤维在工程中的应用碳纤维在工程中的应用 第第1章章 绪论绪论 碳纤维布加固梁、柱构件碳纤维布加固梁、柱构件 怎样加固才怎样加固才合理合理？ 第第1章章 绪论绪论 Retrofit the shear capacity of beam Retrofit the flexural capacity of beam Retrofit slab Strengthen the flexural capacity of columns CFRP confined columns Strengthen wall Strengthen hole Retrofit slab Applications of CFRP in Civil Engineering 第第1章章 绪论绪论 再生混凝土再生混凝土 (Recycled Aggregate Concrete ，RAC) 再生骨料再生骨料 再生混凝土再生混凝土 废弃混凝土废弃混凝土 将废弃混凝土块经过破碎、清洗与分级后，按一定的比例与级配将废弃混凝土块经过破碎、清洗与分级后，按一定的比例与级配 混合形成再生混凝土骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料配制混合形成再生混凝土骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料配制 而成的新混凝土。而成的新混凝土。 废弃混凝土废弃混凝土 中等尺度的碎块中等尺度的碎块 再生粗骨料再生粗骨料 其他混凝土材料其他混凝土材料 据日本建设省统计，早在据日本建设省统计，早在1995年全日本废弃混凝土再资源化率年全日本废弃混凝土再资源化率 已达到已达到65，2000年则高达年则高达96，欧盟也在，欧盟也在2010年实现建筑垃年实现建筑垃 圾再循环率达到圾再循环率达到90 以上。以上。 第第1章章 绪论绪论 机敏混凝土机敏混凝土 (Smart Concrete) 美国钟端玲教授美国钟端玲教授(DDL.Chung)等等1993年首先发现了碳纤维混凝土年首先发现了碳纤维混凝土 的的压敏效应压敏效应 混凝土试块混凝土试块 电压采集设备电压采集设备 第第1章章 绪论绪论 碳纤维混凝土板开裂后的碳纤维混凝土板开裂后的红外热像图红外热像图 40秒秒 1分分40秒秒 2分分30秒秒 碳纤维混凝土通电后的融冰试验碳纤维混凝土通电后的融冰试验 第第1章章 绪论绪论 1.2.2 钢筋钢筋混凝土非线性分析的发展混凝土非线性分析的发展 1967年，第一篇混凝土有限元论文发表；年，第一篇混凝土有限元论文发表； 1967 年3 月，美国学者D. Ngo 和A. C. Scordelis 把有限元分析方法应用 于三分点加载钢筋混凝土简支梁的抗剪分析，采用了平面三角形单元和 附加弹簧，预留裂缝，裂缝模型为离散裂缝(discrete cracks)模型，文章 发表在 ACI Structural Journal上； 探索阶段探索阶段 (1967-1977) 1969年，年， Lin 和和Scordelis使用分层法分析受弯构件；使用分层法分析受弯构件； 1970年，弥散裂缝模型提出使得混凝土有限元分析变得简单易行；年，弥散裂缝模型提出使得混凝土有限元分析变得简单易行； Franklin提出“分布裂缝”(smeared cracks)的概念，对钢筋混凝土有限元 分析的广泛应用产生实质推进作用。 学习过程中注意拓宽知识面，关注混凝土非线性分析的基本概念学习过程中注意拓宽知识面，关注混凝土非线性分析的基本概念 与方法，可更好地理解设计原则与规范的相关规定，为今后研究与方法，可更好地理解设计原则与规范的相关规定，为今后研究 生阶段的学习奠定基础。生阶段的学习奠定基础。 第第1章章 绪论绪论 单元模式、混凝土本构关系、破坏理论和裂缝模拟等研究展开； 1977 年由美国土木工程师协会组织了一个20 人的委员会，化了5 年的时 间