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1、混凝土结构设计原理Concrete Structure,主要教学参考书 Text Book and References,沈蒲生 混凝土结构设计原理 高等教育出版社蓝宗建 混凝土结构设计原理 东南大学出版社滕智明 朱金铨 编著 混凝土结构及砌体结构（上册）建筑工业出版社混凝土结构设计规范：GB50010-2002建筑结构可靠度设计统一标准：GB500682001建筑结构设计荷载规范：GB50011-2002（06版）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG D622004公路水泥混凝土路面设计规范：JTG D402002,1 绪 论 Introduction,主要以混凝土材料，并根据需
2、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)。,1.1 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（玻璃钢）,钢-混凝土混合结构,纤维混凝土,素混凝土结构（Plain Concrete),Foundation,Masonry wall,素混凝土梁承载力小，破坏突然,钢筋混凝土结构（Reinforced Concrete Structure),Reinforcement,Stirrup,Cover,Support,钢筋混凝土梁承载力大，变形性能
3、好，破坏有预告,预应力混凝土结构（Pre-stressed Concrete Structure),Pre-stress rebar,Concrete,Hollowtube,Pre-stressed concrete 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 fille
4、d tube column,FRP混凝土（Fiber Reinforced Polymer(Plastic)Concrete),钢-混凝土组合（混合）结构(Composite Structure or Hybrid Structure),What about the material properties?Are there any advantage to composite two kind materials to work together?Can the materials work together well?How to ensure the materials to work
5、together well?Element types?Mechanical behavior under loading for different kind elements?How to design the elements and structure?,Any question about the above definition for concrete structure?,混凝土(Concrete)：抗压强度高，而抗拉强度却很低 High compressive strength,but lower tensile strength 一般抗拉强度只有抗压强度的1/81/20 破
6、坏时具有明显的脆性性质(Brittle),因此，素混凝土构件在实际工程的应用很有限，主要用于以受压为主的基础、柱墩和一些非承重结构。,基本材料性能 Basic Materials Properties,素混凝土梁试验 Test of Plain Concrete Beam,Pcr=9.7kN,fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2,ft,sc=ft,素混凝土梁受力性能,Pu Pcr,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。,钢 材(Steel)：抗拉和抗压强度都很高 Both tensile and compressiv
7、e Strengths are high具有屈服现象，破坏时表现出较好的延性 Ductile但细长的钢筋受压时极易压曲，仅能作为受拉构件,而纯钢构件的承载力也往往取决于钢材的压曲，材料强度一般得不到充分地发挥。,Advantage: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。learn from otherss strong points to offset ones weakness,钢筋混凝土梁试验 Test of Reinforced Concrete Beam,Pcr=9.7kN,fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2fy=335N/mm2,f
8、t,sc=ft,钢筋混凝土梁,Pu 52.5kN,fy,配置钢筋后，RC梁的承载力比素混凝土梁大大提高，钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度均得到充分利用，且破坏过程有明显预兆。,Py 50.0kN,fc,Pcr=9.7kN,fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2fy=335N/mm2,ft,sc=ft,钢筋混凝土梁,Pu 52.5kN,fy,Py 50.0kN,fc,但从开裂荷载到屈服荷载，在很长的过程带裂缝工作；通常裂缝宽度很小，不致影响正常使用。但裂缝导致梁的刚度显著降低，使得钢筋混凝土梁不能应用于大跨度结构。如何解决？,钢筋混凝土Reinforced Concrete除在构件的受
9、拉区配筋外，还有许多其他配筋方式可以在构件的受压区配置钢筋协助混凝土承受压力在复杂应力区域（如梁在受剪区段、受扭构件、节点区、剪力墙等），可以配置箍筋或纵横交错的钢筋当构件受力很大时，可以直接配置钢骨还可以利用箍筋约束混凝土来提高混凝土的抗压强度，甚至直接采用钢管采用纤维（钢纤维、玻璃纤维等）与混凝土一起搅拌形成的纤维混凝土，其抗拉强度可以得到提高因此，两种(或两种以上)材料的有机组合，可充分发挥各自的长处，创造出多种形式的复合材料，适应各种不同受力的要求，取得很好的综合经济效益,钢筋与混凝土共同工作的条件(The conditions for the reinforcement and co
10、ncrete working together)钢筋（材）和混凝土两种材料的物理力学性能(physical mechanics performance)很不相同，它们可以结合在一起共同工作，是因为：钢筋与混凝土之间存在良好的粘结力(Bond)，在荷载作用下，保证两种材料变形协调(Same Deformation under load)，共同受力；,粘结力Bond,钢材与混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数(Temperature linear expanding index)（钢材为1.210-5，混凝土为(1.01.5)10-5），因此当温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘
11、结力破坏。,Definition:Bond is a kind of stress which exits on the surface of the reinforcement along the direction of the surface.The main influencing factors of the bond:The strength degree of concrete;The diameter of the reinforcement;The surface property of the reinforcement.,混凝土结构的组成,混凝土结构的优点：材料利用合理：
12、钢筋和混凝土的材料强度可以得到充分发挥，结构承载力与刚度比例合适，基本无局部稳定问题，单位价格低，对于一般工程结构，经济指标优于钢结构。可模性好：混凝土可根据需要浇筑成各种性质和尺寸，适用于各种形状复杂的结构，如空间薄壳、箱形结构等。耐久性和耐火性较好，维护费用低：钢筋有混凝土的保护层，不易产生锈蚀，而混凝土的强度随时间而增长；混凝土是不良热导体，30mm厚混凝土保护层可耐火2小时，使钢筋不致因升温过快而丧失强度。,现浇混凝土结构的整体性好，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；同时防振性和防辐射性能较好，适用于防护结构。刚度大、阻尼大，有利于结构的变形控制。易于就地取材：
13、混凝土所用的大量砂、石，易于就地取材，近年来，已有利用工业废料来制造人工骨料，或作为水泥的外加成分，改善混凝土的性能。,混凝土结构的缺点：自重大：不适用于大跨、高层结构。,轻质、高强和预应力,抗裂性差：普通RC结构，在正常使用阶段往往带裂缝工作，环境较差(露天、沿海、化学侵蚀)时会影响耐久性；也限制了普通RC用于大跨结构，高强钢筋无法应用。,预应力混凝土,承载力有限：在重载结构和高层建筑底部结构，构件尺寸太大，减小使用空间。,高强、钢骨、钢管混凝土,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。,混凝土结构一旦破坏，其修复、加固、补强比较困难。,钢模、滑模等
14、，泵送、早强、商品、高性能、免振自密实混凝土等,混凝土结构加固技术不断得到发展，如最近研究开发的采用碳纤维布加固混凝土结构技术，快速简便。,1.2 混凝土结构的发展简况及其应用 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大量土木工程结构中最主要的结构，而且高性能混凝土和新型混凝土结构形式还在不断发展。,第一阶段(The first st
15、age):从钢筋混凝土的发明至20世纪初钢筋和混凝土的强度都比较低主要用于建造中小型楼板、梁、柱、拱和基础等构件。计算理论：结构内力和构件截面计算均套用弹性理论(Elastic theory)，采用容许应力设计方法(Allowable stress design method)。,混凝土结构的发展,混凝土结构的发展,第二阶段(The second stage)：从20世纪20年代到第二次世界大战前后混凝土和钢筋强度的不断提高1928年法国杰出的土木工程师弗耐耐西涅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。计算理论：前苏联著名的混凝土结构专家格沃兹捷夫（.）开始考虑混凝土塑性性能
16、的破损阶段设计法(Failure stage design method)，50年代又提出更为合理的极限状态设计法(limit state design method)，奠定了现代钢筋混凝土结构的基本计算理论。,第三阶段(The third stage)：二战以后到现在随着建设速度加快，对材料性能和施工技术提出更高要求，出现装配式钢筋混凝土结构、泵送商品混凝土等工业化生产技术。高强混凝土和高强钢筋的发展、计算机的采用和先进施工机械设备的发明，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，成为现代土木工程的标志。设计计算理论：发展了以概率理论为基础的极限状态设计法，基础理
17、论问题大都得到解决，而新型混凝土材料及其复合结构形式的出现又不断提出新的课题，并不断促进混凝土结构的发展。,混凝土结构的发展,材料方面的发展,强度不断提高美国60年代混凝土抗压强度平均值：28N/mm2，70年代：42N/mm2，有特殊需要时：40N/mm2100 N/mm2，试验室中：266 N/mm2,轻质混凝土的应用容重一般为：14kN/m318kN/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,FRP筋的应用用FRP筋代替钢筋，纤维混凝土因改善了混凝土的抗裂性、耐磨性及延性，在一些有特殊要求的结构中已经开始采用。,结构方面的发展,1.钢筋混凝土
18、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74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、俄罗斯等国在高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。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
19、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。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。,理论研究方面的发展,设计方法,允许应力设计法,破坏阶段设计法,极限状态设计法,半经验半概率法,近似概率法,全概率法,生命全过程设计法,材料力学的方法,按经验法确定安全系数,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
20、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。,混凝土结构的应用：房屋工程,我国超过100m高的高层建筑中绝大多数是混凝土结构或为混凝土和钢的组合结构,这座508米的台湾101大楼，始建于1997年，2004年底建成使用，由办公楼，观景台和商场饭店组成。大楼拥有世界上最快的电梯，每分钟速度为1014米。从第5层到观景的第89层只需要37秒钟。台北101大楼拿下了“世界高楼”四项指标中的三项世界之最，即“最高建筑物”（508米）、“最高使用楼
21、层”（438米）和“最高屋顶高度”（448米）。以数字“8”作为设计单元，每8层楼为一个结构单元，层层相迭，构筑竹节的整体意含。,台湾101大厦,由于台湾地区处于世界上最活跃的两个地震带之一环太平洋地震带那么对于这样的高楼，它如何解决防震的问题？,台北并不是一个适合修建一座500多米高的建筑的城市它不仅每年都会受到多场台风的肆虐，而且还位于世界上最活跃的地震带上。,非凡的技术成就,面对这些危险，它在结构上需要采取多种不同的在某种程度上甚至是相互矛盾的策略：地震的威胁要求建筑结构必须有韧性和弹性，以吸收震动产生的能量；而要抵抗狂风的侵袭，建筑又必须足够坚固才行。为了平衡这些需要，设计师们将大量的
22、创新结构方案应用到了101大厦上。工程师们在101大厦的92层安装了一个重达730吨的大球，作为风阻尼器来吸收震动的能量；为了让结构足够坚固，大厦的主体框架分成了3个紧密关联的复杂结构，每个结构分别承载不同的负荷。在大厦的中央有16根柱子，在4个侧面还分别有两根2.4米3米的大柱子和它们一起构成了支撑整栋大厦的垂直结构,Petroleum Tower 1,瑞典扭转大厦(Turning Torso),北欧最高的建筑:设计者西班牙的圣地亚哥卡拉特拉瓦,大厦扭曲度达到90度，由9座立方体组成，每一座立方体都稍稍有所扭曲。底部的三座立方体用作办公空间，上面的六座立方体则是17套豪华公寓。,混凝土结构的
23、应用：特种结构,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,隧道、桥梁、高速公路、城市高架公路、地铁大都采用混凝土结构。如1994年建成的上海内环线浦西段高架公路，以及与之相连的南浦大桥、杨浦大桥的塔架，1995年建成的地铁一号线、延安东路隧道、英吉利海峡隧道等,交通工程,上海莘庄大型立交工程该工程由15条线路，6条主线、20个定向匝道构成；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。,Y形墩多孔预应力连续-刚构桥,四川二滩拱坝。高245m，库容58亿立方米。,混凝土结构的应用：水利工程,三峡工程,三峡工程主体建筑物土石方挖填量约1.2
24、5亿立方米，混凝土浇筑量2643万立方米，钢材59.3万吨，是世界上工程量最大的水利工程。,三峡水库总库容393亿立方米，防洪库容221.5亿立方米，水库调洪可消减洪峰流量达每秒2.7至3.3万立方米，是世界上防洪效益最为显著的水利工程。,截面的基本受力形态有：,正截面受力,斜截面受剪,扭曲截面受扭,基本构件的受力往往是基本受力形态的复合,问题的复杂性,问题的综合性,问题不是单一的,解答是不唯一的,受力性能,材料的力学性能,两种材料的配比,两种材料的共同工作,混凝土结构设计原理课程的特点的学习方法,一、本课程主要讲授的主要内容：钢筋混凝土结构设计原理课程主要是对混凝土结构构件的受力性能、计算方
25、法和构造要求等问题进行讨论。主要内容：混凝土结构的材料性能，它是学习以后各章的基础。受弯构件正截面承载力计算受弯构件斜截面承载力计算轴心受力构件承载力计算，偏心受力构件承载力计算混凝土构件的裂缝、变形和耐久性预应力混凝土构件设计。,二、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
26、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，暂时还难以用一种简单的数学、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的区别，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。工程实际情况是非常复杂的，建筑结构上的实际荷载和实际材料指标与规范规定的大小会有一定的出入。它们可能高于规范规定的数值，也可能低于规范规定的数值。此外，不同结构的重要性也不一样
27、，它们对结构的安全、适用和耐久的要求不相同。为了使混凝土结构设计满足讲技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的要求，将混凝土结构各种分析公式用于设计时，要考虑上述各种因素的影响。,(4)构造要求是非常主要的内容 进行混凝土结构设计时离不开计算。但是，现行的计算方法一般只考虑荷载效应。其他影响因素，如：混凝土收缩、温度影响以及地基不均匀沉陷等，难于用计算公式来表达。GB50010-2002混凝土结构设计规范(以下简称规范)根据长期的工程实践经验，总结出一些构造措施来考虑这些因素的影响。因此，在学习本课程时，除了要对各种计算公式了解和掌握以外，对于各种构造措施也必须给予足够的重视。在设计混凝土结构
28、时，除了进行各种计算之外，还必须检查各项构造要求是否得到满足。,(5)混凝土结构设计规范（GB50010-2002)的掌握、应用与不断探索创新的重要性 各国都制订有专门的技术标准的设计规范。在学习混凝土结构时，应该很好地熟悉、掌握和运用它们。但是也要了解，混凝土结构是一门比较年轻和迅速发展的学科，许多计算方法和构造措施还不一定尽善尽美。也正因为如此，各国每隔一段时间都要对其结构设计标准或规范进行修订，使之更加完善合理。因此，在很好地学习的运用规范的过程中，也在关于发现问题，灵活运用，并且要勇于进行探索与创新。,学习中应注意的问题：,1、构件和结构设计是一个综合性问题设计过程包括结构方案、构件选
29、型、材料选择、配筋构造、施工方案等还需要考虑安全适用和经济合理。设计中许多数据可能有多种选择方案，因此设计结果不是唯一的。最终设计结果应经过各种方案的比较，综合考虑使用、材料、造价、施工等各项指标的可行性，才能确定较为合适的一个设计结果。,学习中应注意的问题：,2、工程项目的建设是国家的重要工作，必须依照国家颁布的法规进行设计人员必须遵照各种结构类型的设计规范或规程进行设计。各种设计规范或规程是具有约束性和立法性的文件，其目的是使工程结构的设计在符合国家经济政策的条件下，保证设计的质量和工程项目的安全可靠。注意在学习中，有关基本理论的应用最终都要落实到规范的具体规定。,学习中应注意的问题：,由
30、于工程结构类型很多，不同的结构类型有不同的设计规范或规程，但混凝土结构的基本理论是一致的，应重点学好基本理论。本学期以基本理论为主，并结合主要用于建筑结构的混凝土结构设计规范GB500010学习。后续课程将结合各种结构类型，介绍有关的设计方法和设计规范。,学习中应注意的问题：,3、设计工作是一项创造性工作一方面在设计工作中必须按照规范进行另一方面只有深刻理解规范的理论依据，才能更好地应用规范，充分发挥设计者的主动性和创造性。规范是给傻瓜设计师编写的注意学习中的创造性。本学科还在不断的发展和更新，因此设计工作不应被规范束缚，在经过各方面的可靠性论证后，应积极采用先进的理论和技术。规范一般十年左右
31、修订一次，就是为了反映学科最新发展的成果。,美国ACI混凝土结构设计规范的第一章、第一句话，“本规范提供设计与施工的最低要求”，言外之意就是设计人员需要从具体出发采用不同于规范的要求。美国公路部门的ASSHTO桥梁设计规程写的更清楚，在其第一章第一节写道：本规程无意取代设计人所具有的专门教育和工程判断的训练，仅在规程中规定为保证公共安全的最低要求。业主或设计人可能需要在设计中采用新的先进技术，或需对材料及施工质量提出更高的要求。,Key Notes:1.Composite conception2.Basic material properties3.Interface action:Bond4.Reinforcement Arrangement5.Mechanic behaviorAnalysis Element Design Structure Design,
