《混凝土结构基本原理》第01章

混凝土结构设计原理2025年1月4日第1章绪论第1章绪论2025年1月4日第1章绪论§1.1混凝土结构的一般概念1.1.1混凝土结构的定义与分类1.混凝土是由水泥、砂子、粗骨料、添加剂及水按一定比例充分拌和，并在适当的温度、湿度条件下，经一定时间养护硬化后所形成的“人工石材”。2.以混凝土为主要材料，并根据需要配置钢筋、预应力筋、型钢等钢材所制成的构件，称为混凝土构件；所组成的结构，称之为混凝土结构。2025年1月4日第1章绪论3.混凝土结构的分类

混凝土结构可分为以下几类：素混凝土结构：无钢筋或不配置受力钢筋的混凝土结构。钢筋混凝土结构：配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋骨架的混凝土结构。预应力混凝土结构：配置预应力钢筋和普通钢筋，再经过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土结构。型钢混凝土结构（劲性钢筋混凝土结构、钢管混凝土）：配置受力的型钢和钢筋的混凝土结构。2025年1月4日第1章绪论素混凝土结构（PlainConcreteStructure)2025年1月4日第1章绪论毛石混凝土处理地基2025年1月4日第1章绪论基础底板的钢筋绑扎2025年1月4日第1章绪论钢筋绑扎（承台）2025年1月4日第1章绪论框架结构模板支撑情况2025年1月4日第1章绪论混凝土搅拌机混凝土搅拌站2025年1月4日第1章绪论混凝土运输车2025年1月4日第1章绪论泵送混凝土现场2025年1月4日第1章绪论Putzmeister（普茨迈茨特）62米混凝土输送泵车2025年1月4日第1章绪论国家大剧院进行混凝土浇筑2025年1月4日第1章绪论组合式预应力混凝土刚架预应力混凝土结构（PrestressedConcreteStructure)2025年1月4日第1章绪论首都机场停车楼进行预应力筋绑扎2025年1月4日第1章绪论张拉端盒（首都机场停车楼）2025年1月4日第1章绪论铁皮波纹管2025年1月4日第1章绪论预应力筋锚具2025年1月4日第1章绪论西南医院科教中心楼国际会议中心（预应力结构）2025年1月4日第1章绪论得意广场双向预应力网格梁2025年1月4日第1章绪论四丰桥预制节段拼装实验梁返回2025年1月4日第1章绪论钢骨（型钢）混凝土结构

（SteelFramedReinforcedConcreteStructure)北京兰华国际大厦2025年1月4日第1章绪论北京兰华国际大厦（局部）2025年1月4日第1章绪论北京兰华国际大厦施工现场2025年1月4日第1章绪论北京兰华国际大厦（斜向钢骨混凝土柱施工）2025年1月4日第1章绪论北京兰华国际大厦（梁、柱节点的构造）2025年1月4日第1章绪论1.1.2材料基本特性与配筋的作用1.混凝土的基本特性抗压强度高，抗拉强度低。一般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性质。 混凝土具有良好的抗压强度，适用于承压为主的构件，如柱和拱。另一方面，抗拉强度远低于抗压强度，故素混凝土不适用于制作完全受拉或部分截面受拉的结构构件。与钢材相比，混凝土破坏前的变形能力较小，具有明显的脆性性质。2025年1月4日第1章绪论2.钢材的基本特性抗拉和抗压强度都很高。软钢具有明显屈服现象，有较好的塑性；硬钢无明显屈服点，但仍具有足够的塑性。钢筋的强度远高于混凝土的强度，在混凝土结构中，充分利用钢筋抗拉强度远远高于混凝土抗拉强度的特点，将其布置在结构（构件）的受拉部位；钢筋受压时极易压屈失稳，难以发挥其抗压强度，应对受压钢筋采取特殊构造措施，以防止压屈失稳。2025年1月4日第1章绪论3.配筋的作用在构件的受拉区配置钢筋承受拉力，可大大提高构件的承载力和变形能力，使两种材料充分发挥各自的强度特点。b.也可以在受压区配置一定数量的钢筋来协助混凝土受压，以提高构件的承载力和变形能力，改善受压构件破坏时的脆性性质。2025年1月4日第1章绪论4.钢筋和混凝土的共同工作混凝土硬化后与钢筋之间有良好的粘结力。混凝土与钢材具有基本相近的温度线膨胀系数（钢材1.2×10-5，混凝土1.0～1.5×10-5），因此当温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间发生粘结破坏。混凝土保护钢筋不易锈蚀、不易高温软化。2025年1月4日第1章绪论1.1.3混凝土结构的优缺点1.混凝土结构的主要优点取材容易：混凝土所用的砂、石一般易于就地取材。另外，还可有效利用矿渣、粉煤灰等工业废料。合理用材：钢筋混凝土结构合理地发挥了钢筋和混凝土两种材料的性能优势，与钢结构相比，可以降低造价。2025年1月4日第1章绪论耐久性和耐火性较好，维护费用低：钢筋有混凝土的保护，不易锈蚀，而混凝土的强度随时间而增长，能充分保证其设计强度和耐久性；混凝土是不良热导体，30mm厚混凝土保护层可耐火2小时，使钢筋不致因升温过快而丧失强度。维护费用较钢、木结构低。可模性：根据需要，可以较容易地浇筑成各种形状和尺寸的钢筋混凝土结构。整体性好：整浇或装配整体式钢筋混凝土结构有很好的整体性，有利于抗震、抵抗振动和爆炸冲击波。2025年1月4日第1章绪论2.混凝土结构的缺点自重较大，增大构件截面尺寸，对大跨度结构、高层建筑结构以及抗震不利，也给运输和施工吊装带来困难。增加造价。抗裂性较差，受拉和受弯等构件在正常使用时往往带裂缝工作，对一些不允许出现裂缝或对裂缝宽度有严格限制的结构，要满足这些要求就需要采用特殊措施。隔热、隔声性能也较差。施工周期长，受气候影响大。2025年1月4日第1章绪论§1.2混凝土结构的发展与应用概况1.2.1混凝土结构的发展概况1824年英国人阿斯普丁(J.Aspdin)发明硅酸盐水泥（PortlandCement）。1849年法国人朗波(L.Lambot)制造了第一只钢筋混凝土小船。1872年在纽约建造第一所钢筋混凝土房屋。 混凝土结构开始应用于土木工程距今仅160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、新的结构形式、完善的设计理论和先进的施工工艺还在不断发展。2025年1月4日第1章绪论1.2.2当代混凝土结构工程的应用美国芝加哥水塔广场大厦，76层，262m，1976年建成2025年1月4日第1章绪论朝鲜平壤柳京饭店，105层，320m2025年1月4日第1章绪论上海金茂大厦，420m（RC-S结构）2025年1月4日第1章绪论广州中信广场大厦，80层，322m（我国第一高RC）2025年1月4日第1章绪论意大利都灵展览馆薄壁钢丝网水泥拱，跨度96m2025年1月4日第1章绪论南京长江二桥

（钢箱梁斜拉桥+钢筋混凝土预应力连续箱梁桥）

2025年1月4日第1章绪论安徽芜湖长江大桥（矮塔部分斜拉结构）

2025年1月4日第1章绪论加拿大多伦多电视塔，549m

（世界第一）2025年1月4日第1章绪论莫斯科电视塔，533m

（世界第二）2025年1月4日第1章绪论上海东方明珠电视塔，468m

（世界第三）2025年1月4日第1章绪论悉尼歌剧院（SydneyOperaHouse）

丹麦建筑师JornUtzon的设计

工期17年（原计划4年），造价1亿美元（原计划700万）

§1.3结构的功能与极限状态1.3.1结构的功能要求

结构设计需要满足的基本要求是：使结构在设计使用年限内，在正常使用、维护条件下，应保持其各项功能要求，而不需进行大修加固。建筑结构应满足的功能要求可概括为：安全性、适用性、耐久性。安全性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、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等所有可能的作用在偶然事件（如地震、爆炸）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造成严重损失。2025年1月4日第1章绪论b.适用性结构在正常使用期间，应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、振动，不产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度和变形。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（混凝土碳化、钢筋锈蚀），不会导致结构在其预定的设计使用年限内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。2025年1月4日第1章绪论1.3.2结构的极限状态1.极限状态的分类(1)承载能力极限状态

结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。具体包括：a)结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏)；b)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；c)结构转变为机动体系；d)结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）。

一旦超过承载能力极限状态，结构或构件就不能满足安全性要求，后果严重。2025年1月4日第1章绪论(2)正常使用极限状态

结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态，称为正常使用极限状态。具体包括：a)影响正常使用或外观的变形

（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用等）；b)影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；

c)影响正常使用的振动（不舒适）；d)影响正常使用的其他特定状态。一旦超过正常使用极限状态，结构或构件就不能保证适用性、耐久性的功能要求。正常使用极限状态不涉及安全性，破坏的后果不如承载能力极限状态严重。2025年1月4日第1章绪论1.3.3结构上的作用与材料强度1.作用的分类(1)分类

a)直接作用（荷载）如：各种荷载（重力、风力）作用仅与外部因素有关，与结构本身的力学特性无关

b)间接作用如：地震、收缩、温度变化、沉降、徐变、侵蚀、冻融等不仅与外部因素有关，还与结构本身的力学特性有关2025年1月4日第1章绪论2.荷载的分类(1)永久荷载（permanentload，恒荷载）

在设计使用期内，若：其值不随时间而变化，其变化与平均值相比可以忽略不计，其变化是单调的并能趋于确定值，

则为永久荷载。如：结构自重、土压力、预应力等。2025年1月4日第1章绪论(2)可变荷载（活荷载）在设计使用期内：数值、作用位置随时间而变化，则为可变荷载。如：楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。(3)偶然荷载在设计使用期内，不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短。如爆炸力、冲击力等。2025年1月4日第1章绪论3.荷载的标准值（荷载的基本代表值）由于实际作用在结构上的荷载大小具有不确定性，应视为随机变量，原则上采用数理统计的方法描述。有足够资料且有可能对其统计分布作出合理估计时，则选取具有95%保证率的上分位荷载值，作为设计各类结构时所取用的荷载标准值，其值等于该荷载的统计平均值加1.645倍标准差。无充分统计资料时，可根据已有的工程实践经验，分析判断后协议给出一个公称值作为荷载标准值。《建筑结构荷载规范》GB50009有相应规定。2025年1月4日第1章绪论4.材料强度的标准值对材料强度试验资料进行统计回归分析，得出材料强度概率分布曲线（混凝土和钢材强度均可看作正态分布）。材料强度的标准值应具有不小于95％的保证率。由正态分布曲线可知，在fk右侧曲线与横轴包围的面积即为整个曲线包围面积的95%，于是fk的表达式为：对于混凝土：

对钢材：2025年1月4日第1章绪论环境类别说明一室内干燥环境；永久的无侵蚀性静水浸没环境

二a室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区露天环境；非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的水或土壤直接接触