混凝土结构设计绪论

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1、1一、结构的概念 由构件组成的传力体系，承担建筑物在由构件组成的传力体系，承担建筑物在施工和使用过程中可能出现的各种环境施工和使用过程中可能出现的各种环境作用。作用。构件构件 作用作用 2二、结构的类型制制作作材材料料木结构木结构钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构预应力混凝土结构预应力混凝土结构砌体结构砌体结构混凝土结构混凝土结构钢结构钢结构组合结构组合结构3几何几何尺寸尺寸和受和受力特力特性性杆系结构杆系结构板壳结构板壳结构块体结构块体结构索结构索结构膜结构膜结构4空间空间位置位置和力和力的传的传递递水平承重结构水平承重结构楼盖楼盖 基础基础竖向承重竖向承重结构结构地下承重地下承重结构结构结构体系

2、结构体系 5结结构构体体系系框架结构框架结构剪力墙结构剪力墙结构框架框架-剪力墙结构剪力墙结构网架结构网架结构筒体结构筒体结构排架结构排架结构框支剪力墙结构框支剪力墙结构内框架结构内框架结构底层框架砌体结构底层框架砌体结构柱、屋架、基础柱、屋架、基础梁、柱、基础梁、柱、基础剪力墙、基础剪力墙、基础拉、压杆拉、压杆混凝土柱、砌体混凝土柱、砌体墙、基础墙、基础678910层数层数单层结构单层结构多、高层结构多、高层结构用途用途单层单层多、高层多、高层工业厂房结构工业厂房结构民用建筑结构民用建筑结构111.2 1.2 设计准则设计准则一、一、规范及设计理论规范及设计理论二、结构的功能要求二、结构的功

3、能要求三、极限状态三、极限状态四、极限状态设计法四、极限状态设计法12 设计法规、规范、规程和设计标准设计法规、规范、规程和设计标准1)1)设计依据设计依据 2)2)混凝土建筑结构常用规范混凝土建筑结构常用规范 混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范GB50010-2002 建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范 高层建筑混凝土结构设计规程高层建筑混凝土结构设计规程 建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范一、规范及设计理论一、规范及设计理论13 容许应力法容许应力法3)3)设计理论设计理论 破坏强度法破坏强度法 极限状态设计法极限状态设计法K容许应力、裂缝宽度、挠度

4、容许应力、裂缝宽度、挠度承载能力承载能力141 1、功能要求、功能要求 （1 1）结构的安全等级）结构的安全等级 二、结构的功能要求二、结构的功能要求表表1 建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级 安全等级安全等级破坏后果的影响程度破坏后果的影响程度建筑物的类型建筑物的类型一级一级很严重很严重重要的建筑物重要的建筑物二级二级严重严重一般的建筑物一般的建筑物三级三级不严重不严重次要建筑物次要建筑物15 一般建筑结构的设计使用年限可为一般建筑结构的设计使用年限可为5050年。年。 桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长。设计使用年限更长。（2 2）结

5、构的设计使用年限结构的设计使用年限 计算结构可靠度所依据的年限称为结构的计算结构可靠度所依据的年限称为结构的设计使用年限。设计使用年限。结构的设计使用年限，是指设计规定的结构或结构的设计使用年限，是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。的时期。162 2、可靠性、可靠性 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力称为结构的可靠性。预定功能的能力称为结构的可靠性。规定时间是指结构的设计使用年限，所有的规定时间是指结构的设计使用年限，所有的统计分析均以该时间区间为准。统计分析均以

6、该时间区间为准。所谓的规定条件，是指正常设计、正常施工、所谓的规定条件，是指正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件，不包括非正常的，例正常使用和维护的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等。如人为的错误等。173 3、可靠度、可靠度 结构的可靠度是结构在设计工作寿命内，在正结构的可靠度是结构在设计工作寿命内，在正常条件下，完成预定功能的概率。常条件下，完成预定功能的概率。可靠度是可靠性的概率度量。可靠度是可靠性的概率度量。结构的可靠度是用可靠概率结构的可靠度是用可靠概率 来描述来描述sP18结构或构件达到最大承载能力或者达到不结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承

7、载能力适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。极限状态。三、极限状态三、极限状态1 1、承载能力极限状态、承载能力极限状态当结构或构件出现下列状态之一时，即当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载力极限状态：认为超过了承载力极限状态： 19（1）整个结构或结构的一部分作为刚体）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；失去平衡（如倾覆等）；（2 2）结构构件或连接因材料强度被超过而）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏，或因过度的塑性变破坏（包括疲劳破坏，或因过度的塑性变形而不适于继续承载）；形而不适于继续承载）；（3 3）结构转变为机动体系（如压屈等）结

8、构转变为机动体系（如压屈等）；（4 4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）等） 。20结构超过承载力极限状态的例子结构超过承载力极限状态的例子212 2、正常使用极限正常使用极限状态状态当结构或构件出现下列状态之一时，即认当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：为超过了正常使用极限状态： 22（1）影响正常使用或外观的变形；）影响正常使用或外观的变形；（2 2）影响正常使用或耐久性能的局部破坏影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括裂缝）（包括裂缝）；（3 3）影响正常使用的震动影响正常使用的震动；（4 4）影响正常使用的其他待定状态影响正常使

9、用的其他待定状态。233 3、极限状态方程、极限状态方程 S荷载效应荷载效应R抗力抗力SS2S1极限状态Z0或RS0r2Z可靠区r1RZ失效区244 4、可靠指标与失效概率、可靠指标与失效概率 可靠概率可靠概率 fsPP10f)()0(dzzfZPp0SR25 与失效概率与失效概率 之间有一一对应关系之间有一一对应关系 0ZZ2S2RSRZZfP26)()0(fZZZZZPZPp)(2122ZZxZZdze)()(127 可靠指标可靠指标 与失效概率与失效概率 的对应关系的对应关系 1.01.52.02.5 1.5910-16.6810-22.2810-26.2110-3 2.73.03.23

10、.5 3.4710-31.3510-36.8710-42.3310-4 3.74.04.24.5 1.0810-43.1710-51.3310-53.4010-6 fPfPfPfP28 目标可靠指标目标可靠指标 结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标破坏类型破坏类型安安 全全 等等 级级一一 级级二二 级级三三 级级延延 性性 破破 坏坏3.73.22.7脆脆 性性 破破 坏坏4.23.73.2295 5、可靠指标在实际设计中的体现、可靠指标在实际设计中的体现2S2RSRZZ均均已已知知、独独立立，、SRSRSR222222SRSRSSRSR30SSSRR

11、R222222SRSRSSRSR222222SRSSSRRR2222SRSSSRRR 31SSSRRRSSSRRR)1 ()1 (SSSRRRSSSSKRRRRKSR1111)1 ()1 (SSSKRRRKSR32SKRKSR1SSSSSRRRRR11111SR0SSSSKRRRRKSR111133RRkR645. 1%5)(KRRP%5)()(RRKRRKRRRRRP645. 1RRKRR34SSkS645. 1%5)(1)(KKSSPSSP%95)()(SSKSSKSSSSSP645. 1SSKS%95)(KSSPS35四、极限状态设计法四、极限状态设计法1 1、作用的分类、作用的分类直接

12、作用直接作用间接作用间接作用荷载荷载混凝土收缩、温度、沉降、混凝土收缩、温度、沉降、地震地震36自重、土压力、预应力自重、土压力、预应力安装、楼屋面活载、风、安装、楼屋面活载、风、雪、吊车、地震作用雪、吊车、地震作用永久作用永久作用可变作用可变作用偶然作用偶然作用爆炸、撞击、罕遇地震爆炸、撞击、罕遇地震时时间间的的变变异异37自重、土压力、预应力、自重、土压力、预应力、安装、楼屋面活载、风、安装、楼屋面活载、风、雪雪静态作用静态作用动态作用动态作用风、吊车、地震作用、风、吊车、地震作用、爆爆炸、撞击、振动炸、撞击、振动结结构构的的反反应应分分类类382 2、荷载代表、荷载代表值值fKQqc39

13、3 3、荷载效应、荷载效应404 4、极限状态设计实用表达式、极限状态设计实用表达式RS 0Rkks0RS (1)(1)承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式41kCCkSSkn2iikCiQiQi1110，ffRQCQCGCkQQkGGkCCkSSkn1iikQiCiQi0，ffRQCGCkGG 对由可变荷载效应控制的组合，其承载对由可变荷载效应控制的组合，其承载能力极限状态设计表达式一般形式为能力极限状态设计表达式一般形式为 对由永久荷载效应控制的组合，其承载能对由永久荷载效应控制的组合，其承载能力极限状态设计表达式的一般形式为力极限状态设计表达式的一般形式为42当永久荷载效

14、应对结构不利时，对由可变荷当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合一般载效应控制的组合一般取取1.21.2；对由永久荷载；对由永久荷载效应控制的组合一般取效应控制的组合一般取1.351.35。KQQGKGSSS11 一般排架、框架由一般排架、框架由可变荷载效应控制的组合可变荷载效应控制的组合QiKQiniGKGSSS19 . 0GQi当永久荷载效应对结构有利时，取当永久荷载效应对结构有利时，取1.01.0。可变荷载的分项系数一般取可变荷载的分项系数一般取1.41.4；标准值大于标准值大于4kN/m4kN/m2 2、43KKRS(2)(2)正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态

15、设计表达式按荷载的标准组合时：按荷载的标准组合时：ikQin2iCi1kQ1kGkQCQCGCS 按荷载的频遇组合时：按荷载的频遇组合时：ikQin2ifi1kQ1f1kGKQCQCGCS按荷载的准永久组合时：按荷载的准永久组合时：ikQin1iqikGkQCGCS44A 裂缝宽度计算裂缝宽度计算荷载引起的裂缝宽度荷载引起的裂缝宽度 1、裂缝的出现、分布与开展、裂缝的出现、分布与开展max452、裂缝间距、裂缝间距ctssssAfAA21462、裂缝间距、裂缝间距ctmAflu uAflmctctssssAfAA21luAAmssss21dAfmctdfmt4147dfuAflmtmct41d

16、Klm上式表明，当配筋率上式表明，当配筋率 相同时，相同时，钢筋直径越细，裂缝间距越小，钢筋直径越细，裂缝间距越小，裂缝宽度也越小，也即裂缝的分布和开展会密而细，裂缝宽度也越小，也即裂缝的分布和开展会密而细，这是控制这是控制裂缝宽度的一个重要原则裂缝宽度的一个重要原则。 但上式中，当但上式中，当d/ 趋于零时，裂缝间距趋于零，这并不符合实趋于零时，裂缝间距趋于零，这并不符合实际情况。际情况。 试验表明，当试验表明，当d/ 很大时，裂缝间距趋近于某个常数。很大时，裂缝间距趋近于某个常数。该数值该数值与保护层与保护层c 和钢筋净间距有关和钢筋净间距有关，根据试验分析，对上式修正如，根据试验分析，对

17、上式修正如下下:dKcKlm1248对于受弯构件对于受弯构件，可将受拉区近似作为一，可将受拉区近似作为一轴心受拉构件，根据粘结力的有效影响轴心受拉构件，根据粘结力的有效影响范围，取范围，取有效受拉面积有效受拉面积Ate=0.5bh+(bf-b)hf，因此将式中配筋率，因此将式中配筋率 的用以下受的用以下受拉区有效配筋率替换后，即可用于受弯拉区有效配筋率替换后，即可用于受弯构件构件dKcKlm12ffstehbbbhA)(5 . 0temdKcKl12采用采用 te 后，裂缝间距可统一表示为后，裂缝间距可统一表示为:49根据试验资料统计分析，并考虑受力特征的影响，对于常用的根据试验资料统计分析，

18、并考虑受力特征的影响，对于常用的带肋钢筋带肋钢筋，规范规范给出的平均裂缝间距给出的平均裂缝间距lm的计算公式为的计算公式为:受弯构件受弯构件temdcl08. 09 . 1轴心受拉构件轴心受拉构件)08. 09 . 1 ( 1 . 1temdclc最外层纵向受拉钢筋外边缘到受拉区底边的距离（最外层纵向受拉钢筋外边缘到受拉区底边的距离（mm），），当当c20mm时，取时，取c=20mm；d钢筋直径（钢筋直径（mm），当用不同直径的钢筋时，），当用不同直径的钢筋时，d改用换算直改用换算直径径4As/u，u为纵向钢筋的总周长。为纵向钢筋的总周长。503、裂缝宽度、裂缝宽度 mcmsmllw85. 0

19、)1 (ccsssssEmsssmlEw85. 0平均裂缝宽度平均裂缝宽度mccsl )1 (51 钢筋应力不均匀系数钢筋应力不均匀系数 由于钢筋与混凝土间存在粘结应力，随着距裂缝截面距离的增由于钢筋与混凝土间存在粘结应力，随着距裂缝截面距离的增加，裂缝间混凝土逐渐参与受拉工作，钢筋应力逐渐减小，因此加，裂缝间混凝土逐渐参与受拉工作，钢筋应力逐渐减小，因此钢筋应力沿纵向的分布是不均匀的。钢筋应力沿纵向的分布是不均匀的。裂缝截面处钢筋应力最大，裂缝中间钢筋应力最小，其差值反映裂缝截面处钢筋应力最大，裂缝中间钢筋应力最小，其差值反映了了混凝土参与受拉工作混凝土参与受拉工作的大小。的大小。sssss

20、1钢筋应力不均匀系数钢筋应力不均匀系数 是反映是反映裂缝间混凝土参加受拉工作程裂缝间混凝土参加受拉工作程度的影响系数度的影响系数ss52MMc11 . 1sssss1式中，裂缝截面的钢筋应变式中，裂缝截面的钢筋应变 s与作与作用弯 矩用弯 矩M成正比； 而应 变差成正比； 而应 变差)(ss近似与开裂时钢筋应变的近似与开裂时钢筋应变的增量增量s成正比，成正比，s则取决于开裂则取决于开裂时截面受拉区混凝土退出拉力的大时截面受拉区混凝土退出拉力的大小小，也即与开裂时截面混凝土部分，也即与开裂时截面混凝土部分所承担的弯矩所承担的弯矩Mc成正比。所以，成正比。所以，sss/ )(与与MMc/成正比。因

21、成正比。因此，此， 可表示为可表示为MMc/的函数。的函数。 与与MMc/关系的试验结果为关系的试验结果为:s裂缝截面s平均应变sssMcrMyMs53当当 1.0时，取时，取 =1.0；对直接承受重复荷载作用的构件，取对直接承受重复荷载作用的构件，取 =1.0。54hfhbbbhMctkffc)(5 . 08 . 00hAMssssMMc11 . 1tesstkf65. 01 . 1近似取近似取 c/ =0.67，h/h0=1.1，ffstehbbbhA)(5 . 055 最大裂缝宽度最大裂缝宽度1、实测裂缝宽度实测裂缝宽度/ /平均裂缝宽度平均裂缝宽度= = 大量裂缝量测结果统计表明，大量

22、裂缝量测结果统计表明， 的概率密度分布基本为正态。的概率密度分布基本为正态。取超越概率为取超越概率为5%的最大裂缝宽度可由下式求得的最大裂缝宽度可由下式求得:)645. 11 (maxmww对受弯构件，试验统计得对受弯构件，试验统计得 =0.4，故取裂缝扩大系数，故取裂缝扩大系数 =1.66。对于轴心受拉和偏心受拉构件，由试验结果统计得最大裂缝对于轴心受拉和偏心受拉构件，由试验结果统计得最大裂缝宽度的扩大系数为宽度的扩大系数为 =1.9。变异系数变异系数56u 由于混凝土的由于混凝土的滑移徐变滑移徐变和和拉应力的松弛拉应力的松弛，会导致裂缝间混凝，会导致裂缝间混凝土不断退出受拉工作，钢筋平均应

23、变增大，使裂缝随时间推移土不断退出受拉工作，钢筋平均应变增大，使裂缝随时间推移逐渐增大。逐渐增大。u 混凝土的收缩混凝土的收缩也使裂缝间混凝土的长度缩短，也引起裂缝随也使裂缝间混凝土的长度缩短，也引起裂缝随时间推移不断增大。时间推移不断增大。u 荷载的变动，荷载的变动，环境温度环境温度的变化，都会使钢筋与混凝土之间的的变化，都会使钢筋与混凝土之间的粘结受到削弱，也将导致裂缝宽度不断增大。粘结受到削弱，也将导致裂缝宽度不断增大。u 根据长期观测结果，根据长期观测结果，长期荷载下裂缝的扩大系数长期荷载下裂缝的扩大系数为为 l =1.5。mssslmllEww85. 0max)08. 09 . 1

24、(maxtessscrdcEw2、长期荷载的影响长期荷载的影响57mssslmllEww85. 0max)08. 09 . 1 (maxtessscrdcEw轴心受拉构件轴心受拉构件 cr =1.51.90.851.1=2.7受弯构件受弯构件 cr =1.51.660.85=2.15811.2 11.2 受弯构件的形验算受弯构件的形验算A 受弯构件的变形验算受弯构件的变形验算 f f fEIMlEIqlf244853845均布：均布：EIMlEIPlf23121481集中：集中：钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁2lBMSf 5911.2 11.2 受弯构件的形验算受弯构件的形验算2lBMSfsss2l

25、BMSflll f601.3 1.3 设计步骤设计步骤五、设计成果五、设计成果二、确定结构方案二、确定结构方案三、结构布置和结构计算简图的确定三、结构布置和结构计算简图的确定四、结构分析和设计计算四、结构分析和设计计算一、一、准备工作准备工作61 1 1、了解工程背景、了解工程背景 2 2、掌握原始资料、掌握原始资料 3 3、收集设计参考资料、收集设计参考资料 4 4、制定工作计划、制定工作计划一、准备工作一、准备工作62 确定原则确定原则 内容：内容：1 1、上部主要承重结构方案、上部主要承重结构方案2 2、楼（屋）盖结构方案、楼（屋）盖结构方案3 3、基础方案、基础方案4 4、主要构造措施

26、及特殊部位的处理、主要构造措施及特殊部位的处理二、确定结构方案二、确定结构方案63 1 1、结构布置、结构布置（1 1）总体布置）总体布置（2 2）平面布置）平面布置（3 3）竖向布置）竖向布置（4 4）变形缝）变形缝 2 2、结构计算简图的确定、结构计算简图的确定主要构件尺寸的估计主要构件尺寸的估计三、结构布置和结构计算简图的确定三、结构布置和结构计算简图的确定64 1 1、作用的计算、作用的计算 2 2、内力计算、内力计算1 1）基本原则）基本原则2 2）分析方法）分析方法3 3）荷载效应组合）荷载效应组合4 4）构件截面设计）构件截面设计 3 3、构造设计、构造设计四、结构分析和设计计算

27、四、结构分析和设计计算651 1）基本原则）基本原则静力平衡条件静力平衡条件变形协调条件变形协调条件边界约束条件边界约束条件合理的本构关系合理的本构关系662 2）分析方法）分析方法( (适用范围适用范围) ) （1 1）线弹性分析方法）线弹性分析方法 （2 2）塑性内力重分布分析方法）塑性内力重分布分析方法 （3 3）塑性极限分析方法）塑性极限分析方法 （4 4）非线性分析方法）非线性分析方法 （5 5）试验分析方法）试验分析方法 （6 6）国内外常用有限元分析软件）国内外常用有限元分析软件 PKPMPKPM系列，系列，TBSATBSA，SAPSAP系列，系列，ANSYSANSYS，ADIN

28、AADINA67（1 1）线弹性分析方法）线弹性分析方法 内力和变形计算内力和变形计算 杆系混凝土结构的简化：杆系混凝土结构的简化：平面结构；平面结构；轴线取几何中心线；轴线取几何中心线；现浇刚接，非现浇铰接；现浇刚接，非现浇铰接；毛截面计算。毛截面计算。68（2 2）塑性内力重分布分析方法）塑性内力重分布分析方法 1 1、几个概念、几个概念 弹性弹性 塑性塑性 弯矩图弯矩图 弯矩包络图弯矩包络图 抵抗弯矩图抵抗弯矩图 塑性内力重分布塑性内力重分布 塑性应力重分布塑性应力重分布 2 2、弯矩调幅、弯矩调幅 为什么可以调幅为什么可以调幅 调幅的意义调幅的意义 如何调幅如何调幅 适用条件适用条件6

29、982043qlMMMBmaxMBMM70弯矩、剪力包络图弯矩、剪力包络图71抵抗弯矩图抵抗弯矩图72（3 3）塑性极限分析方法）塑性极限分析方法 周边嵌固、均布荷载的双向矩形板周边嵌固、均布荷载的双向矩形板塑性铰线法塑性铰线法条带法条带法 均布荷载的板柱体系均布荷载的板柱体系弯矩系数法弯矩系数法等代框架法等代框架法733 3）荷载效应组合）荷载效应组合编编号号杆杆件件截截面面1.2S1.2SGKGK+1.4S+1.4SQKQK1.2S1.2SGKGK+ + 1.4S1.4SWKWKM MmaxmaxM MminminVVmaxmaxM MmaxmaxM MminminVVmaxmax1梁梁A

30、BAB左左2中中3右右梁荷载效应组合表梁荷载效应组合表74梁荷载效应组合续表梁荷载效应组合续表编编号号杆杆件件截截面面1.2S1.2SGKGK+0.9+0.9（ 1.4S1.4SWKWK+1.4S+1.4SQKQK）1.35S1.35SGKGK+1.0+1.0（ S SWKWK+S+SQKQK）M MmaxmaxM MminminVVmaxmaxM MmaxmaxM MminminVVmaxmax1梁梁ABABA A2C C3B B75 1 1、结构方案设计说明书、结构方案设计说明书 2 2、结构设计计算书、结构设计计算书 3 3、结构设计图纸、结构设计图纸五、设计成果五、设计成果76施工图概

31、况施工图概况1 1、图纸目录、图纸目录设计单位设计单位建设单位建设单位工程编号工程编号工程名称工程名称77建建筑筑施施工工图图 01建筑设计说明、门窗表、材料作法表建筑设计说明、门窗表、材料作法表 03 04 05 07 06 02 08 09 10总平面图总平面图首层平面图首层平面图标准层平面图标准层平面图南、北立面图南、北立面图-剖面图剖面图东、西立面图东、西立面图屋顶平面图屋顶平面图楼梯详图楼梯详图外墙详图外墙详图78结结构构施施工工图图 01结构设计总说明结构设计总说明 03 04 05 07 06 02 08基础平面布置图、基基础平面布置图、基础详图、配筋图础详图、配筋图标准层结构平面图（板、标准层结构平面图（板、梁、柱、剪力墙）梁、柱、剪力墙）屋顶板配筋图屋顶板配筋图楼梯结构图楼梯结构图梁、柱、剪力墙节点详图梁、柱、剪力墙节点详图首层结构平面图首层结构平面图地下室结构平面图地下室结构平面图