混凝土结构设计原理第一章绪论

混凝土结构设计基本原理

BasicPrincipleofConcreteStructureDesign河南理工大学土木工程学院秦本东武汉长江大桥1957年建成通车已使用57年南京长江大桥1968年建成通车已使用46年郑州黄河二桥2004年10月1日建成通车已使用10年哈利法塔，阿拉伯联合酋长国，迪拜，160层，828m。中国第一高楼：上海环球金融中心，101层，492m。武汉国际证券大厦，331m，68层深圳赛格广场，292m，70层2013年5月25日长春市某正在改建的小学倒塌广西百色德保县“楼歪歪”工程历经数月缓慢倾斜最终倒塌2013年暴雨致使四川西部某桥垮塌2013.10.8广东惠州旱坑大桥垮塌60m3场超强台风带来的特大洪灾导致桥梁基础及桥墩失稳，超载车过多是主因河南连霍高速三门峡渑池段义昌大桥发生桥面垮塌事故

2013年2月1日（农历正月十一），上午8：52分义昌大桥坍塌到底原因为何？工程简况：160多m的义昌河大桥桥面有80多m坍塌，桥离地面高30m左右。事故原因：一个满载烟花爆竹的车辆爆炸引发的桥面坍塌，导致车辆坠落引发伤亡。

客观原因：

烟花爆竹车上装有350多袋开天雷和200多箱内筒式烟花，相当于1吨多炸药。烟花爆竹车在节点位置上爆炸，引起了大桥跨塌。义昌大桥是简支T梁桥，梁体在简支处断开。简支梁的特点是一端为固定铰支座，一端为滑动铰支座，滑动支座可以沿着梁体的走向自由滑动一定距离，但超过这个距离梁体就会从支座上掉下来。因此，很有可能是，爆竹货车爆炸的冲击波引起梁体滑动，导致梁体滑落而跨塌。而且，可能是两跨桥梁体的固定铰支座都设置在了中间桥墩上，一个梁体滑落后拉倒了中间桥墩，从而导致了另一个梁体落梁，大桥也就跨塌了。“1937年，茅以升找了100多关键点，才炸断钱塘江大桥。2013年，一车爆竹让连霍高速大桥倒塌。”有人质问，“爆竹车响了能把桥震塌了，你说是爆竹质量好还是桥质量差？”

其他分析：著名爆破专家王百姓：北半幅的桥面和南北隔开的部分被炸开了，假如是桥先坠落烟花爆竹后爆炸的话，就不会影响到北半部分，大桥的北半部也受到影响说明当时是先爆炸，强烈的冲击波波及到北半幅桥面。上海闵行区“莲花景苑”住宅楼整体倒塌2009年6月27日，凌晨5：30分上海“莲花景苑”住宅楼整体倾倒分析工程简况：13层住宅楼，高30多m，大开孔剪力墙结构，无地下室，高强预应力离心管桩事故特征：大楼整体坍塌，上部结构无明显损伤，下部支座无明显下沉，高强预应力管桩断裂上海“莲花景苑”住宅楼整体倾倒分析客观原因：大楼左侧挖土、右侧推土，引起水平推力和水平位移主观原因（建筑结构内在的隐患）：桩长度大（约33m），桩数量少；桩型为PHC高强预应力离心管桩，壁薄，脆性，桩截面强度小，与普通方桩相比约差一半；建筑物宽度小，南北两侧沉降差引起转角大，相互作用下倾覆力矩增长迅速；无地下室，水平力仅有桩承受，无墙相助。上海“莲花景苑”住宅楼整体倾倒分析专家结论：1、经复核原勘察报告、结构设计、管桩强度符合要求；2、紧贴7号楼北侧，在短期内堆土太高，大楼南侧的地下车库开挖，深度4.6m，大楼两侧的压力差致使土体产生水平位移，过大的水平力超过了大楼桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒。建筑结构内在的隐患桩长度大，桩数量少桩壁薄，脆性，桩截面强度小结构竖向强，侧向弱偶然因素作用下可能发生灾难性后果混凝土结构设计

基本原理第一章绪论

Chapter1Introduction1.结构的定义与分类2.钢筋混凝土结构的定义与分类3.钢筋混凝土结构的受力特点4.钢筋混凝土结构的优缺点一、混凝土结构的概念和特点

1.钢筋混凝土结构发展的几个阶段2.材料方面的发展3.结构方面的发展4.施工技术方面的发展5.钢筋混凝土结构计算理论的发展二、混凝土结构的发展

本章内容

三、混凝土结构的工程应用

1.房屋工程2.交通工程3.水利工程4.特种结构四、本课程的特点和学习方法了解（钢筋）混凝土结构的定义、特点；

理解钢筋和混凝土共同工作的基础；本章重点一、混凝土结构的概念和特点

1.结构(structure)的定义与分类

结构按组成的材料可分为：木结构woodstructure

、砌体结构masonrystructure

、钢结构steelstructure

、混凝土结构concretestructure等。

建筑物(building)和工程设施(engineeringservices

)中能够承受、传递荷载(load)起骨架作用的部分称为结构。

结构按结构形式可分为：砖混结构masonry['meisənri]

andconcretestructure

、框架结构framestructure、剪力墙shearwallstructure结构、筒体tubestructure结构、筒中筒结构tubeintubestructure等。一、混凝土结构的概念和特点

2.混凝土结构（concretestructure

）的定义与分类

以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝士结构。

混凝土结构又分为：素混凝土结构、钢筋混凝土结构、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和预应力混凝土结构等。钢筋混凝土梁beam和板slab的受力特点：reinforcedconcreteslab

reinforcedconcretebeam

1）受力特点：（1）素混凝土简支梁的破坏试验：

素混凝土简支梁，跨度4m，截面尺寸200mm×300mm、C20,跨中集中荷载F。3.钢筋混凝土结构的受力特点开裂前、后脆性破坏破坏荷载：8kN（一头成年象）

（2）钢筋混凝土梁的破坏试验：

开裂前、后塑性破坏破坏荷载：36kNPPPP素混凝土梁承载力小，破坏突然钢筋混凝土梁承载力大，变形性能好，破坏有预告在混凝土结构中配置一定型式和数量的钢筋，可以收到下列的效果：①结构的承载能力有很大的提高；②结构的受力性能得到显著的改善（破坏前带有明显的预兆即：变形和裂缝都较明显）。PP钢筋+混凝土钢筋混凝土结构（构件）拉压性能均好抗压性能好利用混凝土抗压，钢筋受拉（亦可受压）各尽其能，相得益彰重点讲述钢筋混凝土结构的材料性能、设计原则、计算方法和构造措施。简单介绍预应力混凝土结构。*混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者之间通过界面粘结力可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形。*

两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：1.0×10-5~1.5×10-5，钢筋：1.2×10-5

PP2）混凝土和钢筋共同工作的原因*混凝土作为钢筋的保护层，可以防止钢筋锈蚀。受弯构件：梁、板受压构件：柱子、剪力墙、屋架的压杆受拉构件：屋架的拉杆、水池的池壁受扭构件：框架的边梁、带有悬挑雨篷的挑梁压弯构件：偏压柱拉弯构件弯扭构件拉弯扭构件钢筋混凝土构件按受力特点分类：优点：就地取材用材合理耐久性好耐火性好整体性好可模性好阻止射线的穿透缺点：自重大易开裂耗模板施工工序多、周期长且易受天气、季节影响拆除、改造难度大4.混凝土结构的优缺点

随着科学技术的不断发展，缺点正逐渐被克服二、混凝土结构的发展

容许应力法（allowablestressmethod）：是建立在弹性理论基础上的设计方法。在使用荷载作用下，它规定在使用阶段截面上的最大应力不超过材料的容许应力。1.钢筋混凝土结构发展的几个阶段1)第一阶段：从钢筋混凝土发明至20世纪初钢筋和混凝土的强度比较低计算理论：弹性理论设计方法：容许应力法容许应力法缺点：没有考虑材料的非线性性能，忽视了结构实际承载能力与按弹性方法计算结果的差异，对荷载和材料容许应力的取值凭经验确定，缺乏科学依据。二、混凝土结构的发展

*1824年，英国人J.Aspdin

发明了波特兰水泥，有了混凝土；*1849年，法国人L.Lambot

用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成小船最早的钢筋混凝土结构；*1861年，法国花匠J.Monier

发明了花盆专利，钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利他被认为是钢筋混凝土结构的发明者；1.钢筋混凝土结构发展的几个阶段1)第一阶段：1890年在旧金山建造了一幢两层高、321英尺（95m）长的钢筋混凝土美术馆。从此以后，钢筋混凝土在美国获得了迅速的发展。

1866年，德国学者发表了计算理论和计算方法，1887年又公开发表了试验结果，并提出了钢筋应配置在受拉区的概念及钢筋混凝土板的计算方法。此后，钢筋混凝土的推广应用有了较快的发展。二、混凝土结构的发展

2)第二阶段：从20世纪初到第二次大战前后钢筋和混凝土的强度有所提高，预应力混凝土开始研究并应用，混凝土试验研究开始进行计算理论：弹塑性理论设计方法：按破损阶段计算结构的承载力破损阶段设计法(plasticpagedesignmethod):考虑在使用阶段塑性应力分布后结构构件截面承载力不小于外荷载产生的内力并乘以安全系数。破损阶段设计法以构件破坏时的受力状况为依据，考虑了材料的塑性性能，在表达式中引入了安全系数，使构件有了安全度的概念。与容许应力法相比有了进步。缺点：破损阶段设计法中安全系数仍凭经验确定，只是单纯的考虑了承载力的问题，没有考虑构件在正常使用情况下的变形和裂缝问题。二、混凝土结构的发展

极限状态设计法(limitedstatedesignmethod):明确将结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。在安全度的表达上有单一系数和多系数形式，考虑了荷载的变异、材料性能的变异和工作条件的不同。在部分荷载和材料的性能取值上，引入了概率统计方法加以确定。比容许应力法和破损阶段法考虑问题更全面，安全系数取值更合理。3)第三阶段：从第二次大战后到现在高强钢筋和高强混凝土出现，预制装配式混凝土结构、高效预应力混凝土结构、泵送混凝土、新施工技术开始广泛应用，混凝土试验研究开始进行，计算理论：概率论设计方法：极限状态设计理论二、混凝土结构的发展

概率极限状态设计法以概率论为基础，把作用效应(actioneffect)和结构抗力(StructuralResistance)视作随机变量，根据统计分析确定可靠概率来度量结构可靠性的设计方法。特点：有明确的、用概率尺度表达的结构可靠度的定义，通过预先规定的可靠指标，使结构各构件间以及不同材料组成的结构有较为一致的可靠度标准。第三阶段后期：概率极限状态设计方法(probabilisaticlimitstatedesignmethod)混凝土发展方向

轻质、高强、高抗裂性、易于成型2.材料方面的发展钢筋和混凝土主要的工程材料

水泥年产量：>4亿吨混凝土年用量：约5亿吨钢筋年用量：约2000万吨混凝土强度不断提高

美国20世纪60年代混凝土抗压强度平均值：28N/mm2，70年代：42N/mm2，现在试验室中：200N/mm2以上。我国常用混凝土的强度等级为20-40N/mm2，实验室已制成100N/mm2以上的混凝土，在特殊结构中可配制出400N/mm2以上的混凝土。轻质混凝土的应用：容重一般为：14kN/m3~18kN/m3(普通混凝土为24kN/m3)，加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等，轻质混凝土制成的结构自重比普通混凝土减少20%-30%。

提高混凝土的抗裂性、耐久性：纤维混凝土、聚合物混凝土、树脂混凝土的应用。

外加剂的使用：改善混凝土的流动性（减水剂、增塑剂）；调节混凝土的凝结时间（缓凝剂、早强剂、速凝剂）；改善耐久性（引气剂、防水剂、阻锈剂）；改善其他性能的加气剂、防冻剂、膨胀剂等。纤维增强混凝土结构（FRC）:fibre['faibə]reinforcedconcrete

在普通混凝土中掺入适当的纤维材料而形成的纤维增强混凝土。钢纤维、合成纤维（尼龙基纤维、聚丙烯纤维等）、玻璃纤维、碳纤维、混杂纤维等。

抗拉、抗剪、抗折强度高；抗裂、抗冲击、抗震、抗暴性能好。钢纤维混凝土应用于：飞机场跑道、地下人防工程、地下泵房、水工结构、桥隧工程等。新型混凝土结构形式高性能混凝土结构：C50以上的混凝土

高强度、高耐久性、高流动性、高抗渗性适用于大跨、重载、高耸结构和恶劣环境中的结构塑性小、脆性大，有抗震设防要求的结构中混凝土强度等级不易>C60工程纤维增强水泥基复合材料（ECC）:EngineeredCementitious[si:mentiʃəs](胶结的；似水泥的）Composites['kɔmpəzitiz]（复合材料）

与纤维混凝土生产工艺类似，但不使用粗骨料，采用高性能纤维增强水泥砂浆研制，纤维体积分数不超过2%。有类似于金属材料的拉伸强化现象，极限拉伸应变可达5%-6%；与钢材的塑性能力相近，是具有像金属一样的变形能力的混凝土材料；抗压强度类似于混凝土，强度比较高；抗压弹性模量较低，但受压变形能力远高于普通混凝土；耐火性和耐久性高于普通混凝土。活性粉末混凝土（RPC）：ReactivePowderConcrete

由骨料（级配好的石英砂）、水泥、硅粉、高效减水剂以及一定量的纤维（如钢纤维）等组成的超高性能混凝土。超高强度、超高韧性、高耐久性密度大、空隙率低、抗渗能力强、耐久性高、流动性好、变形小。钢与混凝土组合结构

（SRC）:SteelReinforcedConcrete

由型钢或焊（或冷压）成钢截面，再将其埋入混凝土中，使混凝土与型钢形成整体，共同受力，称为钢与混凝土组合结构。压型钢板与混凝土组合楼板钢与混凝土组合楼梁型钢混凝土结构钢管混凝土结构外包钢混凝土结构

优点：抗震性能好、施工方便

应用：美国太平洋第一中心大厦（44层）、双联广场大厦（58层）核心筒大直径柱子钢管混凝土结构北京地铁车站柱、上海金茂大厦外围柱、上海浦东环球金融中心大厦外框筒柱型钢混凝土柱。钢筋的发展方向

高强、延性好、粘结锚固性好普通混凝土中的钢筋强度已达：435N/mm2

中等跨度的预应力构件中螺旋肋钢丝强度已达：800-1370N/mm2

大跨度预应力构件中高强钢丝和钢绞线强度已达：1570-1860N/mm2FRP筋的应用

用FRP（Fiberglass-RainforcedPlastics玻璃钢或者玻璃纤维增强塑料

）筋代替钢筋2.材料方面的发展二、混凝土结构的发展

PPPP预应力混凝土结构的应用3.结构方面的发展

在混凝土的受拉区施加预应力，以提高混凝土结构的抗裂度，减轻构件的自重。先张法、后张法、无粘结预应力、体外张拉等技术应用。结构体系的丰富

不同用途、不同结构功能具有相应的结构体系：混凝土结构、钢与混凝土的组合结构、FRP混凝土及预应力混凝土结构等。1888年，德国工程师道伦提出；1928年法国工程师弗耐西涅在工程实践中成功实现。二、混凝土结构的发展

预应力混凝土的发明大大增加了混凝土结构的跨度滑模施工法加快了特种结构的施工进度泵送混凝土是高层建筑、大跨桥梁得以整体浇注蒸汽养护法加快了预制构件的出厂时间喷射混凝土、碾压混凝土应用于公路、水利工程中4.施工技术的发展二、混凝土结构的发展

容许应力法按破损阶段的设计方法半经验、半概率的极限状态设计方法以概率论为基础的极限状态设计方法5.混凝土结构计算理论的发展解放初期：《建筑物结构设计暂行标准》1955年：《钢筋混凝土结构设计暂行规范》（结规6-55）1966年：《钢筋混凝土结构设计规范》（GBJ21-66）1974年：《钢筋混凝土结构设计规范》（TJ10-74）1984年：《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）1990年：《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）1997年：《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002），增加了耐久性、环境分级、材料性能、混凝土内力及应力分析等。2010年：《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）混凝土结构设计规范的发展三、混凝土结构的工程应用高楼大厦已成了中国城市现代化的代名词，我国超过100m高的高层建筑中绝大多数是混凝土结构或混凝土和钢的组合结构。1.房屋工程混凝土组合柱组合楼板钢柱组合梁组合桁架钢筋混凝土筒体上海金茂大厦（420m，88层）上海环球金融中心（492m，地上101层）芝加哥西尔斯大厦（443m）吉隆坡双子塔（452m）三、混凝土结构的工程应用世界高楼排名：排名楼名楼高（m）楼层数所在城市建成时间用途1哈利法塔828.00163迪拜(阿联酋)2010写字楼酒店住宅2皇家中塔酒店601.0095麦加(沙特阿拉伯)2011酒店3台北101大厦509.00101台北(中国)2004写字楼酒店商业4环球金融中心492.00101上海(中国)2008写字楼酒店商业5环球贸易广场484.00108香港(中国)2010写字楼酒店6双子塔1座451.9088吉隆坡(马来西亚)1998写字楼7双子塔2座451.9088吉隆坡(马来西亚)1998写字楼8绿地广场紫峰大厦450.0088南京(中国)2009写字楼酒店商业9威利斯大楼442.14108芝加哥(美国)1974写字楼10京基金融中心441.80100深圳(中国)2011写字楼酒店商业11国际金融中心441.75103广州(中国)2010写字楼酒店12特朗普国际酒店大厦423.2298芝加哥(美国)2009酒店住宅13金茂大厦420.5388上海(中国)1999写字楼酒店商业14国际金融中心二期412.0088香港(中国)2003写字楼15中信广场391.1080广州(中国)1997写字楼16地王大厦383.9569深圳(中国)1996写字楼17帝国大厦381.00102纽约(美国)1931写字楼18高雄85大楼378.0085高雄(中国)1997写字楼酒店商业19中环广场373.9078香港(中国)1992写字楼20中国银行大厦367.4070香港(中国)1989写字楼三、混凝土结构的应用2.交通工程:隧道、桥梁、公路立交等卢家大山1号隧道胶州湾跨海大桥城市公路立交厦门集美跨海大桥，主跨46m重庆朝天门大桥，主跨552m，世界“第一拱桥”

钢桁架拱克罗地亚克尔克1号桥，跨度达390m，拱桥世界上最长的跨海大桥：杭州湾大桥双向6车道，全长36公里

会喷泉的大桥韩国首尔的半坡大桥在桥身两侧安装了10000个喷泉口，每秒喷出数万吨水流。米卢大桥(法国)：世界最高的运输大桥,建在法国南部的小湖山谷上空342m(1125英尺)处。这座大桥比埃菲尔铁塔还要高，2004年正式通车。哈德森波纹(新加坡)：最动感人行天桥，高36m，长300m，波纹状的设计给人一种视觉上的冲击。奥利维尔大桥(巴西)：世界首座X型双道索桥，横跨巴西圣保罗皮涅鲁斯河，2008年5月通车。桥高138m，它的独特之处在于两条交差(呈现为X型)桥身和一座X型的支撑吊塔。千年桥(英国)：世界最有名塔桥风雨桥(中国)：侗族特有的建筑

马格德堡桥(德国)：可以行船的水桥，德国马德堡附近的易北河上，于2003年10月完工的一座918m长的大水桥，船只在桥上可以自由的航行。它是欧洲目前最长的水道桥工程，将东部的“米特兰德运河”与西部的“易北-哈威尔运河”跨越易北河连接了起来。上海莘庄大型立交工程一桥飞架南北，天堑变通途3.水利工程瑞士大狄克桑坝，高285m世界最高的混凝土重力坝我国湖北宜昌的三峡大坝高186m三、混凝土结构的应用核电站的安全壳、热电厂的冷却塔、储水池、储气灌、海洋石油平台、电视塔等4.特种工程四、本课程的特点和学习方法课程性质：1.《钢筋混凝土结构》是土木工程专业最重要的一门专业课；2.是一门关键的学位课程