1、混凝土结构设计原理Design Principle for Concrete Structures主讲： 阮长锋,1.1 混凝土结构的概念和特点,第一章 序论,1.2 混凝土结构的应用与发展,1.4 学习内容、目的及方法,1.5 本课程考核方式,1.3 混凝土结构的应用,1.1 混凝土结构的概念和特点,结构由若干构件连接而成的能承受荷载和其他间接作用的体系。,建筑结构,应用最广泛,按材料分类,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（Concrete Structures）。,素混凝土 Plain Concrete,纤维增强混凝土
2、 Fiber Reinforced Concrete,钢骨混凝土 Steel Reinforced Concrete,钢筋混凝土 Reinforced Concrete,钢管混凝土 Concrete Filled Steel Tube,预应力混凝土 Prestressed Concrete,钢混凝土组合结构 Composite Structure,混凝土结构的特点,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
3、料强度均得到充分利用。,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1/81/20破坏时具有明显的脆性特征,混凝土的材料特性,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,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,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,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 Steel Reinforced Concrete (SRC),核心混凝土三向受
4、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 Concrete filled Steel Tube,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,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1.210-5，混凝土为1.01.510-5 ）,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。,钢筋混凝土结构的优点材料
5、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。,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； 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 高性能混凝土水灰比较小，早期收缩大。,1.2 混凝土结构的应用与发展,1824年
6、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 1861年，法国花匠J. Monier 用钢丝作为配筋制作了花盆并申请了专利，后又申请了钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利被认为是钢筋混凝土结构的发明者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、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。,1.2.1混凝土结构的诞生,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
7、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,1.2.2 材料方面的发展,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，如：加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土、无砂大孔混凝土，容重一般为：14kN/m318kN/m3(普通混凝土为24kN/m3)，,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。,高性能混凝土包括高强度、高耐久性和高工作性三个要素,强度方面20世纪30年代：10MPa；50年代：20MP
8、a；60年代：30MPa；70年代：40MPa；80年代：60MPa。我国90年代以前，1520MPa，目前60MPa混凝土在高层、超高层中应用已较普遍。,提高结构的耐久性刻不容缓,宁波北仑港码头混凝土梁（建成后11年）,1998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 1.52%，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,自密实混凝土 混凝土拌合物具有良好的工作性，
9、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,某医院内科楼的加固工程,碳纤维（Carbon Fiber）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。,钢筋混凝土基本构件,受剪构件,受弯构件,受拉构件,受压构件,受扭构件,受拉,受压,受弯,受剪,受扭,截面基本受力形态,基本构件的受力往往是基本受力形态的复合,1.2.3 结构方面的发展,结 构 类 型 由过去简单结构向高层、超高层、大跨度等复杂结构发展。,框架-剪力墙 结构,框架-剪力墙 结构,排架结构单层厂房,1.2.
10、4 设计方法方面的 发展,1.3 混凝土结构的应用 1.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。,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。,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 335.3 m；核心筒四周为八根SRC大柱，截面由 1.5 m5 m逐渐收至1 m3.5 m，以适应逐渐收进的外形。,台北101大厦 （508米）,吉隆坡国家石油双子星座大厦（452米）,上海环球金融中心（492米）,阿拉伯酋长国 迪拜摩天大楼（
11、800米）,国际金融中心 （415米）,1.3 混凝土结构的应用 2.交通工程,隧道、桥梁、高速公路、城市高架公路、地铁大都采用混凝土结构。,江阴长江大桥,主跨1385m (江阴长江大桥，悬索结构，1999),1.3 混凝土结构的应用 3.水利工程,大坝、拦海闸墩、渡槽、港口等多用混凝土结构,瑞士大狄克桑期坝，1962年，高285m，世界最高的混凝土重力坝,我国湖北宜昌的三峡大坝，高186m，装机容量1786千瓦,1.3 混凝土结构的应用 4.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,多伦多电视塔 （549米） 预应力混凝土结构,1.3 学习内容、目的及
12、方法,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,问题的复杂性,问题的综合性,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,问题不是单一的,解答是不唯一的,正确理解和使用计算公式 力学中的材料理想的弹性或塑性材料 混凝土材料非匀质、非弹性材料，公式建立在试验和经验基础上 结构计算及设计答案不唯一 要综合考虑建筑方案、结构方案、截面形式、承载力、变形计算、配筋构造及安全、造价、施工等因素。 重视构造措施 构造设计是长期科学实验和工程实践经验的积累，同结构计算同等重要。 重视与基础课程的联系 重视实践和规范应用 本课程是一门理论性和实践性很强的课程。要熟悉、掌握和应用国家颁布的有关结构计算和构造要求的技术规定和标准混凝土结构设计规范（GB500010-2002）、建筑结构荷载规范（GB50009-2001）,考核方法,期末考试70 作业15 平时表现15,
