1、混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理1调研学习第1章 绪论2调研学习n 混凝土结构是土木工程应用最多的结构形式。混凝土结构是土木工程应用最多的结构形式。n 从其出现从其出现150多年来已发展成为土木工程结构中最多年来已发展成为土木工程结构中最重要的专门学科。重要的专门学科。n 各国的工程建设标准中，均以混凝土结构设计规各国的工程建设标准中，均以混凝土结构设计规范作为其水平的标志。范作为其水平的标志。n 随着工程建设需求和形式的发展，其内容和知识随着工程建设需求和形式的发展，其内容和知识也在不断更新。也在不断更新。n 更重要的是，混凝土结构设计中方法包含了土木更重要的是，混凝土结构设计中方法包含
2、了土木工程结构中解决问题的基本哲学思想。工程结构中解决问题的基本哲学思想。n 可以说，不掌握可以说，不掌握“混凝土结构混凝土结构”就不能成为一名就不能成为一名合格的土木工程师。合格的土木工程师。3调研学习本课程的教学目的：本课程的教学目的：学会解决工程中的问题：尤其是工程综合问题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：理论研究学会研究工程中的问题：理论研究4调研学习本课程指导思想本课
3、程指导思想注重建立工程概念注重建立工程概念注重培养综合能力注重培养综合能力注重提炼科学问题注重提炼科学问题注重激发创新意识注重激发创新意识从理论转向实际，从简单转向综合从理论转向实际，从简单转向综合理论分析与工程概念相结合理论分析与工程概念相结合科学方法与工程创新相结合科学方法与工程创新相结合培养土木工程师的基本素质培养土木工程师的基本素质5调研学习建造一个简支桥梁，还缺哪些知识？建造一个简支桥梁，还缺哪些知识？设想你是一个古代工匠，能否建造改桥梁？设想你是一个古代工匠，能否建造改桥梁？6调研学习第第1章章 绪论绪论主要以混凝土材料，并根据需要配置主要以混凝土材料，并根据需要配置钢筋、钢筋、预
4、应力筋、钢骨、钢管预应力筋、钢骨、钢管等，作为主要承重材料的等，作为主要承重材料的结构，均可称为结构，均可称为混凝土结构混凝土结构7调研学习第第1章章 绪论绪论素素混凝土结构混凝土结构8调研学习第第1章章 绪论绪论钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构9调研学习第第1章章 绪论绪论钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构10调研学习第第1章章 绪论绪论预应力混凝土结构预应力混凝土结构11调研学习第第1章章 绪论绪论预应力混凝土结构预应力混凝土结构12调研学习第第1章章 绪论绪论钢骨混凝土钢骨混凝土结构结构13调研学习第第1章章 绪论绪论钢骨混凝土钢骨混凝土结构结构14调研学习第第1章章 绪论绪论FRPFRP混凝土混
5、凝土15调研学习第第1章章 绪论绪论FRPFRP筋混凝土筋混凝土16调研学习第第1章章 绪论绪论钢钢-混凝土组合（混合）结构混凝土组合（混合）结构17调研学习第第1章章 绪论绪论钢钢-混凝土组合（混合）结构混凝土组合（混合）结构18调研学习第第1章章 绪论绪论讨论思考题：讨论思考题：讨论讨论钢材与混凝土钢材与混凝土结构的组合形式和作用：结构的组合形式和作用：为什么要加各种不同形式的钢材？为什么要加各种不同形式的钢材？不同形式不同形式的钢材，作用有什么不同？的钢材，作用有什么不同？19调研学习第第1章章 绪论绪论基本材料性能基本材料性能抗压强度高，而抗拉强度却很低抗压强度高，而抗拉强度却很低一般
6、抗拉强度只有抗压强度的一般抗拉强度只有抗压强度的1/81/81/201/20破坏破坏时具有明显的时具有明显的脆性性质脆性性质因此，素混凝土构件在实际工程因此，素混凝土构件在实际工程的应用很有限，主要用于以受压的应用很有限，主要用于以受压为主的基础、柱墩和一些非承重为主的基础、柱墩和一些非承重结构结构20调研学习第第1章章 绪论绪论21调研学习第第1章章 绪论绪论u钢钢 材材抗拉和抗压强度都很高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屈，仅能作为受拉构件细长的钢筋受压时极易压屈，仅能作为受拉构件 而纯钢构件的承载力也往往取
7、决于钢材的压曲，而纯钢构件的承载力也往往取决于钢材的压曲，材料强度一般得不到充分地发挥。材料强度一般得不到充分地发挥。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、创造性地创造性地结合结合在一起，可以取长补短，充分利用材料的性能。在一起，可以取长补短，充分利用材料的性能。22调研学习第第1章章 绪论绪论钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁配置钢筋后，配置钢筋后，RC梁的承载力比素混凝土梁大大提高，钢筋的梁的承载力比素混凝土梁大大提高，钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度均得到充分利用，且破坏过程抗拉强度和混凝土的抗压强度均得到充分利用，且破坏过程有明显预兆有明显预兆。23调研学习第第1章章
8、绪论绪论钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁u 但从开裂荷载到屈服荷载，在很长的过程带裂缝工作。但从开裂荷载到屈服荷载，在很长的过程带裂缝工作。u 通常裂缝宽度很小，不致影响正常使用。通常裂缝宽度很小，不致影响正常使用。u 但裂缝导致梁的刚度显著降低，使得钢筋混凝土梁不能应用于大跨度结构。如但裂缝导致梁的刚度显著降低，使得钢筋混凝土梁不能应用于大跨度结构。如何解决？何解决？24调研学习第第1章章 绪论绪论25调研学习第第1章章 绪论绪论u除在构件的受拉区配筋外，还有许多其他配筋方式。除在构件的受拉区配筋外，还有许多其他配筋方式。u可以在可以在构件的受压区配置钢筋协助混凝土承受压力。构件的受压区配置钢筋协助
9、混凝土承受压力。u在复杂应力在复杂应力区域（如梁在受剪区段、受扭构件、节点区、剪区域（如梁在受剪区段、受扭构件、节点区、剪力墙等），可以配置箍筋或纵横交错的钢筋。力墙等），可以配置箍筋或纵横交错的钢筋。u当构件受力很大当构件受力很大时，可以直接配置钢骨。时，可以直接配置钢骨。u还还可以利用箍筋约束混凝土来提高混凝土的抗压强度，直至可以利用箍筋约束混凝土来提高混凝土的抗压强度，直至直接采用钢管。直接采用钢管。u采用纤维（钢纤维、玻璃纤维等）与混凝土一起搅拌形成纤采用纤维（钢纤维、玻璃纤维等）与混凝土一起搅拌形成纤维混凝土，其抗拉强度可以达到提高。维混凝土，其抗拉强度可以达到提高。因此，两种（或两
10、种以上）材料的有机组合，可充分发挥各因此，两种（或两种以上）材料的有机组合，可充分发挥各自的长处，创造出多种形式的复合材料，适应各种不同受力自的长处，创造出多种形式的复合材料，适应各种不同受力的要求，取得很好的综合经济效益。的要求，取得很好的综合经济效益。26调研学习第第1章章 绪论绪论常见配筋方式27调研学习第第1章章 绪论绪论(1)(1)材料利用合理材料利用合理:钢筋和混凝土的材料强度可以得到充分发挥，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，基本无局部稳定问题，单位应力价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，对于一般工程结构经济指标优于钢结
11、构。格低，对于一般工程结构经济指标优于钢结构。(2)(2)可模性可模性好：混凝土可根据需要浇筑成各种形式和尺寸，适用好：混凝土可根据需要浇筑成各种形式和尺寸，适用于各种形状复杂的结构，如空间薄壳、箱形结构等。于各种形状复杂的结构，如空间薄壳、箱形结构等。(3)(3)耐久性和耐火性好，维护费用低：钢筋有混凝土保护，不易耐久性和耐火性好，维护费用低：钢筋有混凝土保护，不易产生锈蚀，而混凝土强度随时间而增长产生锈蚀，而混凝土强度随时间而增长;混凝土是不良导热体，混凝土是不良导热体，30mm30mm厚混凝土保护层可耐火厚混凝土保护层可耐火2h2h，使钢筋不致因升温过快而丧失强使钢筋不致因升温过快而丧失
12、强度。度。28调研学习第第1章章 绪论绪论1.2 1.2 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n 18241824年英国人阿斯普丁（年英国人阿斯普丁（J.AspdinJ.Aspdin）发明硅酸盐水泥。）发明硅酸盐水泥。n 18491849年法国人朗波（年法国人朗波（L.LambotL.Lambot）制造了第一只钢筋混凝土小）制造了第一只钢筋混凝土小船。船。n 18721872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。n 混凝土结构开始应用于土木工程距今仅混凝土结构开始应用于土木工程距今仅150150多年。多年。n 与砖石结构、钢木结构相比，混凝土结
13、构的历史并不长，但与砖石结构、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，而且最主要的结构，而且高性能混凝土高性能混凝土和和新型混凝土结构新型混凝土结构形式还形式还在不断发展。在不断发展。29调研学习第第1章章 绪论绪论第一阶段：第一阶段：从钢筋混凝土的发明至本世纪初钢筋从钢筋混凝土的发明至本世纪初钢筋和混凝土的强度都比较低。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。计算计算理论：理论：结构内力和构件截面
14、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，采用容许应力设计方法。混凝土结构的发展混凝土结构的发展30调研学习第第1章章 绪论绪论第二阶段：第二阶段：从本世纪从本世纪2020年代到第二次世界大战前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。后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发明发明了预应力混凝土，使得混凝土结构可以用来建造了预应力混凝土，使得混凝土结构可以用来建造大跨度。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前苏联著名的混凝土结构
15、专家格沃兹捷夫开始考虑混凝土塑性性能的破损阶段设计法，捷夫开始考虑混凝土塑性性能的破损阶段设计法，5050年代又提出更为合理的极限状态设计法，奠定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本计算理论。了现代钢筋混凝土结构的基本计算理论。混凝土结构的发展混凝土结构的发展31调研学习第第1章章 绪论绪论第三阶段：第三阶段：二战以后到现在随着建设速度加快，对材料性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高要求，出现装配式钢筋混凝土结构、能和施工技术提出更高要求，出现装配式钢筋混凝土结构、泵送商品混凝土等工业化生产技术。泵送商品混凝土等工业化生产技术。高强混凝土
16、和高强钢筋的发展、计算机的采用和先进施工高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、大跨度桥梁、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，成为现代土木工程特长跨海隧道、高耸结构等大型工程，成为现代土木工程的标志。的标志。设计计算理论：设计计算理论：发展了以概率论为基础的极限状态设计法，发展了以概率论为基础的极限状态设计法，基础理论问题大都得到解决，而新型混凝土材料及其复合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课题，并不断促进混凝土结构形式的出现又不断提出新的课题，并
17、不断促进混凝土结构的发展。结构的发展。混凝土结构的发展混凝土结构的发展32调研学习第第1章章 绪论绪论33调研学习第第1章章 绪论绪论34调研学习第第1章章 绪论绪论35调研学习第第1章章 绪论绪论上海莘庄大型立交桥工程上海莘庄大型立交桥工程该工程由15条线路，6条主线、20个定向匝道构成；占地面积45.8公顷，整个立交桥梁结构长度11.1公里、面积8.4万平方米。36调研学习第第1章章 绪论绪论37调研学习第第1章章 绪论绪论1.3 1.3 混凝土结构课程学习中应注意的问题混凝土结构课程学习中应注意的问题38调研学习第第1章章 绪论绪论39调研学习第第1章章 绪论绪论截面的基本受力形态有：正
18、截面受力正截面受力斜截面受剪斜截面受剪扭曲截面受扭扭曲截面受扭基本构件的受力往往是基本受力形态的复合基本构件的受力往往是基本受力形态的复合基本构件基本构件 受力形态受力形态 梁 板 柱 受压弦杆受压弯受压弯受压剪受压剪双向受压剪双向受压剪 柱受扭受扭受弯、剪、扭受弯、剪、扭受压、弯、剪、扭受压、弯、剪、扭受弯构件受弯构件受拉弦杆受拉弯受拉弯梁柱节点梁柱节点受弯受弯构件受弯构件受压构件受压构件受扭构件受扭构件雨篷梁受弯、受剪受弯、受剪40调研学习第第1章章 绪论绪论实验性科学实验性科学不确定性问题不确定性问题受力性能受力性能理论分析理论分析基本理论基本理论构件设计构件设计结构设计结构设计工程应用
19、工程应用问题的复杂性问题的复杂性问题的综合性问题的综合性 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 问题不是单一的问题不是单一的 解答不是唯一的解答不是唯一的41调研学习第第1章章 绪论绪论科学方法论科学方法论分解论分解论各种受力形态各种受力形态整体论整体论构件：各种受力形态组合构件：各种受力形态组合系统论系统论工程：各种构件、结构、材料、施工、管理工程：各种构件、结构、材料、施工、管理42调研学习第第1章章 绪论绪论学习中应注意的问题：学习中应注意的问题：1.构件和结构设计是一个综合性问题构件和结构设计是一个综合性问题设计过程包括设计过
20、程包括结构方案、构件选型、材料选结构方案、构件选型、材料选择、配筋构造、施工方案择、配筋构造、施工方案等。等。还需要考虑安全适用和经济和合理。还需要考虑安全适用和经济和合理。设计中许多数据可能有多种选择方案，因此设计中许多数据可能有多种选择方案，因此设计结果不是唯一的。设计结果不是唯一的。最终设计结果应经过各种方案的比较，综合最终设计结果应经过各种方案的比较，综合考虑使用、材料、造价、施工等各项指标的考虑使用、材料、造价、施工等各项指标的可行性，才能确定较为合适的一个设计结果。可行性，才能确定较为合适的一个设计结果。43调研学习第第1章章 绪论绪论学习中应注意的问题：学习中应注意的问题：2.工
21、程项目的建设是国家的重要工作，必须依照国家工程项目的建设是国家的重要工作，必须依照国家颁布的法规进行颁布的法规进行强制性法规强制性法规具有法律效应具有法律效应国家技术标准国家技术标准合同合同行业技术标准行业技术标准不低于国家标准，合同不低于国家标准，合同企业技术标准企业技术标准不低于国家标准，竞争不低于国家标准，竞争44调研学习第第1章章 绪论绪论学习中应注意的问题：学习中应注意的问题：设计人员必须遵照各种结构类型的设计人员必须遵照各种结构类型的设计规范或设计规范或规程规程进行设计。进行设计。各种设计规范或规程是具有约束性和立法性的各种设计规范或规程是具有约束性和立法性的文件，文件，其目的是使
22、工程结构的设计在符合国家经济政其目的是使工程结构的设计在符合国家经济政策的条件下，保证设计质量和工程项目的安全策的条件下，保证设计质量和工程项目的安全可靠。可靠。注意在学习中，有关基本理论的应用最终都要落实到注意在学习中，有关基本理论的应用最终都要落实到规范的具体规定。规范的具体规定。45调研学习第第1章章 绪论绪论学习中应注意的问题：学习中应注意的问题：n由于工程结构类型很多，不同的结构类型有不同的由于工程结构类型很多，不同的结构类型有不同的设计规范或规程。设计规范或规程。n混凝土结构的基本理论是一致的，应重点学好基本混凝土结构的基本理论是一致的，应重点学好基本理论理论n本学期以基本理论为主
23、，并结合主要用于建筑结构本学期以基本理论为主，并结合主要用于建筑结构的的混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范 GB50010-2010学习。学习。n后续课程将结合各种结构类型，介绍有关的设计方后续课程将结合各种结构类型，介绍有关的设计方法和设计规范法和设计规范。46调研学习第第1章章 绪论绪论学习中应注意的问题：学习中应注意的问题：3.设计工作是一项创造性工作设计工作是一项创造性工作n 一方面在设计工作中必须按照规范进行；一方面在设计工作中必须按照规范进行；n 另一方面只有深刻理解规范的理论依据，才能更好地应用规范，另一方面只有深刻理解规范的理论依据，才能更好地应用规范，充分发挥设计者的主动性
24、和创造性。充分发挥设计者的主动性和创造性。n 规范是给傻瓜设计师编写的。规范是给傻瓜设计师编写的。n 注意学习中体会工程中的创造性。注意学习中体会工程中的创造性。n 本学科还在不断的发展和更新，因此本学科还在不断的发展和更新，因此设计工作不应被规范束缚设计工作不应被规范束缚，在经过各在经过各试验和理论试验和理论等多方面的可靠性论证后，应积极采用先进等多方面的可靠性论证后，应积极采用先进的理论和技术。的理论和技术。n 规范一般十年左右修订一次，就是为了反映学科最新发展的成果。规范一般十年左右修订一次，就是为了反映学科最新发展的成果。47调研学习第第1章章 绪论绪论美国美国ACI混凝土结构设计规范
25、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：“本规范提供设计与施工本规范提供设计与施工的最低要求的最低要求”，言外之意就是设计人员，言外之意就是设计人员需要从具体出发采用不同于规范的要求需要从具体出发采用不同于规范的要求美国公路部门的美国公路部门的ASSHTO桥梁设计规程写的更桥梁设计规程写的更清楚，在其第一章第一节写道：清楚，在其第一章第一节写道：本规程无意取代设计人所具有的专门教育和工程判本规程无意取代设计人所具有的专门教育和工程判断的训练，尽在规程中规定为保证公共安全的最低断的训练，尽在规程中规定为保证公共安全的最低要求。业主或设计人可能需要在设计中采用新的先要求。业主或设计人可
26、能需要在设计中采用新的先进技术，需要对材料及施工质量提出更高的要求。进技术，需要对材料及施工质量提出更高的要求。48调研学习第第1章章 绪论绪论4.现浇混凝土结构的整体性好，切通过现浇混凝土结构的整体性好，切通过合适的配筋合适的配筋，可获得较好的延性，适用于抗震、抗爆结构；同时可获得较好的延性，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。防振性和防辐射性能较好，适用于防护结构。5.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。6.易于就地取材：混凝土所用的大量砂、石，易于易于就地取材：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
27、来制造人工就地取材，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，改善混凝土的性能。骨料，或作为水泥的外加成分，改善混凝土的性能。49调研学习第第1章章 绪论绪论混凝土结构的缺点：混凝土结构的缺点：（1）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。轻质、高强和预轻质、高强和预应力应力（2）抗裂性差：普通）抗裂性差：普通RC结构，在正常使用阶段往往带裂缝结构，在正常使用阶段往往带裂缝工作，环境较差（露天、沿海、化学侵蚀）时会影响耐久工作，环境较差（露天、沿海、化学侵蚀）时会影响耐久性；也限制了普通性；也限制了普通RC用于打垮结构，高强钢筋无法应用。用于打垮结
28、构，高强钢筋无法应用。预应力混凝土预应力混凝土（3）承载力有限：在重在结构和高层建筑底部结构，构件）承载力有限：在重在结构和高层建筑底部结构，构件尺寸太大，减少使用空间。尺寸太大，减少使用空间。高强、钢骨、钢管混凝土高强、钢骨、钢管混凝土（4）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。钢模、飞模、滑钢模、飞模、滑模等。泵送、早强、商品、高性能、免振自密实混凝土等模等。泵送、早强、商品、高性能、免振自密实混凝土等（5）混凝土结构一旦破坏。其修复、加固、补强比较困难。）混凝土
29、结构一旦破坏。其修复、加固、补强比较困难。混凝土结构加固混凝土结构加固技术不断得到发展，如最近研究开发技术不断得到发展，如最近研究开发的采用碳纤维布加固混凝土结构技术，快速简便的采用碳纤维布加固混凝土结构技术，快速简便50调研学习第第1章章 绪论绪论三峡莲陀大桥三峡莲陀大桥51调研学习第第1章章 绪论绪论52调研学习第第1章章 绪论绪论美国伊利诺斯大学美国伊利诺斯大学Urbana分校大礼堂分校大礼堂53调研学习第第1章章 绪论绪论54调研学习第第1章章 绪论绪论l穹形屋面直径穹形屋面直径122m，由，由24片轻质混凝土折叠片轻质混凝土折叠式扇形板段组成，总重量式扇形板段组成，总重量3991吨，
30、通过底边吨，通过底边高高1.83m、直径、直径128m的后张预应力的后张预应力LWC环箍环箍在一起，架立在在一起，架立在48根钢筋混凝土支撑杆上。根钢筋混凝土支撑杆上。l组成屋面的扇形板使用低坍落度的轻质混凝组成屋面的扇形板使用低坍落度的轻质混凝土结构，板厚度为土结构，板厚度为89mm，在波谷和屋脊处，在波谷和屋脊处稍厚。稍厚。55调研学习第第1章章 绪论绪论56调研学习第第1章章 绪论绪论自密实混凝土的坍落度测试自密实混凝土的坍落度测试57调研学习第第1章章 绪论绪论自密实混凝土的自密实混凝土的穿越性能测试穿越性能测试58调研学习第第1章章 绪论绪论59调研学习第第1章章 绪论绪论60调研学习第第1章章 绪论绪论浇筑混凝土前浇筑混凝土前61调研学习
