混凝土结构设计原理绪论教学资料

1、1.1.3 1.1.3 混凝土结构的优缺点：混凝土结构的优缺点：优点优点 材料利用合理：钢筋和混凝土的材料强度可以得材料利用合理：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，单位应力价格低，对于一般工程结构，部稳定问题，单位应力价格低，对于一般工程结构，经济指标优于钢结构。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、箱尺寸，适用于各种形状复杂的结构，如空间薄壳、箱形结构等。形结构等。 耐久性和耐火性较好

2、，维护费用低：钢筋有混凝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，而增长；混凝土是不良热导体，30mm厚混凝土保护厚混凝土保护层层可耐火可耐火2小时小时，使钢筋不致因升温过快而丧失强度。，使钢筋不致因升温过快而丧失强度。第一章 绪论1.1 混凝土结构一般概念和特点 现浇混凝土结构的整体性好，且通过现浇混凝土结构的整体性好，且通过合适的配合适的配筋筋，可获得较好的延性，适用于抗震、抗爆结构；，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。同

3、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。刚度大、阻尼大，有利于结构的变形控制。 易于就地取材：混凝土所用的大量砂、石，易易于就地取材：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，改善混凝土的性工骨料，或作为水泥的外加成分，改善混凝土的性能。能。第一章 绪论1.1 混凝土结构一般概念和特点 缺点：缺点： 自重大：不适用于大跨、高层结构。自重大：不适用于大跨、高层结构。第一章 绪论1.1 混凝土结构一般概念和特点 抗裂性差：普通抗裂性差：普通RC结构，在正常

4、使用阶段往往带裂缝工作，结构，在正常使用阶段往往带裂缝工作，环境较差环境较差(露天、沿海、化学侵蚀露天、沿海、化学侵蚀)时会影响耐久性；也限制了时会影响耐久性；也限制了普通普通RC用于大跨结构，高强钢筋无法应用。用于大跨结构，高强钢筋无法应用。 承载力有限：在重载结构和高层建筑底部结构，构件尺寸太承载力有限：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。大，减小使用空间。 施工复杂，工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护），工期长，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。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

5、。混凝土结构一旦破坏，其修复、加固、补强比较困难。1.21.2混凝土结构的发展与应用概况混凝土结构的发展与应用概况v1824年英国人阿斯普丁年英国人阿斯普丁(J.Aspdin)发明硅酸盐水泥。发明硅酸盐水泥。v1849年法国人朗波年法国人朗波(L.Lambot)制造了第一只钢筋混制造了第一只钢筋混凝土小船。凝土小船。v 1872年在纽约建造第一所钢筋混凝土房屋。年在纽约建造第一所钢筋混凝土房屋。v混凝土结构的开始应用于土木工程距今仅混凝土结构的开始应用于土木工程距今仅150多年。多年。v与砖石结构、钢、木结构相比，混凝土结构的历史与砖石结构、钢、木结构相比，混凝土结构的历史并不长，但发展非常迅

6、速，是目前土木工程结构中应并不长，但发展非常迅速，是目前土木工程结构中应用最为广泛结构，而且用最为广泛结构，而且高性能混凝土高性能混凝土和和新型混凝土结新型混凝土结构构形式还在不断发展。形式还在不断发展。第一章 绪论1.2 混凝土结构的发展简况及其应用第一阶段：第一阶段：从钢筋混凝土的发明至上世纪初。从钢筋混凝土的发明至上世纪初。钢筋和混凝土的强度都比较低。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、拱和基础等主要用于建造中小型楼板、梁、柱、拱和基础等构件。构件。计算理论：计算理论：结构内力和构件截面计算均套用弹性结构内力和构件截面计算均套用弹性理论，采用容许应力设计方法。理论

7、，采用容许应力设计方法。第一章 绪论1.2 混凝土结构的发展简况及其应用混凝土结构的发展第一章 绪论1.2 混凝土结构的发展简况及其应用第二阶段：第二阶段：从上世纪从上世纪2020年代到第二次世界大战前后。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。混凝土和钢筋强度的不断提高。19281928年法国杰出的土木工程师年法国杰出的土木工程师E.FreyssnetE.Freyssnet发明了预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应力混凝土，使得混凝土结构可以用来建造大跨度计算理论：计算理论：前苏联著名的混凝土结构专家格沃兹捷前苏联著名的混凝土结构专家格沃兹捷夫（夫（.）开始

8、考虑混凝土塑性）开始考虑混凝土塑性性能的破损阶段设计法，性能的破损阶段设计法，5050年代又提出更为合理的年代又提出更为合理的极限状态设计法，奠定了现代钢筋混凝土结构的基极限状态设计法，奠定了现代钢筋混凝土结构的基本计算理论。本计算理论。第一章 绪论1.2 混凝土结构的发展简况及其应用第三阶段：第三阶段：二战以后到现在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。凝土等工业化生产技术。高强混凝土和高强钢筋的发展、计算机的采用和先高

9、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、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，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。成为现代土木工程的标志。设计计算理论：设计计算理论：发展了以概率理论为基础的极限状发展了以概率理论为基础的极限状态设计法，基础理论问题大都得到解决，而新型混态设计法，基础理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。课题，并不断促进混凝土结构的

10、发展。第一章 绪论1.3结构的功能和极限状态结构的功能结构的功能安全性安全性 如（如（MMu） 结构在预定的使用期间内（结构在预定的使用期间内（一般为一般为50年年），应能承受在），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。收缩变形受到约束时）等的作用。 在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而

11、造成生命财能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。产的严重损失。1.3 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第一章 绪论1.3结构的功能和极限状态适用性适用性 如（如（f f ） 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。耐久性耐久性 如（如（wmax wmax） 结构在正常使用和正常维护条件下，应

12、具有足够的耐久性。结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀混凝土碳化、钢筋锈蚀），），结构的结构的承载力和刚度承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。第一章 绪论1.3结构的功能和极限状态结构的功能要求结构的功能要求 1.结构的安全等级结构的安全等级 安全等级破坏后的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物第一章 绪论1.3结构的功能

13、和极限状态2.结构的设计使用年限结构的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构件不需要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要进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。设计年限可按设计年限可按建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准确定，也可确定，也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。一般建筑结构的设经过主管部门的批准按业主的要求确定。一般建筑结构的设计使用年限为计使用年限为50年。年。注意：注意：区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。第一章 绪论1.3.3 1.3

14、.3 结构功能的极限状态结构功能的极限状态结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态称为的临界工作状态称为“极限极限状态状态”表4.1 钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念结构的功能可靠极限状态失效安全性受弯承载力M Mu适用性挠度变形f f耐久性裂缝宽度wmax wmax1.3结构的功能和极限状态第一章 绪论承载力能力极限状态承载力能力极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安

15、全性功能要求超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构或构件达到最大承载力（包括疲劳） 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移） 结构塑性变形过大而不适于继续使用结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰） 结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）1.3结构的功能和极限状态第一章 绪论正常使用极限状态正常使用极限状态 超过该极限状态，结构

16、就不能满足预定的适用性和耐久性超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。的功能要求。 过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；正常使用（吊车）等）； 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； 过大的振动（不舒适）；过大的振动（不舒适）； 其他正常使用要求。其他正常使用要求。1.3结构的功能和极限状态第一章 绪论1.3结构的功能和极限状态结构的可靠性结构的可靠性 可靠性可靠性安全性、适用性和耐久性的总称安全性、适用性和耐久性的总称就是指结构在规定的使用期限

17、内（设计工作寿命就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），年），在规定的条件下（在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护正常设计、正常施工、正常使用和维护），），完成预定结构功能的能力。完成预定结构功能的能力。结构可靠性越高，建设造价投资越大。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方，就是设计方法要解决的问题。法要解决的问题。第一章 绪论1.3结构的功能和极限状态显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。经济实力

18、、设计工作寿命、维护和修复等。规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。家法律。设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。靠度。经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用虑维修，损失及修复的费用第一章 绪论极限状态方程极限状态方程S R 失效失效结构力学的主要内容结构力学的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容1.3结构

19、的功能和极限状态第一章 绪论1.3结构的功能和极限状态结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：Z=R-S对应的：对应的：Z=R-S0 时，时，结构处于可靠状态；结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，时，结构达到极限状态；结构达到极限状态；Z=R-S0时，时，结构处于失效（破坏）状态。结构处于失效（破坏）状态。在结构设计中，不仅仅只考虑结构的承载能力，有时还要考在结构设计中，不仅仅只考虑结构的承载能力，有时还要考虑结构的适用性和耐久性，则极限状态方程可推广为：虑结构的适用性和耐久性，则极限状态方程可推广为：),(21nxxxgZ第一章 绪论正常使用极限状

20、态正常使用极限状态，可靠度要求可适当降低，所有分项系，可靠度要求可适当降低，所有分项系数取数取1.01.3.4 1.3.4 荷载和材料强度荷载和材料强度1.3结构的功能和极限状态第一章 绪论材料强度设计值材料强度设计值RRB400(20MnSi)cckcffsykyff表 4.2 混凝土强度设计值（N/mm2）混 凝 土 强 度 等 级强度种类符号C15C20C25C30C35C40轴心抗压强度fc7.29.611.914.316.719.1轴心抗拉强度ft0.911.101.271.431.571.71混 凝 土 强 度 等 级C45C50C55C60C65C70C75C8021.223.125.327.529.731.833.835.91.801.891.962.042.092.142.182.22表 4.3 普通钢筋强度设计值（N/mm2）种 类符号