绪论(混凝土结构设计原理)

混凝土结构设计原理DesignPrincipleforConcreteStructures

主讲：合肥工业大学交通运输工程学院SchoolofCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology董满生副教授孙志彬博士李淑琴博士后2023/1/2611.1

混凝土结构的概念和特点Introduction1.2混凝土结构的应用与发展1.3学习内容、目的及方法1.4本课程考核方式2023/1/262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（ConcreteStructures）。1.1混凝土结构的概念和特点素混凝土PlainConcrete纤维增强混凝土FiberReinforcedConcrete钢骨混凝土SteelReinforcedConcrete钢筋混凝土ReinforcedConcrete钢管混凝土ConcreteFilledSteelTube预应力混凝土PrestressedConcrete钢－混凝土组合结构CompositeStructure2023/1/263混凝土结构的特点素混凝土梁L=1500mm120200C20P钢筋混凝土梁L=1500mm1202002f14C20PP=4.4kNP=62.5kN由上述对比试验可知：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。2023/1/264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1/8~1/20破坏时具有明显的脆性特征混凝土的材料特性2023/1/265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钢筋的材料特性2023/1/266将混凝土和钢筋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。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2023/1/267V+_PabcdPPPPPMbacd

bc段称为纯弯段，ab、cd段称为弯剪段在复杂应力区域配置钢筋2023/1/268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

SteelReinforcedConcrete(SRC)2023/1/269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

ConcretefilledSteelTube2023/1/2610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2023/1/2611钢筋和混凝土共同工作的基础：两者之间有良好的粘结力，可以保证两者协同工作温度线膨胀系数相近，因此当温度变化时两者之间不会产生过大的变形差（钢材为1.2×10-5，混凝土为1.0~1.5×10-5）本课程主要研究钢筋混凝土基本构件和基本原理，不同的结构和构件中，钢筋位置和形式并不相同，可见钢筋和混凝土不是随意结合的，而应根据构件的受力特点布置钢筋。2023/1/26121.2混凝土结构的应用与发展

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年在纽约建造了第一所钢筋混凝土房屋混凝土结构开始应用距今仅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，目前已成为大量土木工程中主要采用的结构形式，而且高性能混凝土和新型钢－混凝土组合结构还在不断发展。钢筋混凝土结构的优点

材料利用合理钢筋与混凝土的材料强度可充分发挥；

可模性好适用于各种复杂的结构形式；

耐久和耐火性好维护费用低；

结构整体性好有利于结构的抗震、抗爆；

刚度、阻尼大有利于结构的变形控制；

材料易获得混凝土材料可就地取材，还可利用工业废料作为其原材料，进而保护环境。2023/1/2613台北101大厦（508米）2023/1/2614吉隆坡国家石油双子星座大厦（452米）2023/1/2615多伦多电视塔（549米）预应力混凝土结构2023/1/2616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。2023/1/2617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335.3m；核心筒四周为八根SRC大柱，截面由1.5m×5m逐渐收至1m×3.5m，以适应逐渐收进的外形。2023/1/2618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）2023/1/2619钢筋混凝土结构的缺点自重大不适于发展高层和大跨结构；？钢材和混凝土同时承受100吨的压力抗压强度：混凝土30MPa

钢材235MPa

容重25kN/m3

容重

78kN/m3

0.837kN

0.33kN18365承载力较低往往导致受力构件的截面尺寸较大；抗裂性差对防渗防漏的结构不利，还会影响结构的耐久性；施工较复杂工期长，受季节影响；修复、加固难混凝土产生裂缝或被压碎后修复困难；早期容易开裂高性能混凝土水胶比较小，早期收缩大。2023/1/2620自重大抗裂性差

承载力较低

施工较复杂

修复、加固难混凝土结构的发展取决于混凝土材料的发展轻质混凝土纤维混凝土高性能混凝土自密实混凝土碳纤维加固高性能、高功能和智能化是21世纪混凝土科技的主要发展趋势2023/1/2621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。2023/1/26222023/1/2623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。序号工程名称建筑面积(万m2)应用部位(层)混凝土供应方施工年月强度平均值(MPa)1远吉大厦2.4-2～+5华兴2003.4116.32贵和大厦2.11～3泰丰2004.3114.53皇朝万鑫大厦20-2～+8汉拿2005.4～7119.14东北大学科技综合楼3.81～3健富2005.9正在施工5宏发国际名城10.5-2～+12华兴2005.9116.92023/1/26242023/1/2625活性粉末混凝土ReactivePowderConcrete,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而短的钢纤维，抗折强度可达50MPa。法国Bouygues公司1993年研究成功2023/1/26261994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。2023/1/262730mm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2023/1/2628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2023/1/2629提高结构的耐久性刻不容缓2023/1/2630宁波北仑港码头混凝土梁（建成后11年）2023/1/26311998年美国土木工程学会报告，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1.5~2%，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2023/1/2632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2023/1/2633湘雅医院内科楼的加固工程2023/1/2634碳纤维（CarbonFiber）抗拉强度是普通钢筋的10倍左右，而且具有很好的耐久性，目前主要用于结构的加固工程。2023/1/26352023/1/26362023/1/2637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2023/1/2638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2023/1/26391.3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2023/1/2640学习目的本课程的学习目的：学会解决工程中的问题：尤其是工程综合问题学会分析工程中的问题：学会工程结构设计方法：钢筋混凝土构件和结构学会发现工程中的问题：创新和发展学会研究工程中的问题：理论研究2023/1/2641基本理论工程应用问题的复杂