混凝土结构设计原理第一章

1、土土 木木 工工 程程 结结 构构 江苏大学土木工程与力学学院江苏大学土木工程与力学学院刘洋刘洋1.混凝土结构基本原混凝土结构基本原理理本课程主要学习内容本课程主要学习内容2.混凝土结构基本设计混凝土结构基本设计钢筋混凝土材料的力学性能钢筋混凝土材料的力学性能 混凝土结构基本设计原则混凝土结构基本设计原则 基本构件承载力及变形计算基本构件承载力及变形计算 梁板结构梁板结构 单层工业厂房单层工业厂房 多高层混凝土结构多高层混凝土结构 参参 考考 书书 目目1混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范 GB500102010；2 顾祥林编顾祥林编.混凝土结构基本原理（第混凝土结构基本原理（第2版）版）.

2、同济同济大学出版社大学出版社.第一章第一章 绪绪 论论学习目标学习目标掌握混凝土结构的一般概念及特点；掌握混凝土结构的一般概念及特点；了解混凝土结构的发展与应用概况；了解混凝土结构的发展与应用概况；了解本课程的主要内容、要求和学习方法。了解本课程的主要内容、要求和学习方法。本章主要内容本章主要内容混凝土结构的一般概念和特点混凝土结构的一般概念和特点混凝土结构的发展简况及其应用混凝土结构的发展简况及其应用课程的主要内容、特点及学习方法课程的主要内容、特点及学习方法 以以混凝土混凝土材料为主，并根据需要配置钢筋、钢骨、钢管材料为主，并根据需要配置钢筋、钢骨、钢管或纤维等形成的主要承重结构，均可称为

3、或纤维等形成的主要承重结构，均可称为混凝土结构混凝土结构。1.1.1 1.1.1 混凝土结构的混凝土结构的概念概念和特点和特点素混凝土素混凝土Plain Concrete纤维增强混凝土纤维增强混凝土Fiber Reinforced Concrete钢骨混凝土钢骨混凝土Steel Reinforced Concrete钢筋混凝土钢筋混凝土Reinforced Concrete钢管混凝土钢管混凝土Concrete Filled Steel Tube预应力混凝土预应力混凝土Prestressed Concrete钢混凝土组合结构钢混凝土组合结构Composite Structure第一章 绪论1.1

4、 混凝土结构一般概念和特点（Plain Concrete)钢筋混凝土梁第一章 绪论1.1 混凝土结构一般概念和特点钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构（Reinforced Concrete)1、混凝土的主要力学性能、混凝土的主要力学性能（1）抗压强度较高，而抗拉强度却很低）抗压强度较高，而抗拉强度却很低 (只有抗压强度的只有抗压强度的1/8-1/201/8-1/20)。（2）破坏时具有明显的）破坏时具有明显的脆性性质脆性性质。第一章 绪论1.1 混凝土结构一般概念和特点1.1.21.1.2、配筋的作用与要求、配筋的作用与要求一、为什么想将钢筋与混凝土组合起来使用？一、为什么想将钢筋与混凝土组合起来使

5、用？ 主要由两者的主要由两者的力学性能力学性能和和经济性经济性决定的决定的Pcr = 9.7kN150300fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2 fts sc= ft2500Pu Pcrs sc= ft ft破坏时跨中截面破坏时跨中截面受压边缘的压应力受压边缘的压应力与抗拉强度相近，与抗拉强度相近，远未达到远未达到混凝土的抗压强度混凝土的抗压强度，破坏表现为，破坏表现为脆性断裂脆性断裂，无明显预兆。，无明显预兆。第一章 绪论1.1 混凝土结构一般概念和特点 （1）抗拉和抗压强度都很高。抗拉和抗压强度都很高。 （2）延性好延性好：多数钢材具有多数钢材具有屈服屈服现象，破坏时表现现象，

6、破坏时表现出较好的出较好的延性延性。 （3）易于压曲失稳易于压曲失稳：细长的钢筋受压时极易压曲，细长的钢筋受压时极易压曲，仅能作为受拉构件。仅能作为受拉构件。 （4）耐久性和耐火性差。耐久性和耐火性差。因此，因此，将将混凝土混凝土和和钢材钢材这两种材料有机地这两种材料有机地结合结合在一起在一起，可以取长补短，充分利用材料的性能，可以取长补短，充分利用材料的性能第一章 绪论1.1 混凝土结构一般概念和特点3、钢材钢材的主要性能的主要性能Pcr = 9.7kNfc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2fy=335N/mm2 fts sc= ft1503002500Pu 52.5kNs sc=

7、 ft ft s ss s sc2f16 fy配置钢筋后：配置钢筋后： RC梁梁的的（)比比，钢筋的钢筋的均得到充分利用，均得到充分利用，破坏过程有破坏过程有。Py 50.0kN第一章 绪论 fc将将混凝土混凝土和和钢筋钢筋这两种材料有机地结合在一这两种材料有机地结合在一起，可以取长补短，充分发挥各自的材料性能起，可以取长补短，充分发挥各自的材料性能。除在构件的受拉区配置钢筋外除在构件的受拉区配置钢筋外在构件的在构件的受压区受压区也可配置钢筋，来协助混凝土承受压力。也可配置钢筋，来协助混凝土承受压力。 当构件所受压力很大时，可直接配置当构件所受压力很大时，可直接配置钢骨钢骨混凝土混凝土钢骨混凝

8、土柱核心混凝土核心混凝土三向受压三向受压 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，甚至直接采用接采用钢管钢管来约束混凝土来约束混凝土钢管混凝土钢管混凝土Concrete filled Steel Tube 配置预应力筋，形成预应力混凝土构件或结构配置预应力筋，形成预应力混凝土构件或结构张拉钢筋张拉钢筋砼成型及养护砼成型及养护（1 1）钢筋和混凝土之间存在钢筋和混凝土之间存在良好的粘结力良好的粘结力； 保证在保证在荷载作用荷载作用下两种材料协调变形，共同受力；下两种材料协调变形，共同受力；（2 2）钢材与混凝土具有钢材与混凝土具有基本相同的温

9、度线膨胀系数基本相同的温度线膨胀系数 （钢材为钢材为1.210-5/oC，混凝土为，混凝土为1.01.510-5 /oC ）；）； 保证保证温度变化温度变化时，两种材料不会产生时，两种材料不会产生过大的变形差过大的变形差 而导致两者间的粘结力破坏。而导致两者间的粘结力破坏。（3 3）混凝土的混凝土的碱性碱性环境环境. .呈碱性的混凝土可以保护钢呈碱性的混凝土可以保护钢 筋，使钢筋混凝土结构具有较好的耐久性筋，使钢筋混凝土结构具有较好的耐久性. .第一章 绪论 适用于适用于抗震抗震、抗爆抗爆结构等；结构等；第一章 绪论第一章 绪论1.1 混凝土结构一般概念和特点 不适用于大跨、高层结构。不适用于

10、大跨、高层结构。 轻质、高强和预应力。轻质、高强和预应力。普通普通RC结构，在结构，在正常使用阶段正常使用阶段往往往往带裂缝带裂缝工作。工作。 预应力混凝土。预应力混凝土。第一章 绪论1.1 混凝土结构一般概念和特点 往往导致受力构件的截面尺寸较大。往往导致受力构件的截面尺寸较大。第一章 绪论1.1 混凝土结构一般概念和特点 施工复杂，工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护），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。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、补强比较混凝土结构一旦破坏，其修复、加固、补强比较 困难。困难。182

11、4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。 1849年法国人朗波年法国人朗波(L.Lambot)制造了第一只钢筋制造了第一只钢筋 混凝土小船混凝土小船。 1872年在纽约年在纽约建造第一所钢筋混凝土房屋建造第一所钢筋混凝土房屋。第一章 绪论混凝土结构的混凝土结构的开始应用开始应用于土木工程于土木工程距今仅距今仅150多年多年。与砖石结构、钢木结构相比，混凝土结构的历史并与砖石结构、钢木结构相比，混凝土结构的历史并 不长，但发展非常迅速，目前不长，但发展非常迅速，目前混凝土结构混凝土结构已成为土已成为土 木工程中木工程中最主要的结构最主要的结构。第一阶段

12、：第一阶段：从钢筋混凝土从钢筋混凝土发明到发明到2020世纪初。世纪初。材料：材料：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（C20）。计算理论：计算理论：容许应力设计方法容许应力设计方法。应用：应用：主要用于建造主要用于建造中小型中小型楼板、梁、柱、拱和楼板、梁、柱、拱和 基础等基础等构件构件。第一章 绪论1.2 混凝土结构的发展简况及其应用第一章 绪论材料：材料：混凝土、钢筋混凝土、钢筋强度强度不断不断提高提高。计算理论：计算理论：破损阶段设计法破损阶段设计法 极限状态设计法极限状态设计法（定值法）。（定值法）。第二阶段：第二阶段：从从上世纪上世纪2020年代年代到到 第二次

13、世界大战第二次世界大战前后前后应用：应用：已应用于已应用于简单的结构简单的结构中，特别是中，特别是19281928年法国年法国 土木工程师弗雷西奈（土木工程师弗雷西奈（E.FreyssnetE.Freyssnet）发明了）发明了 预应力混凝土预应力混凝土，使得，使得混凝土结构混凝土结构可以用来建造可以用来建造 大跨度结构大跨度结构。第一章 绪论材料：材料：强度继续提高。强度继续提高。 尤其是尤其是高强、高性能混凝土和高强钢筋高强、高性能混凝土和高强钢筋的发展，的发展， 泵送商品混凝土技术的发展等。泵送商品混凝土技术的发展等。 目前国内常用的砼强度等级为目前国内常用的砼强度等级为C25 C45。

14、第三阶段：第三阶段：二战以后到现在二战以后到现在设计计算理论：设计计算理论：以概率理论为基础的极限状态设计法以概率理论为基础的极限状态设计法。 计算机技术推进了设计理论的发展。计算机技术推进了设计理论的发展。应用：应用：建造了一大批建造了一大批超高层建筑、大跨度桥梁、超高层建筑、大跨度桥梁、 特长跨海隧道、高耸结构特长跨海隧道、高耸结构等大型工程。等大型工程。第一章 绪论台北台北101101层层, 508m金茂大厦金茂大厦88层层, 421m房屋工程迪迪拜拜大大厦厦高约高约900米米 第一章 绪论第一章 绪论1.2 混凝土结构的发展简况及其应用交通工程第一章 绪论1.2 混凝土结构的发展简况及

15、其应用重庆市万县长江大桥重庆市万县长江大桥第一章 绪论1.2 混凝土结构的发展简况及其应用上海莘庄大型立交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。特种工程核电站的安全壳、热电厂的冷却塔、储水池、储气灌、海洋石油平台、电视塔等.第一章 绪论水利及其它工程 高高181米，坝底宽米，坝底宽121米，坝长米，坝长2309米，是我国最大的混凝土大坝。米，是我国最大的混凝土大坝。三峡大坝三峡大坝第一章 绪论n自重大自重大n抗裂性差抗裂性差 n承载力较低承载力较低 n施工较复杂施工较复杂 n修复、加固难

16、修复、加固难混凝土结构的混凝土结构的发展取决于发展取决于混凝土混凝土材料的发展材料的发展轻质混凝土轻质混凝土纤维混凝土纤维混凝土高性能混凝土高性能混凝土自密实混凝土自密实混凝土碳纤维加固碳纤维加固高性能、高功能高性能、高功能和和智能化智能化是是21世纪混凝土科技的主要发展趋势世纪混凝土科技的主要发展趋势轻集（骨）料混凝土主要为解决混凝土自重大的缺陷，采用轻集（骨）料混凝土主要为解决混凝土自重大的缺陷，采用浮石、陶粒、膨胀珍珠岩等轻骨料或工业废渣为原料，减少浮石、陶粒、膨胀珍珠岩等轻骨料或工业废渣为原料，减少了混凝土结构的自重。了混凝土结构的自重。目前世界上最高的轻骨料混凝土目前世界上最高的轻骨

17、料混凝土高层建筑为美国的高层建筑为美国的休斯敦贝壳广休斯敦贝壳广场大厦场大厦，共，共52层，高层，高215米米。高性能混凝土包括高性能混凝土包括高强度高强度、高耐久性高耐久性和和高工作性高工作性三个要素三个要素林立岩林立岩设计大师与沈阳北方建筑材料试验有限责任公司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成功地在沈阳皇朝万鑫大厦沈阳皇朝万鑫大厦工程中应用了工程中应用了C100级高性能级高性能泵送混凝土。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

18、+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2005.47119.15宏发国际名城宏发国际名城10.5-2+12华兴华兴2005.9116.936活性粉末混凝土活性粉末混凝土 Reactive Powder Concrete, RPC 抗压强度可达抗压强度可达200MPa、500MPa和和800MPa 采用粒径小于采用粒径小于1mm的细石英砂为粗骨料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在成型过程中施加压力、热水养护或蒸压养护 掺入细而短的钢纤维，抗折强度可达掺入细而短的钢纤维，

19、抗折强度可达50MPa。法国法国Bouygues公司公司1993年研究成功年研究成功1994加拿大魁北克省加拿大魁北克省70米跨的米跨的 Sherbrooke 人行混凝土桁架桥人行混凝土桁架桥上首次应用上首次应用RPC混凝土，全部构件在现场组装。混凝土，全部构件在现场组装。提高结构的耐久性提高结构的耐久性刻不容缓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年美国土木工程学会报告，美国现有年美国土木工程学会报告，美国现有29%以上桥梁和以上桥梁和1/3以以上的道路老化，有上的道路老化，有2100座水坝不安全，估计需有座水坝不安全，估计需有1.3万亿美元

20、万亿美元改改善其安全状态。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，约占发达国家土建设施耐久性问题造成的年损失，约占GDP的的1.52%，其中主要是，其中主要是混凝土结构的耐久性破坏混凝土结构的耐久性破坏。我国也将面临着我国也将面临着混凝土结构的大范围维修混凝土结构的大范围维修自密实混凝土自密实混凝土 混凝土拌合物具有良好的工作性，即使在密集混凝土拌合物具有良好的工作性，即使在密集配筋条件下，配筋条件下，仅依靠混凝土自重作用仅依靠混凝土自重作用，无需振捣便能均匀密实，无需振捣便能均匀密实成

21、型的高性能混凝土。成型的高性能混凝土。自密实混凝土自密实混凝土在深圳市在深圳市赛格赛格广场广场钢管混凝钢管混凝土柱中的应用土柱中的应用碳纤维碳纤维（Carbon Fiber）抗拉强度是普通钢筋的抗拉强度是普通钢筋的10倍倍左右，而左右，而且具有很好的耐久性，目前主要用于结构的加固工程。且具有很好的耐久性，目前主要用于结构的加固工程。据日本建设省统计，早在据日本建设省统计，早在1995年全日本废弃混凝土再资源化率年全日本废弃混凝土再资源化率已达到已达到65，2000年则高达年则高达96，欧盟也计划在，欧盟也计划在2010年实现建年实现建筑垃圾再循环率达到筑垃圾再循环率达到90 以上。以上。再生混

22、凝土再生混凝土智能混凝土智能混凝土绿化混凝土绿化混凝土受弯构件受弯构件受压构件受压构件受扭构件受扭构件受拉构件受拉构件受弯构件受弯构件受压构件受压构件第一章 绪论研究研究四种构件四种构件在在两种极限状态两种极限状态下的受力性能、设计计下的受力性能、设计计算方法及构造措施。算方法及构造措施。四种基本构件四种基本构件承载能力极限状态承载能力极限状态（安全性）（安全性）正常使用极限状态正常使用极限状态（适用性、耐久性）（适用性、耐久性）SR第一章 绪论设计方法设计方法材性材性第一章 绪论是以实验研究为基础，提出假定、是以实验研究为基础，提出假定、 进行简化、建立实用的设计计算方法和公式，进行简化、建

23、立实用的设计计算方法和公式， 用于解决工程实际问题。用于解决工程实际问题。，即概念多、公式多、系数多、，即概念多、公式多、系数多、 符号多、构造规定多、教学环节多，文字叙述多。符号多、构造规定多、教学环节多，文字叙述多。 问题的复杂性问题的复杂性问题的综合性问题的综合性基本理论基本理论工程应用工程应用受力性能受力性能理论分析理论分析构件设计构件设计结构设计结构设计问题不是单一的问题不是单一的解答是不唯一的解答是不唯一的材料的力学性能材料的力学性能两种材料的配比两种材料的配比两种材料的共同工作两种材料的共同工作第一章 绪论第一章 绪论由由钢筋钢筋和和混凝土混凝土两种力学性能两种力学性能不同且复杂

24、不同且复杂的材料组成，的材料组成，所以所以钢筋混凝土钢筋混凝土的力学性能十分复杂。的力学性能十分复杂。因此，其受力性能、设计计算方法及配筋构造不可能因此，其受力性能、设计计算方法及配筋构造不可能用用力学方法力学方法推出，推出，必须建立在必须建立在实验研究实验研究的基础上。的基础上。1.3 课程的主要内容、特点和学习方法第一章 绪论1.3 课程的主要内容、特点和学习方法设计过程包括设计过程包括结构选型、构件布置、内力分析、结构选型、构件布置、内力分析、配筋配筋计算计算、配筋构造配筋构造、绘制施工图、绘制施工图等。等。设计中设计中许多数据许多数据可能有多种选择，因此设计结果不是可能有多种选择，因此

25、设计结果不是唯一的。唯一的。最终的设计结果应是最终的设计结果应是安全适用安全适用和和经济合理经济合理的。的。第一章 绪论设计规范是具有约束性和立法设计规范是具有约束性和立法性的文件，其目的是使工程结构设计既性的文件，其目的是使工程结构设计既安全适用安全适用又又经经济合理济合理。 建工建工GB50010-2010GB50010-2010、公路公路JTG D62-2004 JTG D62-2004 、水工水工SL/T191-96SL/T191-96、港工、港工JTJ267-98JTJ267-98、铁、铁路路TB10002.3-TB10002.3-）。本课程以基本理论为主，并本课程以基本理论为主，并

26、结合主要用于建筑结构的结合主要用于建筑结构的混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范GB50010-2010GB50010-2010第一章 绪论一方面设计应遵循规范，一方面设计应遵循规范，另一方面只有深刻地理解规范，才能发挥设计者的另一方面只有深刻地理解规范，才能发挥设计者的主主动性动性和和创造性创造性。本学科还在不断地发展和更新，因此设计工作也不应本学科还在不断地发展和更新，因此设计工作也不应被规范束缚，在经过各方面的可靠性论证后，应积极被规范束缚，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。采用先进的理论和技术。规范一般十年左右修订一次规范一般十年左右修订一次，就是为了反映学科最新，就是为了反映学科最新的发展成果。的发展成果。（1 1）实验研究；实验研究；（2 2）简化（基本假定）；简化（基本假定）； （3 3）建立计算公式和公式条件；建立计算公式和公式条件；（4 4）设计计算（截面复核和截面设计）；设计计算（截面复核和截面设计）；（5 5）构造措施。构造措施。美国美国ACI混凝土结构设计规范的第一章、第一句话，混凝土结构设计规范的第一章、第一句话