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1、结构设计原理,王文炜东南大学交通学院桥梁工程系2008年9月,第一章 绪论Introduction,教材：结构设计原理第二版，叶见曙主编，人民交通出版社，2005年参考书目：混凝土结构-第2版，叶列平，赵作周主编，清华大学出版社，2005公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTGD62-2004混凝土结构设计规范GBJ50010-2002Prestressed Concrete，Edward G.Nawy著，李英民缩编，重庆大学出版社，2007,主要内容：总论、钢筋混凝土结构的基本概念及材料物理力学性能，4学时结构按极限状态法设计计算原则，2学时受弯构件正截面承载力计算，18学时受弯构件斜
2、截面承载力计算，10学时受压构件正截面承载力计算，14学时钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形，4学时局部承压，2学时预应力混凝土结构的基本概念，4学时预应力混凝土受弯构件的设计与计算，14学时部分预应力混凝土受弯构件，4学时,本课程的教学目的：学会解决工程中的问题：尤其是工程综合问题学会分析工程中的问题：学会工程结构设计方法：学会发现工程中的问题：创新和发展学会研究工程中的问题：理论研究Inquiry：put forward your own opinionStudy:solve the problem by yourselfConclusion:that not exist before,
3、本课程的指导思想：注重建立工程概念注重培养综合能力注重提炼科学知识注重激发创新意识从理论转向实际，从简单转向综合理论分析与工程概念相结合科学方法与工程创新相结合培养土木工程师的基本素质,如何学好本课程,目的Aims,概念Concept,模型Model,综合Synthetic,问题Problems,理解Understanding,分析Analysis,应用Applications,结构设计原理主要讨论土木基础设施工程中各种工程结构的基本构件受力性能、计算方法和构造设计原理包括：混凝土结构（Concrete Structures）钢结构（Steel Structures）圬工结构（Masonry
4、Structures）木结构（Timber Structures）学习和掌握桥梁工程和其它道路人工构造物设计的基础,0.1 各种工程结构的特点及使用范围,1.混凝土结构（Concrete Structures）主要以混凝土材料，并配以钢筋、预应力钢筋、钢管、钢骨等，作为主要承重材料的结构。素混凝土结构 钢骨混凝土结构钢筋混凝土结构 FRP-混凝土结构预应力混凝土结构 纤维混凝土结构钢管混凝土结构 钢-混凝土结构,素混凝土结构（Plain Concrete Structures）,以普通混凝土材料制作的结构。主要用于承受压力而不承受拉力的结构，如重力堤坝、支墩、基础、挡土墙、地坪、水泥混凝土路面
5、、飞机场跑道及砌块等。,返回,钢筋混凝土结构（Reinforced Concrete Structures）,钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料组成的。钢筋是一种抗拉性能很好的材料；混凝土具有较高的抗压强度。钢筋混凝土结构结构广泛应用于房屋建筑、地下结构、桥梁、隧道、水利、港口工程中。,返回,预应力混凝土结构（Prestressed Concrete Structures）,预应力混凝土结构是为解决钢筋混凝土结构在使用阶段容易开裂问题而发展起来的结构。由高强度钢筋和高强度混凝土两种材料组成的。预应力混凝土结构应用于房屋建筑、地下结构、桥梁、隧道、水利、港口工程中。,返回,钢管混凝土（Con
6、crete Filled Steel Tube）,钢管混凝土（Concrete Filled Steel Tube）,参考书目：钢管混凝土结构：理论与实践第2版，韩林海著，科学出版社，2007钢管混凝土结构的计算与应用，蔡绍怀编著，中国建筑工业出版社，1989,返回,钢骨混凝土（Steel Reinforced Concrete）（Encased Concrete）,返回,FRP-混凝土（Fiber Reinforced Polymer Concrete）,FRP-混凝土（Fiber Reinforced Polymer Concrete）,FRP-混凝土（Fiber Reinforced P
7、olymer Concrete）,CFRP壳-混凝土主梁,混凝土桥面板,FRP-混凝土（Fiber Reinforced Polymer Concrete）参考书目,FRP加固混凝土结构技术及应用，王文炜编著，中国建筑工业出版社，2007FRP加固混凝土结构，腾锦光著，中国建筑工业出版社，2005,返回,钢-混凝土组合板,钢-混凝土组合梁,钢-混凝土组合（混合）结构（Steel Concrete Composite（Hybrid）Structures）,钢-混凝土组合（混合）结构（Steel Concrete Composite（Hybrid）Structures）,返回,纤维混凝土（Fibe
8、r Concrete）,返回,0.1 各种工程结构的特点及使用范围,1.混凝土结构（Concrete Structures）主要以混凝土材料，并配以钢筋、预应力钢筋、钢管、钢骨等，作为主要承重材料的结构。素混凝土结构 钢骨混凝土结构钢筋混凝土结构 FRP-混凝土结构预应力混凝土结构 纤维混凝土结构钢管混凝土结构 钢-混凝土结构,混凝土结构的发展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混凝土结构开始应用于土木工程距今仅150多年与砖石结构、木结构相比，混凝土结构的历史并不长
9、，但发展非常迅速，目前混凝土结构已经成为土木工程中最主要的结构，而且高性能混凝土和新型混凝土结构还在不断发展。,混凝土结构的优点材料利用合理耐久性和耐火性好，维护费用低可模性好成本低,0.1 各种工程结构的特点及使用范围,混凝土结构的缺点自重大抗裂性差混凝土一旦破坏，其修复、加固、补强比较困难施工复杂，工序多,讨论思考题：钢材与混凝土结构的组合形式和作用？为什么要加不同形式的钢材？不同形式的钢材，作用有什么不同？你有哪些新的想法？,2.钢结构（Steel Structures）钢结构是由钢厂轧制的型钢或钢板通过焊接或螺栓等连接组成的结构。轻质高强、质地均匀 生产、安装工业化程度高，施工周期短
10、密闭性能好 抗震及抗动力荷载性能好 具有一定的耐热性 钢结构抗腐蚀性较差,钢结构主要有：厂房钢结构 轻型钢结构大跨度钢结构 桥梁钢结构高层钢结构以及其和其他结构的综合应用。,返回,返回,返回,图：1932澳大利亚503m悉尼钢拱桥,图：1977美国518.2m New River桥,返回,3.圬工结构（Steel Structures）圬工结构是用胶结材料将砖、天然石料等块材按照一定规则砌筑而成的整体结构。便于就地取材、造价低施工复杂、质量不易控制耐久性能好 抗震性能差自重大,赵州桥（公元591-605年）又称安济桥，位于中国河北省赵县城南。是现存最早，并且保存良好的拱桥。单孔空腹圆弧石拱桥，
11、长64.4m，净跨37.20m，矢高7.23m。主拱圈上两侧各开两个小拱，以宣泄洪水，减轻自重。该桥制作精良，结构独创，造型匀称美丽，雕刻细致生动，列代都予重视和保护，1991年列为世界文化遗产。,乌巢河桥位于湖南省凤凰县沱江源头的乌巢河峡谷的县道上。乌巢河大桥全长241m，该桥因地制宜，就地取材，综合应用和发展了中国近20多年来建设石拱桥的经验，建成桥宽8m、主跨为120m的双肋石拱桥。主拱圈由两条分离式矩形石肋和8条钢筋混凝土横系梁组成。拱轴线为m=1.543悬链线，拱矢度1/5，拱肋为等高变宽度。采用20MPa的小石子混凝土砌100kPa的块石；肋宽2.5m，高1.6m。该桥结构轻盈，造
12、型美观，是目前世界上最大跨径石拱桥记录的保持者，于1990年建成通车。,360m 广州丫髻沙特大桥 三跨连续自锚式中承式钢管混凝土拱桥。以高强预应力钢铰线作为系杆，拱座基础只有较小水平推力。主拱采用中承式双肋悬链线无铰拱，矢跨比为1/4.5。每片拱肋由6750钢管混凝土组成，由横向平联板、腹杆连接成为钢管混凝土桁架。边拱采用上承式双肋悬链线半拱，每片拱肋由钢筋混凝土单箱单室截面组成。转体施工法。,1990四川旺苍115米东河桥 下承式钢管混凝土预应力系杆拱桥，矢度1/6。两片拱肋间用直径800mm横撑连接以保持其稳定性。活载作用下拱脚的水平推力由系杆及桥墩共同承担。钢管拱肋实际上是一种复合材料
13、，在破坏荷载作用下，钢管不仅起纵筋的作用，而且对混凝土起螺旋箍筋的作用，以提高构件的承载能力。在施工阶段，钢管起着劲性骨架的作用。,组合桁架桥钢桁架腹杆+上下混凝土翼缘板,Boulonnais桥(法国，1997年完成)44.5m+3*77m+93.5m+5*110+93.5m+3*77m+44.5m,15跨连续4m预制节段梁，悬臂施工,钢管桁架腹杆的构造,组合刚构桥钢箱梁+混凝土墩,阿古耶桥（日本）3跨连续刚构桥36m36m36钢板梁与混凝土固结,图：万县长江大桥是劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥，主跨420m。,于1991年底建成，是京九（龙）铁路和合（肥）九（江）铁路的“天堑通途”，为双层双线铁
14、路、公路两用桥，铁路桥长7675米，公路桥长4460米，其中江上正桥长1806米，10个桥墩，11孔钢梁，不论长度和跨度为160米的普通钢桁梁外，主航道为三孔刚性桁、柔性拱，桁高16米，跨度为180米，中间一孔最大夸度达216米，最大知高32米。目前九江大桥不仅是中国，而且是世界最长的铁路、公路两用的钢桁梁大桥，既是我国南北交通的大动脉，又是九江最引人注目的新旅游景点,图：九江大桥,香港汀九桥：汀九桥是世界上第一座多跨连续斜拉桥，该桥三桥五塔，主跨为（475m+448m）的结合梁，桥面为双向3车道车行道，由两块桥面板组成，中间设置5.5m宽的伸缩缝。桥塔为独柱型，三索面成扇形布置。,东海大桥跨越杭州湾北部海域，连接上海南汇区芦潮港镇与浙江嵊泗崎岖列岛的小洋山岛，是上海洋山国际深水港的重要配套工程，大桥全长27.4Km，左右幅分离，单幅桥面宽15.25m，双向六车道，按高速公路标准设计，设计时速80km/h。,1.1 基本概念,南京长江第三大桥主桥为钢塔钢箱梁双索面五跨连续斜拉桥。索塔为“人”字形塔，塔柱外侧圆曲线部分半径720m，高215m，设4道横梁。其中下塔柱及下横梁为钢筋混凝土结构，为C50混凝土。其他部分为钢结构，采用Q370qD钢。,
