混凝土结构设计原理：第1章 绪论

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1、1.绪论1.1 混凝土结构的一般概念混凝土结构的一般概念1.1.1 混凝土结构的定义与分类 以混凝土材料为主，并根据需要配置钢筋、预应力筋、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（Concrete Structures）。素混凝土Plain Concrete纤维增强混凝土Fiber Reinforced Concrete钢骨混凝土Steel Reinforced Concrete钢筋混凝土Reinforced Concrete钢管混凝土Concrete Filled Steel Tube预应力混凝土Prestressed Concrete钢混凝土组合结构Composite S

2、tructure1.1.2 配筋的作用与要求钢筋混凝土梁的承载力比素混凝土梁大大提高（14倍）；素混凝土梁破坏突然，没有明显预兆；而钢筋混凝土梁则表现出较好的延性，破坏前有明显预兆；钢筋混凝土梁最终由于混凝土被压碎而破坏，此时钢筋已经屈服，钢筋和混凝土的材料强度均得到充分利用。P=4.4 kNP=62.5 kN混凝土的材料特性 抗压强度高，而抗拉强度却很低 通常抗拉强度只有抗压强度的1/81/20 破坏时具有明显的脆性特征钢筋的材料特性抗拉和抗压强度都很高 具有屈服现象，破坏时表现出较好的延性 细长的钢筋受压时极易压曲PP钢筋钢筋（加筋）（加筋）+混凝土混凝土钢筋混凝土结构（构件）钢筋混凝土结

3、构（构件）拉压性能均好拉压性能均好抗压性能好抗压性能好利用混凝土抗压，钢筋利用混凝土抗压，钢筋受拉（亦可受压）受拉（亦可受压）各尽其能，相得益彰各尽其能，相得益彰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在复杂应力区域配置钢筋当构件所受压力很大时，可直接配置钢骨混凝土钢骨混凝土Steel Reinforced Concrete(SRC)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Concrete filled Steel Tube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放张钢筋预应力混凝

4、土结构的一般概念PP预应力钢筋混凝土和钢筋共同工作的原因混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形地结合在一起，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：温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：1.010-51.5 10-5，钢筋：，钢筋：1.2 10-5混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化高温软化 1.1.3 钢筋混凝土结构的优缺点优点：优点：耐久性好耐久性好 耐火性好耐火

5、性好 整体性好整体性好 可模性好可模性好 就地取材就地取材 节约钢材节约钢材 阻止射线的穿透阻止射线的穿透缺点：缺点：自重大自重大 易开裂易开裂 耗模板耗模板 施工受季节性影响施工受季节性影响 隔热隔声性能差隔热隔声性能差随着科学技术的不断发展，正逐随着科学技术的不断发展，正逐渐被克服渐被克服1.2 混凝土结构的发展概况混凝土结构的发展概况混凝土结构约有150年的历史，与钢、木和砌体结构相比，由于它在物理力学性能、材料来源以及工程造价等方面有许多优点，所以发展速度很快，应用也最广泛。我国是采用混凝土结构最多的国家，在高层建筑和多层框架中大多采用混凝土结构。.钢筋混凝土结构的诞生1824年，英国

6、人年，英国人J.Aspdin 发明了波特兰水泥，有了混凝土；发明了波特兰水泥，有了混凝土；1849年，法国人年，法国人Joseph Louis Lambot 用水泥砂浆涂在钢用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成小船丝网的两面做成小船-最早的钢筋混凝土结构；最早的钢筋混凝土结构；1861年，法国花匠年，法国花匠J.Monier 用钢丝作为配筋制作了花盆并用钢丝作为配筋制作了花盆并申请了专利，后由申请了钢筋混凝土板、管道、拱桥等专申请了专利，后由申请了钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利利-尽管他不懂钢筋混凝土结构的受力原理，甚至将钢筋尽管他不懂钢筋混凝土结构的受力原理，甚至将钢筋配置在板的中部，他却被认为是

7、钢筋混凝土结构的发明者；配置在板的中部，他却被认为是钢筋混凝土结构的发明者；1884年，德国人年，德国人Wayss,Bauschingger和和Koenen等提出了钢等提出了钢筋应配置在构件中受拉力的部位和钢筋混凝土板的计算理筋应配置在构件中受拉力的部位和钢筋混凝土板的计算理论。后来，钢筋混凝土结构逐渐得到了推广应用。论。后来，钢筋混凝土结构逐渐得到了推广应用。混凝土结构的发展材料方面的发展PP强度不断提高强度不断提高 美国美国60年代混凝土抗压强度平均值：年代混凝土抗压强度平均值：28N/mm2，70年代年代：42N/mm2，有特殊需要时：有特殊需要时：40N/mm2100 N/mm2，试验

8、室中：，试验室中：266 N/mm2轻质混凝土的应用轻质混凝土的应用 容重一般为：容重一般为：14kN/m318kN/m3(普通混凝土为普通混凝土为24kN/m3)，加气混凝，加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等无砂混凝土无砂混凝土 只有粗骨料，无细骨料只有粗骨料，无细骨料FRP筋的应用筋的应用 用用FRP筋代替钢筋筋代替钢筋混凝土结构的发展 结构方面的发展PPPP预应力混凝土结构的应用预应力混凝土结构的应用 在混凝土的受拉区施加预应力，以提高混凝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，减轻构件的自重土结构的抗裂度，减轻构件

9、的自重结构体系的丰富结构体系的丰富 不同用途、不同结构功能具有相应的结构不同用途、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、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混凝土及预应力混凝土结构等混凝土结构的发展理论研究方面的发展设计方法设计方法允许应允许应力设计力设计法法破坏阶破坏阶段设计段设计法法极限状极限状态设计态设计法法半经验半概率半经验半概率法法近似概率法近似概率法全概率法全概率法生命全过程设生命全过程设计法（兼顾安计法（兼顾安全性、使用性全性、使用性和耐久性）和耐久性）材料力学的方法材料力学的方法按经验法确定安按经验法确定安全系数全

10、系数混凝土结构的发展理论研究方面的发展结构基本理论结构基本理论如何设计一个新结构如何设计一个新结构荷载的确定方法荷载的确定方法结构的力学分析：线性和非线性结构的力学分析：线性和非线性构件的承载力计算、设计方法和构造措施构件的承载力计算、设计方法和构造措施未来的方向：计算机的应用与发展，结构非未来的方向：计算机的应用与发展，结构非线性分析、结构整体空间作用分析方法的完线性分析、结构整体空间作用分析方法的完善与应用善与应用混凝土结构的发展 理论研究方面的发展结构基本理论：结构基本理论：如何评价既有结构（如何评价既有结构（20世纪世纪80年代中期发展起来的）年代中期发展起来的）安全性评定安全性评定使

11、用性评定使用性评定耐久性评定耐久性评定损伤分析损伤分析寿命预测寿命预测灾害评估等灾害评估等混凝土结构的发展理论研究方面的发展结构基本理论结构基本理论既有结构的维护、改造与加固（既有结构的维护、改造与加固（80年代中期发展起来）年代中期发展起来）基于既有结构性能评定理论的结构修复技术基于既有结构性能评定理论的结构修复技术基于既有结构性能评定理论的结构改造技术基于既有结构性能评定理论的结构改造技术基于既有结构性能评定理论的加固技术基于既有结构性能评定理论的加固技术混凝土结构的发展 理论研究方面的发展结构基本理论结构基本理论计算机仿真技术的应用计算机仿真技术的应用 混凝土结构的发展理论研究方面的发展

12、结构基本理论结构基本理论结构试验技术的完善结构试验技术的完善混凝土结构的发展理论研究方面的发展结构基本理论结构基本理论结构试验技术的完善结构试验技术的完善混凝土结构的应用 1.建筑工程公共建筑绝大多数是混凝土结公共建筑绝大多数是混凝土结构或为混凝土和钢的组合结构构或为混凝土和钢的组合结构混凝土结构的应用 1.建筑工程公共建筑绝大多数是混凝土结公共建筑绝大多数是混凝土结构或为混凝土和钢的组合结构构或为混凝土和钢的组合结构混凝土结构的应用 2.交通工程隧道、桥梁、高速公路、城隧道、桥梁、高速公路、城市高架公路、地铁大都采用市高架公路、地铁大都采用混凝土结构。如混凝土结构。如1994年建成年建成的上

13、海内环线浦西段高架公的上海内环线浦西段高架公路，以及与之相连的南浦大路，以及与之相连的南浦大桥、杨浦大桥的塔架，桥、杨浦大桥的塔架，1995年建成的地铁一号线、延安年建成的地铁一号线、延安东路隧道、英吉利海峡隧道东路隧道、英吉利海峡隧道等等混凝土结构的应用 3.水利工程大坝、拦海闸墩、渡槽、港口等多用混凝土结构大坝、拦海闸墩、渡槽、港口等多用混凝土结构瑞士大狄克桑期坝，瑞士大狄克桑期坝，1962年，年，高高285，世界最高的混凝土，世界最高的混凝土重力坝重力坝我国的三峡大坝我国的三峡大坝混凝土结构的应用 4.特种工程核电站的安全壳、热电厂的冷却塔、储水池、储气灌、核电站的安全壳、热电厂的冷却塔

14、、储水池、储气灌、海洋石油平台、电视塔等海洋石油平台、电视塔等混凝土结构的应用 4.特种工程核电站的安全壳、热电厂的冷却塔、储水池、储气灌、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、电视塔等海洋石油平台、电视塔等台北101大厦（508米）吉隆坡国家石油双子星座大厦（452米）多伦多电视塔（549米）预应力混凝土结构上海金茂大厦（421米）外形轮廓共十三层，每隔若干层渐渐收进，似中国古代的宝塔，具有独特的民族风格。金茂大厦主体结构中部为八角形型钢配筋混凝土(SRC)核心筒束，筒内井字形墙到56层结束，然后单筒升到 335.3 m；核心筒四周为八根SRC大柱，截面由 1.5 m

15、5 m逐渐收至1 m3.5 m，以适应逐渐收进的外形。上海环球金融中心（492米）阿拉伯酋长国迪拜摩天大楼（800米）国际金融中心（415米）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、工业废渣及轻砂为原料，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。序序号号工程名称工程名称建筑面积建筑面积(万万m2)应用部位应用部位(层层)混凝土混凝土供应方供应方施工年月

16、施工年月强度平均值强度平均值(MPa)1远吉大厦远吉大厦2.4-2+5华兴华兴2003.4116.32贵和大厦贵和大厦2.113泰丰泰丰2004.3114.53皇朝万鑫大厦皇朝万鑫大厦20-2+8汉拿汉拿2005.47119.14东北大学科技东北大学科技综合楼综合楼3.813健富健富2005.9正在施工正在施工5宏发国际名城宏发国际名城10.5-2+12华兴华兴2005.9116.9活性粉末混凝土 Reactive Powder Concrete,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

17、而短的钢纤维，抗折强度可达50MPa。法国Bouygues公司1993年研究成功1994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。30mm厚无纤维RPC桥面板钢管RPC钢管混凝土桁架由于采用了RPC材料，不仅大大减轻了桥梁结构的自重，同时提高了桥梁在高湿度环境、除冰盐腐蚀与抗冻融循环作用下的耐久性能。有纤维的RPC梁韩国 Seoul（汉城）混凝土步行拱桥跨度120m，拱高15m，厚1.3m，没有任何柱子支撑，没有箍筋提高结构的耐久性刻不容缓宁波北仑港码头混凝土梁宁波北仑港码头混凝土梁（建成后（建成后11年）年）1998年美国土木

18、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1.52%，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湘雅医院内科楼的加固工程碳纤维（Carbon Fiber）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

19、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碳纤维混凝土板开裂后的红外热像图40秒1分40秒2分30秒1.3 结构的功能和极限状态简述结构的功能和极限状态简述 1.规范及设计理论允许应力设允许应力设计法计法破坏阶段设破坏阶段设计法计法极限状态设极限状态设计法计法半经验半概率半经验半概率法法近似概率法近似概率法全概率法全概率法生命全过程设生命全过程设计法计法材料力学的方法材料力学的方法按经验法确定安按经验法确定安全系数全系数混凝土结构设计规范混凝土结

20、构设计规范基于概率的极限状态设计法基于概率的极限状态设计法1.3 结构的功能和极限状态简述结构的功能和极限状态简述2.结构的功能要求、可靠性与可靠度功能要求功能要求安全性、适用性和耐久性安全性、适用性和耐久性可靠性可靠性可靠度可靠度结构在规定的时间内，规定的条件结构在规定的时间内，规定的条件下完成预定功能的概率下完成预定功能的概率概率度量1.3 结构的功能和极限状态简述结构的功能和极限状态简述3.极限状态整个结构或结构的一部分超过某一整个结构或结构的一部分超过某一特定状态特定状态就不能满足设计规定的某就不能满足设计规定的某一功能要求一功能要求极限状态极限状态承载能力极承载能力极限状态限状态正常

21、使用极正常使用极限状态限状态1.3 结构的功能和极限状态简述结构的功能和极限状态简述4.作用和材料强度的取值所有能使结构产生内力和变形的原因统称为所有能使结构产生内力和变形的原因统称为“作用作用”。荷载是作用中。荷载是作用中的一部分（直接作用）。的一部分（直接作用）。概率密度荷载荷载平均值荷载标准值荷载荷载随机变量随机变量荷荷载载标标准准值值根据统计资料，运用数理根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定统计方法确定的具有一定保证率（如保证率（如95%）的统计）的统计特征值特征值1.3 结构的功能和极限状态简述结构的功能和极限状态简述 4.作用和材料强度的取值强度强度随机变量随机变量强强度度

22、标标准准值值根据统计资料，运用数理统根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证计方法确定的具有一定保证率（如钢筋为率（如钢筋为97.73%,混凝土混凝土为为95%）的统计特征值）的统计特征值概率密度材料强度强度平均值强度标准值1.4 混凝土结构的环境类别混凝土结构的环境类别环境类别是指混凝土结构暴露表面所处的环境条件，设计时可根据实际情况 确定适当的环境类别。1.5 学习内容、目的及方法学习内容、目的及方法学习内容 材料特性 设计方法 轴拉构件 轴压构件 受弯构件 受剪构件 受扭构件 偏压、偏拉构件 变形、裂缝 预应力混凝土结构 楼盖结构 单层厂房 砌体结构基础知识构件设计结构设计，后续课程学习目的基本理论工程应用问题的复杂性问题的综合性受力性能理论分析构件设计结构设计材料的力学性能两种材料的配比两种材料的共同工作01bhAffscy设计中有多种选择方案，因此设计结果不是唯一的学习方法钢筋混凝土基本构件钢筋混凝土基本构件受剪构件受弯构件受拉构件受压构件受扭构件受拉受压受弯受剪受扭截面基本受力形态基本构件的受力往往是基本受力形态的复合考核方法考核方法