工程结构(第一章绪论)

1、主讲：顾向阳 联系E-mail: ,工程结构,第一章 混凝土结构绪论,一、课程简介 1、课程性质：本课程是一门专业基础课，课程的目的是通过本课程的学习，学生能够掌握工程结构的基本理论和实用设计方法，具备根据建筑工程项目的特点、性质、功能和业主的要求，正确、合理地进行工程结构设计的基本能力。 2、课程的教学目标： 通过课程的学习，使学生掌握混凝土结构及砌体结构的基本概念、基本理论和基本技能,对钢结构有一个初步的了解。 （1）进行一般工业与民用建筑结构的设计能力 （2）分析和处理施工及使用中出现的一般结构问题的能力 （3）为今后继续学习、适应科学技术发展奠定理论基础,3、

2、学习方法 （1）学会使用相应的结构规范 （2）通过一定量的练习，熟悉结构原理，相应的规范应用 （3）参观施工中的各种结构类型，结构布置和施工方法，走访有经验的工程设计人员。 （4）参考资料： 工程结构同济大学出版社，2005 混凝土结构基本原理高等教育出版社，2005 混凝土结构中国建筑工业出版社，2008 工程结构设计原理东南大学出版社，2008,4、考勤与考核 考核分平时作业、考勤，这一部分占最终考核成绩的30%，考试部分占70%。平时作业、考勤每缺一次扣最终成绩3分，以30分为限。,考核成绩,平时成绩30分，包括作业与考勤，期中考试,期末考试：70分,二、结构的组成与分类 1、工程结构：

3、由若干单元按一定的规则，通过合理的连接方式所组成的能够承受并传递荷载和其他间接作用的骨架。其中的单元就是工程结构中的构件。 2、基本构件 板：弯矩，剪力 梁：弯矩，剪力，扭矩 柱：弯矩，剪力，扭矩，压力 墙：弯矩，剪力，压力 杆：压力，拉力 拱：压力 索：拉力 基础：压力,基本构件,3、分类,（1）按结构所采用的材料,混凝土结构 钢结构 砌体结构 木结构,素砼结构 钢筋砼结构 预应力砼结构 纤维砼结构 其他加筋砼结构,砖石砌体结构,砌块砌体结构,混合结构体系：砖混结构，钢-混凝土结合构件如组合梁、组合柱。,（2）按结构的受力体系,框架结构、剪力墙结构、筒体结构, 塔式结构、桅式结构、悬索结构、

4、 悬吊结构、壳体结构、网架结构、 板柱结构、墙板结构、折板结构、 充气结构、膜结构等,（3）按使用功能,建筑结构,住宅、 公共建筑、 工业建筑,特种结构,烟囱 水池 水塔 筒仓 贮藏罐 挡土墙等,桥梁结构,公路铁路桥 立交桥 人行天桥等;,地下结构,隧道、涵洞、 人防工事、 地下建筑,（4）按照建筑物外形特点,单层结构 多层结构 高层结构 大跨结构 高耸结构,（5）按照结构的施工方法,现浇结构 预制装配结构 预制与现浇相结合的装配整体式结构。,主要以混凝土材料，并根据需要配置钢筋、预应力筋、钢骨、钢管等，作为主要承重材料的结构，均可称为混凝土结构(Concrete Structure)。,1

5、混凝土结构的一般概念和特点,素混凝土结构,钢筋混凝土结构,预应力混凝土结构,钢骨混凝土结构,钢管混凝土结构,FRP筋混凝土,钢 -混凝土混合结构,纤维混凝土,三、混凝土结构,素混凝土结构（Plain Concrete),Foundation,Masonry wall,钢筋混凝土结构（Reinforced Concrete Structure),Reinforcement,Stirrup,Support,预应力混凝土结构（Pre-stressed Concrete Structure),Pre-stress rebar,Concrete,Hollow tube,Pre-stressed conc

6、rete hollow floor,钢骨混凝土结构（Steel Reinforced Concrete) (Encased Concrete),Steel,Reinforcement,Stirrup,Steel reinforced Concrete column,钢管混凝土结构（Concrete Filled Tube),Steel tube,Concrete,Concrete filled tube column,钢-混凝土组合（混合）结构 (Composite Structure or Hybrid Structure),FRP混凝土（Fiber Reinforced Polymer(P

7、lastic) Concrete ),（2）共同工作的基础 钢筋和混凝土之间存在较好的传递应力的能力,在荷载作用下,不产生相对滑移,保证两种材料协调变形、共同受力。 钢筋和混凝土两种材料的温度线膨胀系数相近,钢材为 ,混凝土为 。当温度变化时,两者不会产生过大的不协调变形而导致破坏。 混凝土对钢筋起良好的保护作用,结构的抗火能力和耐久性大大提高。,1.2 105,1.0 1.5 105,试验结果表明： （1）当荷载较小时，截面上的应变则同弹性材料的梁一样，沿截面高度呈直线分布； （2）当荷载增大使截面受拉区边缘纤维拉应变达到混凝土抗拉极限应变时该处的混凝土被拉裂，裂缝沿截面高度方向迅速开展，试

8、件随即发生断裂破坏。 （3）破坏的性质：破坏是突然的，没有明显的预兆，属于脆性破坏。 尽管混凝土的抗压强度比其抗拉强度高几倍或十几倍，但得不到充分利用，因为该试件的破坏是由混凝土的抗拉强度控制，破坏荷载值很小，只有 8 kN左右。,钢筋混凝土梁的破坏试验： 在梁的受拉区布置三根直径为16 mm的HPB235级钢筋(记作316)并在受压区在布置两根为 10 mm的架力钢筋和适量的箍筋。 再进行同样的荷载试验 。 当加载到一定阶段使截面受拉区边缘纤维拉应力达到混凝土抗拉极限强度时，混凝土虽被拉裂，但裂缝不会沿截面的高度迅速开展，试件也不会随即发生断裂破坏。 混凝土开裂后，裂缝截面的混凝土拉应力由纵

9、向受拉钢筋来承受，故荷载还可进一步增加。此时变形将相应发展，裂缝的数量和宽度也将增大。,受拉钢筋抗拉强度和受压区混凝土抗压强度都被充分利用时，试件才发生破坏。 破坏性质：试件破坏前，变形和裂缝都发展得很充分，呈现出明显的破坏预兆，属于塑性破坏。 2、钢筋混凝土结构的特点 优点： （1）耐久性好。 (2)耐火性好 (3)可模性好。 (4)整体性好。 （5）就地取材。,缺点： 自重大。钢筋混凝土的重度约为25kN/m3，比砌体和木材的重度都大。尽管比钢材的重度小，但结构的截面尺寸比钢结构的大，因而其自重远远超过相同跨度或高度的钢结构。 抗裂性较差。如前所述，混凝土的抗拉强度非常低，因此，普通钢筋混

10、凝土结构经常带裂缝工作。尽管裂缝的存在并不一定意味着结构发生破坏，但是它影响结构的耐久性和美观。当裂缝数量较多和开展较宽时，还将给人造成不安全感。 施工的周期较长，受天气的影响较大，需要较多的脚手架、模板。 损坏补强维修较难。,四、混凝土结构的发展状况 1、混凝土早期的发展 1824年英国约瑟夫阿斯匹丁发明了波特兰水泥并取得了专利。 1850年，法国蓝波特（L.Lambot）制成了铁丝网水泥砂浆的小船。 1861年法国约瑟夫莫尼埃（Joseph Momier）获得了制造钢筋混凝土板、管道和拱桥等的专利。 德国学者1866年发表了计算理论和计算方法，1887年又发表了试验结果，并提出了钢筋应配置

11、在受拉区的概念和板的计算方法。在此之后，钢筋混凝土的推广应用才有了较快的发展。 1891年1894年，欧洲各国的研究者发表了一些理论和试验研究结果。但是在18501900年的整整50年内，由于工程师们将钢筋混凝土的施工和设计方法视为商业机密，因此总的来说公开发表的研究成果不多。,美国学者1850年进行过钢筋混凝土梁的试验，但其研究成果直到年才1877发表并为人所知。19世纪70年代有学者曾使用过某些形式的钢筋混凝土，并且于1884年第一次使用变形（扭转）钢筋并形成专利。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。 从

12、20世纪30年代开始，从材料性能的改善，结构形式的多样化，施工方法的革新，计算理论和设计方法的完善等多方面开展了大量的研究工作，工程应用十分普遍，使钢筋混凝土结构进入了现代化阶段。,2、混凝土结构发展的几个阶段 混凝土结构的发展,大体上可以分为三个阶段: （1）第一阶段是从钢筋混凝土发明至20世纪初。这一阶段 ，所采用的钢筋和混凝土的强度都比较低， 主要用来建造中小型楼板、梁、 拱和基础等构件。计算理论套用弹性理论，设计方法采用容许应力法。 （2）第二阶段是从20世纪初到第二次世界大战前后。这一阶段钢筋和混凝土的强度有所提高， 预应力混凝土结构的发明和应用,使钢筋混凝土被用来建造大跨度的空间结

13、构。混凝土结构的试验研究开始进行,在计算理论上已开始考虑材料的塑性，已开始按破损阶段计算结构的破坏承载力。,（3）第三阶段是从第二次世界大战以后到现在。这一阶段的特点是随着高强钢筋和高强混凝土的出现， 预制装配式混凝土结构、高效预应力混凝土结构、泵送商品混凝土以及各种新的施工技术等广泛地应用于各种土木工程,如超高层建筑、大跨度桥梁、跨海隧道、高耸结构等。在计算理论上已过度到充分考虑混凝土和钢筋塑性的极限状态设计理论，在设计方法上已过度到以概率论为基础的多系数表达的设计公式。,3、混凝土结构用材料的发展高强轻质 （1)混凝土材料强度大幅提高 在20世纪30年代混凝土平均强度约为10MPa，到20

14、世纪50年代初已提高到20 MPa，20世纪60年代约为30 MPa，20世纪70年代初已提高到40 MPa。到20世纪80年代初，在发达国家C60级混凝土已经普遍采用。 近年来国内外采用附加减水剂的方法已制成强度为200 MPa以上的混凝土。 高强混凝土的出现更加扩大了混凝土结构的应用范围，为钢筋混凝土的防护工程、压力容器、海洋工程等领域的应用创造了条件。 （2）轻质混凝土的研究与应用 从20世纪60年代以来，轻骨料（陶粒、浮石等）混凝土和多孔（主要是加气）混凝土得到迅速发展，其重度为1418KN/m3。,4、预应力混凝土结构的发展 1928年法国工程师弗耐西涅成功地将高强钢丝用于预应力混凝

15、土，使预应力混凝土的概念得以在工程实践中成为现实。 预应力混凝土的概念在19世纪80年代已提出，但是当时因钢筋强度偏低及对预应力损失缺乏深入研究，使预应力混凝土未能成功地实现。预应力混凝土的广泛应用是在1938年弗耐西涅发明锥形楔式锚具（弗式锚具）和1940年比利时的门格尔发明门格尔体系之后。预应力混凝土结构的抗裂性得到根本的改善，使高强钢筋能够在混凝土结构中和到有效的利用，使混凝土结构能够用于大跨结构、压力贮罐、核电站容器等领域中。,5、在结构形式方面的发展 （1）钢筋混凝土在高层建筑中的应用 高强混凝土的发展，促进了混凝土结构在超高层建筑中的应用。1976年建成的美国芝加哥水塔广场大厦达7

16、4层，高262米。朝鲜平壤的柳京大厦，105层，高305米，也是混凝土结构。美国、俄罗斯等国在启层建筑中采用的混凝土，强度已达C80C100。美国西雅图市的Two Union Square大厦（58层）60%的竖向荷载由中央四根直径为10英尺（3.05m）的钢管混凝土柱承受，钢管内填充的混凝土强度等级达C135,马来西亚吉隆波的双塔大厦,是型钢混凝土结构,高450米。国内的上海金茂大厦,高382m,主体为钢筋混凝土结构.广州的中天广场,高322m。世界上最大的水利工程长江三峡，坝高186m，混凝土用量达1527m3。 （ 2）钢筋混凝土结构在桥梁，特种结构、水利工程、海洋工程、港口码头工程等各

17、个领域内的发展,1875年法国莫尼埃曾主持修建过一座长达16m的钢筋混凝土桥，1983年巴西建成主跨为440m的预应力混凝土斜拉桥，1997年我国在四川万县建成主跨420m的混凝土拱桥等。在这些方面所取得的瞩目成就这里不再一一不列举了。 从1925年德国第一次采用折板结构大型煤仓开始，薄壁空间结构逐渐在屋盖及贮仓水塔、水池等构建物中得到广泛应用。,6、在计算理论与设计方法方面的发展 20世纪30年代以前，将钢筋混凝土视为理想弹性材料，按材料力学的允许应力法进行设计计算。但从20世纪初即开始了对钢筋混凝土构件考虑材料塑性性能的研究。前苏联在1938年颁布了世界上第一本按破损阶段设计钢筋混凝土构件

18、的规范，标志着钢筋混凝土构件承载力计算的实用方法进入了一个新的发展阶段。20世纪30年代以后，在钢筋混凝土超静定结构中考虑塑性内力重分布的计算理论也取和了很大进展，从20世纪50年代开始，已在双向板、连续梁及框架的设计中得到了应用。,20世纪60年代以来，随着电子计算机的普及与计算力学的发展，将有限元法用于钢筋混凝土的理论研究与设计计算，大大促进了钢筋混凝土理论及设计方法的发展。 在结构的安全度及可靠度设计方法方面，20世纪50年代以前，基本上处于经验性的允许应力法的阶段。20世纪5060年代，世界各国逐步半经验半概率的极限状态设计法。20世纪70年代以来，以概率论数理论统计学为基础的结构可靠

19、度理论有了很大的发展，使结构可靠度的近似概率法进入了工程设计中。,五、课程特点及学习应注意的事项： 1混凝土结构通常是由钢筋和混凝土结合而成的一种结构。 钢筋混凝土材料与理论力学中的刚性材料以及材料力学、钢结构力学中理想弹性材料或理想弹塑材料有很大的区别。为了对混凝土结构的受力性能与破坏特征有较好的了解，首先要求对钢筋混凝土的力学性能要很好地掌握。,2混凝土结构计算公式具有经验性： 混凝土结构在裂缝出现以前的抗力行为，与理想弹性结构相近。但是在裂缝出现以后，与理想弹性材料有显著不同。 混凝土结构的受力性能还与结构的受力状态、配筋方式和配筋数量等多种因素有关，暂时还难以用一中简单的数学、力学模型来描述。 因此，目前主要以混凝土结构构件的试验与工程实践经验为基础进行分析，许多计算公式都带有经验性质。它们虽然不那样严谨，然而却能够较好地反映结构的真实受力性能。,3明白分析公式与设计公式之间区别，了解和掌握我国当前有关混凝土结构设计的技术和经济政策