混凝土结构设计原理第一章

土木工程结构

江苏大学土木工程与力学学院刘洋1.混凝土结构基本原理本课程主要学习内容2.混凝土结构基本设计钢筋混凝土材料的力学性能混凝土结构基本设计原则基本构件承载力及变形计算梁板结构单层工业厂房多高层混凝土结构参考书目[1]混凝土结构设计规范GB50010—2010；[2]顾祥林编.混凝土结构基本原理（第2版）.同济大学出版社.第一章绪论学习目标▲掌握混凝土结构的一般概念及特点；▲了解混凝土结构的发展与应用概况；▲了解本课程的主要内容、要求和学习方法。本章主要内容▲混凝土结构的一般概念和特点▲混凝土结构的发展简况及其应用▲课程的主要内容、特点及学习方法以混凝土材料为主，并根据需要配置钢筋、钢骨、钢管或纤维等形成的主要承重结构，均可称为混凝土结构。1.1.1混凝土结构的概念和特点素混凝土PlainConcrete纤维增强混凝土FiberReinforcedConcrete钢骨混凝土SteelReinforcedConcrete钢筋混凝土ReinforcedConcrete钢管混凝土ConcreteFilledSteelTube预应力混凝土PrestressedConcrete钢－混凝土组合结构CompositeStructure第一章绪论1.1混凝土结构一般概念和特点素混凝土结构（PlainConcrete)第一章绪论1.1混凝土结构一般概念和特点钢筋混凝土结构（ReinforcedConcrete)1、混凝土的主要力学性能（1）抗压强度较高，而抗拉强度却很低

(只有抗压强度的1/8-1/20)。（2）破坏时具有明显的脆性性质。第一章绪论1.1混凝土结构一般概念和特点1.1.2、配筋的作用与要求一、为什么想将钢筋与混凝土组合起来使用？

主要由两者的力学性能和经济性决定的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，破坏表现为脆性断裂，无明显预兆。第一章绪论1.1混凝土结构一般概念和特点

（1）抗拉和抗压强度都很高。

（2）延性好：多数钢材具有屈服现象，破坏时表现出较好的延性。

（3）易于压曲失稳：细长的钢筋受压时极易压曲，仅能作为受拉构件。

（4）耐久性和耐火性差。因此，将混凝土和钢材这两种材料有机地结合在一起，可以取长补短，充分利用材料的性能第一章绪论1.1混凝土结构一般概念和特点3、钢材的主要性能Pcr=9.7kNfc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2fy=335N/mm2ftsc=f钢筋混凝土梁的受力性能Pu

≈

52.5kNsc=ftft

sssc2f16

fy配置钢筋后：▲

RC梁的承载力（52.5kN)比素混凝土梁（9.7kN)大大提高，▲钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度均得到充分利用，▲破坏过程有明显预兆。Py

≈

50.0kN第一章绪论

fc将混凝土和钢筋这两种材料有机地结合在一起，可以取长补短，充分发挥各自的材料性能。除在构件的受拉区配置钢筋外在构件的受压区也可配置钢筋，来协助混凝土承受压力。当构件所受压力很大时，可直接配置钢骨混凝土核心混凝土三向受压可利用箍筋约束混凝土来提高混凝土的抗压强度，甚至直接采用钢管来约束混凝土钢管混凝土

ConcretefilledSteelTube配置预应力筋，形成预应力混凝土构件或结构张拉钢筋砼成型及养护（1）钢筋和混凝土之间存在良好的粘结力；保证在荷载作用下两种材料协调变形，共同受力；（2）钢材与混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数

（钢材为1.2×10-5/oC，混凝土为1.0~1.5×10-5/oC

）；保证温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏。（3）混凝土的碱性环境.呈碱性的混凝土可以保护钢筋，使钢筋混凝土结构具有较好的耐久性.第一章绪论二、钢筋与混凝土共同工作的条件一、优点（1）就地取材（2）合理用材、经济性好（3）耐久性和耐火性好、维护费用低（4）可模性好（5）整体性好，且通过合适的配筋，可获得较好的延性：适用于抗震、抗爆结构等；第一章绪论1.1.3混凝土结构的优缺点第一章绪论1.1混凝土结构一般概念和特点⑴自重大不适用于大跨、高层结构。

轻质、高强和预应力。⑵抗裂性差

普通RC结构，在正常使用阶段往往带裂缝工作。

预应力混凝土。第一章绪论1.1混凝土结构一般概念和特点二、缺点⑶承载力较低

往往导致受力构件的截面尺寸较大。第一章绪论1.1混凝土结构一般概念和特点⑸施工复杂，工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护），工期长，施工受季节、天气的影响较大。⑷混凝土结构一旦破坏，其修复、加固、补强比较困难。▲

1824年英国人阿斯普丁(J.Aspdin)发明硅酸盐水泥。▲

1849年法国人朗波(L.Lambot)制造了第一只钢筋混凝土小船。▲

1872年在纽约建造第一所钢筋混凝土房屋。第一章绪论1.2

混凝土结构的发展简况▲

混凝土结构的开始应用于土木工程距今仅150多年。▲

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，目前混凝土结构已成为土木工程中最主要的结构。第一阶段：从钢筋混凝土发明到20世纪初。材料：钢筋和混凝土的强度都比较低（<C20）。计算理论：容许应力设计方法。应用：主要用于建造中小型楼板、梁、柱、拱和基础等构件。第一章绪论1.2混凝土结构的发展简况及其应用混凝土结构发展的三个阶段第一章绪论材料：混凝土、钢筋强度不断提高。计算理论：破损阶段设计法极限状态设计法（定值法）。第二阶段：从上世纪20年代到第二次世界大战前后应用：已应用于简单的结构中，特别是1928年法国土木工程师弗雷西奈（E.Freyssnet）发明了

预应力混凝土，使得混凝土结构可以用来建造大跨度结构。第一章绪论材料：强度继续提高。尤其是高强、高性能混凝土和高强钢筋的发展，泵送商品混凝土技术的发展等。目前国内常用的砼强度等级为C25~C45。第三阶段：二战以后到现在设计计算理论：以概率理论为基础的极限状态设计法。计算机技术推进了设计理论的发展。应用：建造了一大批超高层建筑、大跨度桥梁、特长跨海隧道、高耸结构等大型工程。第一章绪论台北101101层,508m金茂大厦88层,421m房屋工程迪拜大厦高约900米

第一章绪论第一章绪论1.2混凝土结构的发展简况及其应用交通工程第一章绪论1.2混凝土结构的发展简况及其应用重庆市万县长江大桥第一章绪论1.2混凝土结构的发展简况及其应用上海莘庄大型立交工程该工程由15条线路，6条主线、20个定向道构成；占地面积45.8公顷，整个立交桥梁结构长度11.1公里、面积8.4万m2。特种工程核电站的安全壳、热电厂的冷却塔、储水池、储气灌、海洋石油平台、电视塔等.第一章绪论水利及其它工程高181米，坝底宽121米，坝长2309米，是我国最大的混凝土大坝。三峡大坝第一章绪论自重大抗裂性差

承载力较低

施工较复杂

修复、加固难混凝土结构的发展取决于混凝土材料的发展轻质混凝土纤维混凝土高性能混凝土自密实混凝土碳纤维加固高性能、高功能和智能化是21世纪混凝土科技的主要发展趋势轻集（骨）料混凝土主要为解决混凝土自重大的缺陷，采用浮石、陶粒、膨胀珍珠岩等轻骨料或工业废渣为原料，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高层建筑为美国的休斯敦贝壳广场大厦，共52层，高215米。高性能混凝土包括高强度、高耐久性和高工作性三个要素林立岩设计大师与沈阳北方建筑材料试验有限责任公司成功地在沈阳皇朝万鑫大厦工程中应用了C100级高性能泵送混凝土。序号工程名称建筑面积(万m2)应用部位(层)混凝土供应方施工年月强度平均值(MPa)1远吉大厦2.4-2～+5华兴2003.4116.32贵和大厦2.11～3泰丰2004.3114.53皇朝万鑫大厦20-2～+8汉拿2005.4～7119.15宏发国际名城10.5-2～+12华兴2005.9116.9活性粉末混凝土ReactivePowderConcrete,RPC

抗压强度可达200MPa、500MPa和800MPa

采用粒径小于1mm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掺入细而短的钢纤维，抗折强度可达50MPa。法国Bouygues公司1993年研究成功1/31/2023361994加拿大魁北克省70米跨的Sherbrooke

人行混凝土桁架桥上首次应用RPC混凝土，全部构件在现场组装。提高结构的耐久性刻不容缓宁波北仑港码头混凝土梁（建成后11年）1998年美国土木工程学会报告，美国现有29%以上桥梁和1/3以上的道路老化，有2100座水坝不安全，估计需有1.3万亿美元改善其安全状态。美国每年基础设施修复费用约为这些设施总资产的10％！发达国家土建设施耐久性问题造成的年损失，约占GDP的1.5~2%，其中主要是混凝土结构的耐久性破坏。我国也将面临着混凝土结构的大范围维修自密实混凝土混凝土拌合物具有良好的工作性，即使在密集配筋条件下，仅依靠混凝土自重作用，无需振捣便能均匀密实成型的高性能混凝土。自密实混凝土在深圳市赛格广场钢管混凝土柱中的应用碳纤维（CarbonFiber）抗拉强度是普通钢筋的10倍左右，而且具有很好的耐久性，目前主要用于结构的加固工程。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已达到65％，2000年则高达96％，欧盟也计划在2010年实现建筑垃圾再循环率达到90％以上。再生混凝土智能混凝土绿化混凝土受弯构件受压构件受扭构件受拉构件受弯构件受压构件1.3课程的主要内容、特点与学习方法一、课程的主要内容第一章绪论研究四种构件在两种极限状态下的受力性能、设计计算方法及构造措施。四种基本构件承载能力极限状态（安全性）正常使用极限状态（适用性、耐久性）S≤R课程的内容框架二、课程的内容框架第一章绪论设计方法材性第一章绪论三、课程的特点1、实验性、理论性和实践性很强。2、突出特点是以实验研究为基础，提出假定、进行简化、建立实用的设计计算方法和公式，用于解决工程实际问题。3、内容存在“七多”，即概念多、公式多、系数多、符号多、构造规定多、教学环节多，文字叙述多。

问题的复杂性问题的综合性基本理论工程应用受力性能理论分析构件设计结构设计问题不是单一的解答是不唯一的材料的力学性能两种材料的配比两种材料的共同工作第一章绪论第一章绪论四、学习方法由钢筋和混凝土两种力学性能不同且复杂的材料组成，所以钢筋混凝土的力学性能十分复杂。因此，其受力性能、设计计算方法及配筋构造不可能用力学方法推出，必须建立在实验研究的基础上。1.3课程的主要内容、特点和学习方法1、钢筋混凝土结构是一门实验性很强的学科第一章绪论1.3课程的主要内容、特点和学习方法设计过程包括结构选型、构件布置、内力分析、配筋计算、配筋构造、绘制施工图等。设计中许多数据可能有多种选择，因此设计结果不是唯一的。最终的设计结果应是安全适用和经济合理的。2、构件和结构设计是一个综合性问题第一章绪论（1）设计规范的作用：设计规范是具有约束性和立法性的文件，其目的是使工程结构设计既安全适用又经济合理。（2）国内的五本砼结构设计规范：建工GB50010-2010、公路JTGD62-2004、水工SL/T191-96、港工JTJ267-98、铁路TB10002.3-）。3、本课程的学习应与设计规范相结合（3）本课程学习的重点：本课程以基本理论为主，并结合主要用于建筑结构的《混凝土结构设计规范GB50010-2010》第一章绪论一方面设计应遵循规范，另一方面只有深刻地理解规范，才能发挥设计者的主动性和创造性。本学科还在不断地发展和更新，因此设计工作也不应被规范束缚，在经