混凝土结构设计课件第1章概论

混凝土结构和砌体结构西安建筑科技大学土木工程学院史庆轩2007年3月2021/10/10星期日1混凝土结构和砌体结构使用教材：梁兴文、史庆轩编著《混凝土结构设计》科学出版社，2004年许淑芳、熊仲明编著《砌体结构》科学出版社，2004年授课对象：土木工程专业本科生授课形式：采用多媒体电子课件（自编），辅以传统教学方式；尽可能多地采用课堂互动式教学手段，共同探索和学习。2021/10/10星期日2课程说明课程性质：1.《混凝土结构》（含《混凝土结构设计原理》和《混凝土结构设计》）和《砌体结构》是土木工程专业最主要的一门专业基础课之一；2.是一门关键的主干课程；3.是报考结构工程、防灾减灾及防护工程等专业硕士研究生的考试课程；4.该课程的实践性强（后续包含2个课程设计），实用性强，与毕业设计有着很大的联系；5.是今后报考“注册结构工程师”的一门难度较大的科目。

2021/10/10星期日3已学习了《混凝土结构设计原理》，有什么体会和问题？本学期：存在的困难和问题：学时少，内容多，实践性强，要求高。对学生的要求：积极配合教师上好每一节课，认真听讲，积极思考，积极参与交互式教学活动中，认真完成课后作业。多给教师提宝贵意见和建议。2021/10/10星期日4章节内容第1章概论第2章楼盖和楼梯第3章单层厂房结构第4章框架结构第5章砌体结构（含材料、原理、构件、结构）2021/10/10星期日5第1章概论1.1建筑结构的概念及其基本形式1.定义工程结构——用各种材料（砖、石、混凝土、钢材和木材等）建造的建筑物或构筑物的受力骨架体系。建筑结构——房屋建筑的空间受力骨架体系。

2021/10/10星期日62.结构的作用

抵抗和承担各种自然的和人为的作用力，以为人类生活和生产服务。2021/10/10星期日72021/10/10星期日83.工程结构分类按使用功能按用途按体型和高度按材料按结构型式建筑结构工业厂房结构单层结构（单厂、单层空旷等）混凝土结构墙体结构桥梁结构民用建筑结构多层结构（2-9层）钢结构框架结构岩土工程结构

高层结构（>10层）砌体结构筒体结构水工结构

大跨结构（>40~50m）木结构拱结构特种结构

薄膜充气结构网架结构

空间薄壁结构2021/10/10星期日94.结构的组成（1）形成跨度的构件与结构——水平体系建筑物内部要形成必要的使用空间，跨度是必不可少的尺度要求。常见的跨度构件是梁。板是梁水平侧向尺度的变异性构件，其原理、作用与梁基本相同。（2）垂直传力的构件与结构——竖向体系跨度构件的两端的支座反力，需要有其他的构件承担并传递至地面，这就是垂直传力构件或结构。常见的垂直传力构件或结构是柱。墙是柱水平侧向尺度的变异性构件，其原理、作用与柱基本相同，但是具有较大侧向刚度。2021/10/10星期日10对于一些特殊结构，不能够简单的将其分解成为跨度构件与垂直构件，可能是由整体结构形成的，如拱、壳。（3）基础——基础体系基础是将建筑物上部的各种荷载与作用传递至地面的重要部分。基础要承担垂直力、水平侧向力、弯曲作用等复杂的作用。并不是建筑物地面以下的部分都是基础。2021/10/10星期日11结构的三个基本分体系

水平体系、竖向体系和基础体系2021/10/10星期日122021/10/10星期日131.2混凝土建筑结构的形式混凝土结构：——主要以混凝土材料，并根据需要配置钢筋、预应力筋、钢骨、钢管等，作为主要承重材料的结构，均可称为混凝土结构。混凝土结构主要包括：(1)素混凝土结构（PlainConcrete)(2)钢筋混凝土结构（ReinforcedConcreteStructure)(3)预应力混凝土结构（Pre-stressedConcreteStructure)(4)钢骨混凝土结构（SteelReinforcedConcrete)(5)钢管混凝土结构（ConcreteFilledTube)(6)FRP混凝土（FiberReinforcedPolymer(Plastic)Concrete)(7)钢-混凝土组合（混合）结构(CompositeStructureorHybridStructure)2021/10/10星期日142021/10/10星期日152021/10/10星期日16混凝土结构的发展简况及其应用

——1824年英国约瑟夫·阿斯匹丁(J.Aspdin)发明了波特兰水泥并取得了专利；——1850年，法国朗波（L.Lambot）制成了铁丝网水泥砂浆的小船；——1861年法国约瑟夫·莫尼埃（JosephMomier）获得了制造钢筋混凝土板、管道和拱桥等的专利。——德国学者1866年发表了计算理论和计算方法，1887年又发表了试验结果，并提出了钢筋应配置在受拉区的概念和板的计算方法。在此之后，钢筋混凝土的推广应用才有了较快的发展。——1891年－1894年，欧洲各国的研究者发表了一些理论和试验研究结果。但是在1850－1900年的整整50年内，由于工程师们将钢筋混凝土的施工和设计方法视为商业机密，公开发表的研究成果不多。2021/10/10星期日17——美国学者1850年进行了RC梁的试验，但其研究成果直到年才1877发表并为人所知。19世纪70年代有学者曾使用过某些形式的钢筋混凝土，并且于1884年第一次使用变形（扭转）钢筋并形成专利。1890年在旧金山建造了一幢两层高、321英尺（95m）长的钢筋混凝土美术馆。从此以后，钢筋混凝土在美国获得了迅速的发展。——混凝土结构开始应用于土木工程距今仅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，目前混凝土结构已成为大量土木工程结构中最主要的结构，而且高性能混凝土和新型混凝土结构形式还在不断发展。2021/10/10星期日182021/10/10星期日192021/10/10星期日202021/10/10星期日212021/10/10星期日22混凝土建筑结构的形式常用的结构形式有（按体型和高度分类）（1）单层单层混凝土建筑结构如单层工业厂房，仓库，实验室，食堂等，由屋盖和钢筋混凝土柱组成。（2）多层混凝土建筑结构如各种多层的工业与民用建筑，主要为混凝土框架结构，有些情况下，采用板柱结构等；在多层建筑中，大量的为砌体-混凝土混合结构，如砌体结构（楼板为混凝土），内框架结构，底部框架结构等。（3）高层混凝土建筑结构如10层及10层以上或高度超过28m的民用建筑，如办公楼，教学楼，医院，住宅等，除上述结构形式外，还有筒体结构，巨型结构等。高层建筑中，目前有很多为钢-混凝土混合结构。（4）大跨结构如体育训练馆、展览馆、会堂等公共建筑，其屋盖一般采用钢结构，竖向结构和基础采用混凝土结构。2021/10/10星期日231.3建筑结构设计的程序和内容一幢建筑物设计和施工，建筑师＋结构工程师＋设备工程师＋施工工程师。结构工程师的基本任务——负责建筑结构设计，在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最低的代价，使所建造的结构在规定的条件下和规定的使用期限内，能满足预定的安全性、适用性和耐久性等功能要求。2021/10/10星期日241.3.1基本建设工作程序

项目立项建议书

投资控制

可行性研究报告

选址

设计任务书

确定设计计划

造价估算

方案设计阶段

介入质监和监理工作

编制概算

初步设计阶段

修正概算

技术设计阶段

施工图设计阶段编制施工图预算施工图审查阶段

付诸施工过程

决算

竣工验收

交付使用

2021/10/10星期日251.3.2房屋建筑工程的设计阶段

1.方案设计阶段(schemedesignphase)需完成的设计文件有设计说明书、设计图纸、投资估算及效果透视图等内容，应分专业编制。结构设计文件主要内容是编制结构设计说明书和结构平面图。结构设计说明书:（1）设计依据（地域，有关自然条件，抗震设防烈度，工程地质概况等）；（2）结构设计要点（上部结构选型，基础选型，人防结构，抗震设计等）；（3）需要说明的问题（如对工艺的特殊要求，与相邻建筑物的关系，基坑特征，防护等）。结构平面图：应标出：柱网，剪力墙，沉降缝等。

2021/10/10星期日262.初步设计阶段(preliminarydesignphase)

根据中标方案、设计任务书和设计基础资料，对设计对象进行总体安排和控制性结构计算，对工程工期和投资总额进行深入分析，编制设计总概算。

应提交的设计文件：设计说明书，设计图纸，主要设备和材料清单等。

结构设计在该阶段包括编制结构设计要点及主要措施：说明上部结构方案设计的依据及（人防）地下室结构方案的要点，简述变形缝的布置及做法，提出具体的地基处理方案，选定主要结构的材料和采用的构件标准图等结构设计文件应包括：

设计说明书，结构控制性计算的计算书，方案设计简图，总概算书

2021/10/10星期日273.技术设计阶段(technicaldesignphase)专门对技术复杂或有特殊要求的大中型项目增加的一个设计阶段，是对初步设计方案所作的调整和深化。结构设计的主要内容：（1）确定结构受力体系和主要技术参数（2）计算初步确定主要构件（梁、柱、墙等）的截面和配筋（3）绘出结构平面简图、重要节点大样图、必要的文字说明（4）对地质勘探、施工条件、主要材料等方面的特殊要求4.施工图设计阶段(workingdrawingdesignphase)是项目施工前最重要的一个设计阶段，要求以图纸和文字的形式解决工程建设中预期的全部技术问题，并编制相应的对施工过程起指导作用的施工预算。上述四个阶段，仅对重要和复杂的大型工程建设项目才要求；对普通大中型项目可将初步设计和技术设计阶段合并为一个阶段；对简单的小型项目也可只进行方案设计和施工图设计两个设计阶段。

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一栋建筑物好比一个人，建筑相应于人的容貌、体型、气质；结构相应于人的骨骼、耐力、寿命；水电暖等设备相应于人的神经、脉络、器官。因此设计一个建筑物需要各工种的共同合作。其中，建筑与结构设计者的合作是最基本的，也是最重要的。特提出四个合作的层次

（1）首先是合作（即各人做各的设计，遇到矛盾，协商解决）——最低层次的要求

（2）其次是结合（即虽个人做各的设计，但都相互了解，主动的互相补充）——较高层次的要求

（3）第三是融合（即你中有我，我中有你，融为一体，结构自觉地考虑建筑问题，建筑自觉地考虑结构问题）——更高层次的要求

（4）第四是统一（即结构工程师就是好的建筑师，建筑师就是好的结构工程师，两类人才的素质统一在一个人身上）——最高层次的要求2021/10/10星期日291.4混凝土建筑结构的分析方法

结构分析是指根据确定的结构方案和结构布置，确定合理的计算简图和分析方法，进行荷载（作用）计算，求出结构内力，以进行构件截面配筋计算和采取构造措施。

RC结构的受力性能十分复杂，是一个不断变化的非线性过程。确定力学模型和选择分析方法十分重要。1.4.1基本原则（1）按《荷载规范》、《抗震规范》进行效应分析、组合（2）对不同状况分别进行分析

如制作阶段、运输阶段、安装阶段、施工期、使用期等。（3）各种取值应符合实际工作状况

分析所需的各种几何尺寸，计算简图、作用（荷载）的取值与组合、材料指标、初始应力和变形状况等，应符合实际，并应具有相应的构造措施来保证。

2021/10/10星期日30（4）满足平衡条件，变形协调和本构关系尽可能符合实际如边界条件、支座和节点的约束条件、截面变形条件等，若难以严格地满足，应在不同的程度上予以满足。（5）选择合理的分析方法目前工程设计中常用的计算方法，可分为以下五类：——线弹性分析方法——考虑塑性内力重分布的分析方法——塑性极限分析方法——非线性分析方法——试验分析方法上述分析方法中，又各有多种具体的计算方法，如解析法或数值解法、精确解法或近似解法。结构设计时，应根据结构的重要性和使用要求、结构体系的特点、荷载（作用）状况、要求的计算精度等加以选择；计算方法的选取还取决于已有的分析手段，如计算程序、手册、图表等。2021/10/10星期日31

（6）电算程序应符合规范要求，结果应经判断和校核目前普遍采用计算机作为手段进行结构分析，也是今后结构设计的发展方向。为了确保计算结果的正确性，结构分析所采用的电算程序应经考核和验证，其技术条件应符合国家规范和有关标准的要求；电算结果应经判断和校核，在确认其合理、有效后，方可用于工程设计。

2021/10/10星期日321.4.2各种结构的分析方法(1)线弹性分析方法

是最基本和最成熟的结构分析方法，也是其它分析方法的基础。适用于任何结构的作用效应的分析。至今，我国绝大多数砼结构均采用此类方法。按照所分析结构的不同，可分为杆系结构(一维)、板结构(二维)和实体结构(三维)。杆系结构是指由长度大于3倍截面高度的构件所组成的结构，如框架结构。混凝土杆系结构一般为高次超静定，宜按空间体系进行结构整体分析，并宜弯曲、轴向、剪切和扭转变形对结构内力的影响。但为方便计算可作一定程度的简化（如平面协同工作分析）。2021/10/10星期日33(2)考虑内力重分布的分析方法砼结构破坏前总会发生不同程度的内力重分布，主要取决于构件的配筋、主动利用这一特点来确定设计内力值，可充分发挥结构潜力，节约材料、简化计算，方便施工，经济效益好等优点。适用于混凝土超静定结构，特别是RC连续梁和连续单向板，双向板以及框架梁等。具体方法有多种，应用最多的为调幅法。计算步骤为弹性分析组合求控制截面的最不利弯矩对部分控制截面的弯矩进行调幅（折减）按平衡条件求其余控制截面的弯矩配筋计算为保证内力充分重分布，应满足正常使用极限状态的要求或采取有效的构造措施，保证塑性铰有足够的转动能力。对于直接承受动力荷载的结构，以及要求不出现裂缝或处于严重侵蚀环境等情况下的结构，不应采用此法。2021/10/10星期日34(3)塑性极限分析方法也称为塑性分析法或极限平衡法。对连续梁以及均布荷载下周边支承的双向矩形板，可采用此方法。该方法简便易行，可保证安全。2021/10/10星期日35(4)非线性分析方法

以钢筋和混凝土的实际力学性能为依据，通过引入非线性本构关系，可准确地分析结构从受力至破坏各个阶段的内力、变形和裂缝发展等，适用于任意形式和受力复杂的结构和构件的分析。这是目前一种较为先进的结构分析方法，已在国内外一些重要结构的设计中采用。但由于方法比较复杂，计算工作量大，且各种非线性本构关系尚不够完善，其应用范围仍然有限。可根据结构的类型和形状、要求的计算精度等，选择合理的本构关系和计算方法。非线性分析均须编制电算程序，利用计算机来完成。如杆系的非线性分析方法（本构、单元模型等）、非线性有限元法（裂缝处理、本构、破坏准则等）。

2021/10/10星期日36(5)试验分析方法对体形复杂或受力状况特殊的结构或其部分，或采用了新型的材料及构造，现有方法的计算结果没有充分把握，可采用试验方法。试验的设计应包括试件的形状、尺寸和数量、材料的品种和性能指标、支承和边界条件、加载的方式、量测的项目和测点布置等。试验中，应仔细观察试件的宏观效应，如开裂、裂缝发展、钢筋屈服等，认真整理各种记录数据，进行分析和计算，最后引出合理的结论。

2021/10/10星期日371.5本课程的主要内容及特点1.5.1主要内容是“混凝土结构设计原理”的续篇，主要内容为：（1）混凝土梁板结构：作为水平承重结构，主要学习RC整体式单向板肋梁楼盖、整体式双向板肋梁楼盖等内容。（2）单层厂房结构：主要学习一般建筑结构设计的基本方法和步骤，包括单层厂房结构的组成及其布置，主要构件的选型，排架结构内力分析方法，内力组合以及排架柱、牛腿和柱下独立基础的受力性能及其设计方法等内容。（3）混凝土框架结构：是多高层建筑中广泛采用的一种结构形式，主要学习混凝土框架结构的承重方案、结构布置、梁、柱截面尺寸估算、计算简图确定、荷载计算和结构内力分析方法、内力组合、梁柱构件的配筋计算和构造要求以及柱下条形基础的设计等内容。2021/10/10星期日381.5.2本课程的特点

本课程具有以下特点，在学习中应特别予以注意。

（1）本课程有较强的实践性。一方面要通过课堂学习掌握RC结构设计的基本理论和方法；通过课程设计和毕业设计等环节，学习工程计算、设计