1、钢筋混凝土结构原理,主讲人：左昌群2012年2月,混凝土结构（上册），东南大学等三校合编； 混凝土结构设计规范（GB50010-2010 ）； 建筑结构荷载规范（GB50009-2001）；,教材及参考书,绪论、材料力学性能、结构设计原理及方法、受弯构件正/斜截面承载力计算、轴心受力构件、偏心受力构件、变形及裂缝验算、预应力结构,本学期主要任务,平时作业 15%考勤 15% 期末考试 70%,成绩比例,第1章 绪 论,1.1 混凝土结构的基本概念 1.2 混凝土结构的应用及发展 1.3 混凝土结构设计原理课程的特点与学习方法,一、结构的基本概念 1、结构的组成 ：由若干个单元所组成的结构骨架。
2、 2、基本(单元)构件 板：(board)提供活动面，直接承受并传递荷载；梁：(beam)板的支撑构件，承受板传来的荷载并向下传递；柱：(column)承受楼面体系（梁、板）传来的荷载并传递；墙：(wall)承受楼面体系（梁、板）传来的荷载并传递；基础：(foundation)下部结构，将柱及墙等传来的上部结构荷载传给地基；索（悬索）：(suspension)悬挂构件或结构体系的主要传力单元；杆： (pole)组成空间构件，如屋架的各种杆件等。,1.1 结构的基本概念,绪 论,3、结构的分类 按材料分类： 混凝土结构(concrete structure) 、钢结构(steel structu
3、re) 、砌体结构(masonry structure) 、木结构(timber structure)和混合结构(composite structure) ；,央视新址钢结构,大雁塔砌体结构,日本房屋木结构,绪 论,按受力体系分类：（1）框架结构（frame structure）: 主要(竖向)受力体系由梁和柱组成；,图1-1 框架结构,某火车站原时代广场,绪 论,（2）剪力墙结构(shearwall structure )：主要(竖向)受力体系由墙组成；,图1-2 框架-剪力墙结构,高层住宅楼框架-剪力墙结构,绪 论,（3）筒体结构(tube structure )：四周封闭的墙形成筒； 筒
4、中筒结构： 用楼盖把内、外筒体连接成一个整体，称筒中筒结构,美国西尔斯大厦束筒结构,纽约世界贸易中心最大的筒中筒结构,绪 论,（4）塔式结构(tower structure)：下端固定、上端自由的高耸构筑物。按材料分主要有：钢塔、钢筋混凝土塔、预应力混凝土塔、木塔和砖石塔。例电视塔、监测塔等。,图1-5 钢塔架立面和平面,台北新地标101大厦（508m）,绪 论,（5）桅式结构(guyed mast structure) ：由一根下端为铰接或刚接的竖立细长杆身桅杆和若干层纤绳所组成的构筑物，纤绳拉住杆身使其保持直立和稳定。桅式结构由纤绳、杆身和基础组成。因此得到广泛采用。例电视塔、监测塔等。,
5、图1-6 桅式结构,绪 论,(6)悬索、悬吊结构（suspension structure) ：由拉索及边缘构件组成的承重结构；,图1-7 悬索与拱的受力比较,绪 论,悬索是轴心受拉。轴心受力的构件最能充分利用结构材料的强度。利用钢材去做 “索”，就最能发挥钢材受拉性能好的优点，所以钢悬索就是一种理想的结构。不过，单悬索结构与拱结构一样，它们都是平面结构体系。如果我们利用很多单悬索互相交叉组成“索网”(好像利用桁架交叉组成网架一样)，就形成多向受力的空间结构 悬索结构。,金门大桥著名的悬索桥,吉林省速滑馆悬索结构,绪 论,(7)壳体结构(shell structure ):由曲面形板与边缘构件
6、组成空间结构；,薄壳结构主要受压，多为钢筋混凝土结构，可以合理地利用混凝土材料抗压性能好的特点，已在大跨度的屋盖结构中得到广泛应用。薄壳结构的形状复杂，一般多采用钢筋混凝土整体浇灌而成 。,国家大剧院壳体结构上的506盏“蘑菇灯”首次点亮,绪 论,国家大剧院壳体结构上的506盏“蘑菇灯”首次点亮,(8)网架结构(spatial grid structure) ：由多根杆件通过节点连结形成的空间结构；网架结构大多由钢杆件组成，具有多向受力的性能，空间刚度大 ，整体性强，并有良好的抗震性能，制作安装方便。,鸟巢著名的网架结构,绪 论,（9）充气结构(pneumatic structure)：用薄膜
7、制成的，冲入气体后而形成的结构；在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空气后而形成房屋的结构。分气承式和气管式两种结构形式。图为夏季剧场的气球屋顶，气球的形状像一块凸透镜，跨度约45m，用泵充气到500N/m2的超压力。在气球的顶部有一圆形孔，不断泵入新鲜空气以降低过度的热量，保持气球形状。屋顶可以提升到它的支承圆环的顶部，并在不到20分钟时间内被充气。,图1-10 气球屋顶,绪 论,大阪万国博览会富士馆 Fuji Group Pavilion, Expo70 1970年日本大阪万国博览会富士馆，采用了充气式膜结构（Air Supported structure），依靠空气的超压（一般0.1个超压
8、，由空调的通风机提供）升起作为屋盖的支撑，跨度达到50 m，由日本建筑师村田丰(Murata Yutaka)设计。 一般认为：大阪博览会出现的充气膜结构，标志着膜结构时代的开始。,绪 论,（10）膜结构(membrane structure)：用柔性受拉索和薄膜及边缘构件组成的结构；,2006年12月26日，国家游泳中心“水立方”的外层膜结构全部完工。“水立方”是国内首次采用ETFE膜结构，也是国际上面积最大、功能要求最复杂的膜结构系统。（乙烯-四氟乙烯共聚物 ）,绪 论,迪拜帆船酒店,武汉光谷广场,绪 论,（11）板柱结构(mushroom structure) ：由楼板和柱组成承重体系的结
9、构； （12）墙板结构(panel wall structure) ：由楼板和墙组成承重体系的结构； （13）折板结构(hipped-plate structure)：由多块条形平板组合而成的空间结构；,萨拉热窝“双折板”,济南奥体中心荷花折板结构,绪 论, 按使用功能分类：建筑结构(building structure)、特种结构(special structure) 、桥梁结构(bridge structure) 、地下结构(underground structure)等;,是瑞典厄勒布鲁省水塔世界上最大的倒锥壳水塔,钱十大桥,绪 论,按照建筑物外形分类：单层、多层、高层（我国最新修订的J
10、GJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程把l0层及10层以上或房屋高度超过28m的民用建筑定为高层建筑;3-10层的民用建筑称为多层房屋）、大跨和高耸结构等 按照施工方法分类：现浇结构(cast-in-situ concrete structure)装配结构(prefabricated concrete structure);装配整体式结构(assembled monolithic concrete structure);,绪 论,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（concrete structure）。,素混凝土结构
11、,钢筋混凝土结构,预应力混凝土结构,钢骨混凝土结构,钢管混凝土结构,FRP筋混凝土,绪 论,钢混凝土混合结构,二、混凝土结构概述,1.素混凝土结构（plain concrete),foundation,masonry wall,绪 论,素混凝土基础,抗压强度很高，但抗拉强度很低。破坏呈脆性。,2.钢筋混凝土结构（reinforced concrete structure),reinforcement,Stirrup(箍筋),support,绪 论,混凝土(concrete)：抗压强度高，而抗拉强度却很低破坏时具有明显的脆性性质( brittle),因此，素混凝土构件在实际工程的应用很有限，主要
12、用于以受压为主的基础、柱墩和一些非承重结构。,（1）基本材料性能 basic materials properties,钢 材(Steel)：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 ( ductile )但细长的钢筋受压时极易压曲，仅能作为受拉构件,绪 论,例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截面尺寸200300mm，混凝土为C20。如图所示：,绪 论,a) 素砼梁 极限荷载 P=8kN 由砼抗拉强度控制 破坏形态：脆性,b) 钢筋砼梁 极限荷载 P=36kN 由钢筋受拉、砼受压而破坏 破坏形态：延性,由此得出钢筋和混凝土结合的有效性：, 大大提高结构的承载力, 结
13、构的受力性能得到改善,绪 论,（2） 钢筋与混凝土共同工作的条件,c.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。,b. 钢材与混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数(temperature linear expanding index)（钢材为1.210-5，混凝土为(1.01.5)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的粘结力破坏。,a. 钢筋与混凝土之间存在良好的粘结力(bond)，在荷载作用下，保证两种材料变形协调(same deformation under load)，共同受力；,绪 论,1. 就地取材，节约钢筋；,2. 耐久性好，耐火
14、性好；,3. 可模性好，便于结构型式的实现；,4. 现浇或装配整体式结构的整体性好，刚度大。,1. 自重大 g=25kN/m3,2. 抗裂性差,轻骨料砼。,施加预应力。,优点：,缺点：,（3） 钢筋混凝土结构的主要优缺点,3. 承载力有限,高强、钢骨、钢管混凝土。,4. 施工复杂，工序多，工期长，受季节、天气影响较,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。,5. 混凝土结构一旦破坏，其修复、加固、补强较困难。,采用碳纤维布加固混凝土结构技术，快速简便。,绪 论,3.预应力混凝土结构（pre-stressed concrete structure),pre-stress
15、 rebar,concrete,hollow tube,pre-stressed concrete hollow floor,绪 论,绪 论,4.钢骨混凝土结构（steel reinforced concrete)(encased concrete),steel,reinforcement,stirrup,steel reinforced concrete column,绪 论,5.钢管混凝土结构（concrete filled tube),steel tube,concrete,concrete filled tube column,绪 论,6.FRP混凝土（fiber reinforced
16、 polymer (plastic) concrete )（纤维增强复合材料）,绪 论,纤维增强复合材料(FRP)桥面板产品的面密度为75110kg/m2，是传统桥面板的1/31/4，价格为混凝土桥面的34倍，钢绞板的2倍。,7.钢-混凝土组合（混合）结构 (composite structure or hybrid structure),绪 论, 1824年英国人阿斯普丁(J.Aspdin)发明硅酸盐水泥 1850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 混凝土结构的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
17、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。,绪 论,1.2 混凝土结构的应用与发展概况,第一阶段(The first stage): 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 主要用于建造中小型楼板、梁、柱、拱和基础等构件。 计算理论：结构内力和构件截面计算均套用弹性理论(Elastic theory)，采用容许应力设计方法(Allowable stress design method)。,混凝土结构的发展,绪 论,混凝土结构的发展,第二阶段(The second stage) ：
18、 从本世纪20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 1928年法国杰出的土木工程师E.Freyssnet发明了预应力混凝土，使得混凝土结构可以用来建造大跨度 计算理论：前苏联著名的混凝土结构专家格沃兹捷夫（.）开始考虑混凝土塑性性能的破损阶段设计法(Failure stage design method)，50年代又提出更为合理的极限状态设计法(limit state design method)，奠定了现代钢筋混凝土结构的基本计算理论。,绪 论,第三阶段(The third stage)： 二战以后到现在 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
19、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，成为现代土木工程的标志。 计算理论：发展了以概率理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的发展。,混凝土结构的发展,绪 论,混凝土结构的工程应用,绪 论,房屋工程,我国超过100m高的高层建筑中绝大多数是混凝土结构或为混凝土和钢的组合结构。,奥体中心 体育场,国家体育场,绪 论,悉尼歌剧院,香港中国银行,绪 论,国家曲棍球场,纽约世贸中心,绪 论,交通工程,隧道、桥梁、高速公路、城市高架公路、地铁,绪 论,斜拉索结构上海南浦大桥,悬索结构
20、伦敦塔楼,交通工程,绪 论,活动桥,赵州石拱桥,绪 论,水利工程,大坝、拦海闸墩、渡槽、港口等多用混凝土结构,我国湖北宜昌的三峡大坝，高186m，装机容量1786千瓦,绪 论,水工大坝结构,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,绪 论,会展中心薄膜结构,问题的复杂性,问题的综合性,问题不是单一的,解答是不唯一的,受力性能,材料的力学性能,两种材料的配比,两种材料的共同工作,1.3 混凝土结构设计原理课程的特点与学习方法,一、 课程的主要研究内容,绪 论,1. 掌握好材料的力学性能。 2. 钢筋混凝土既然是一种复合材料，就存在着两种材料的数量比例和强度搭配问题，超过一定范围，构件的受力性能就会改变，不能正常使用。 3. 钢筋混凝土材料的力学性能和构件的计算方法都是建立在实验研究基础上的，许多计算公式都是在大量试验资料的基础上用统计分析方法得出的半理论半经验公式。,绪 论,二、 注意的问题,4. 学习本课程是为了在工程建设中进行混凝土结构的设计，它包括方案、材料选择、截面形式、配筋、构造措施等；还需要考虑安全适用和经济合理。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、施工等各项指标的可行性，才能确定较为合适的一个设计结果。 5. 学习本课程时，要学会运用现行的混凝土结构设计规范（GB50010-2010 ）。,绪 论,
