1章-混凝土结构-绪论xg.ppt

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1、1,混凝土结构,主讲： 刘先珊 学院：土木工程学院,2,本课程是一门实践性，理论性都很强的专业课。主要研究钢筋混凝土的材料力学性能、设计方法；各类构件的受力性能、计算方法和配筋构造；梁板结构的设计计算等结构设计的基本知识。通过本课程的学习，要求学生掌握混凝土基本构件的基本原理，为学习后续课程打下基础。 它的先修课程是高等数学、概率论与数理统计、理论力学、材料力学、结构力学中的静定部分、土木工程材料 ，后续课是混凝土结构设计等。 通过本课程的学习，学生应对混凝土结构常见基本构件、梁板结构、单层厂房结构、多层框架结构进行设计。,课程要求：,3,课程的学习方法：,1.深入掌握材料性能。因为两类结构的

2、许多特性都是由材料性能决定的。,2.结构开裂前、后其受力特征发生许多变化，应注意结构设计公式和力学理论公式的区别和联系。,4,3.要熟悉各种结构设计规范,建筑结构荷载规范 (GBJ50009-2001),混凝土结构设计规范 (GB50010-2002),4.计算固然重要，构造不能忽视。,5,课程的主要内容,（一）绪论：理解钢筋混凝土的特点及钢筋混凝土在国内外的发展，了解本课程的内容、任务和学习方法。 （二）混凝土结构材料的力学性能： 1、理解钢筋的应力应变曲线特征，掌握钢筋弹性模量，屈服应力，极限应力及其相应的应变值；2、理解混凝土强度和变形的基本概念和基本规律，混凝土的抗压强度、应力应变曲线

3、特性、弹性模量与变形模量的关系，混凝土强度等级与不同受力强度指标之间的关系等；3、理解混凝土的收缩、徐变性质及其对混凝土结构构件性能的影响；4、理解混凝土与钢筋之间的粘结性能，粘结应力与钢筋应力之间的关系。深入理解混凝土与钢筋共同工作的原理。,6,（三）按近似概率理论的极限状态设计法： 1、理解按概率极限状态设计的意义。2、了解失效概率及可靠性指标等基本概念，荷载及材料强度的取值及分项系数的意义，3、掌握两种极限状态实用表达式的应用。 （四）受弯构件正截面的受弯承载力： 1、深入理解梁受力各阶段截面应变和应力的分布、破坏特征及配筋率对破坏特征的影响。2、理解正截面承载力计算的基本假定及其意义。

4、3、熟练掌握矩形、双筋、T形截面的配筋计算方法、适用条件及构造要求。4、掌握深受弯构件的受力性能、深梁的内力及承载力计算。 （五）受弯构件斜截面承载力： 1、理解无腹筋梁斜裂缝出现后的应力状态及其破坏形态。2、了解影响抗剪能力的因素。3、深入理解腹筋的作用及其对破坏形态的影响。4、熟练掌握有腹筋梁斜截面受剪承载力计算方法及其限制条件。5、掌握受弯构件纵向钢筋的布置、弯起、截断、锚固等构造措施。,7,（六）受压构件的截面承载力：1、深入理解轴心受压构件受力全过程及其破坏特征。2、掌握轴心受压构件的承载力计算方法。3、熟悉螺旋箍筋柱的承载力计算。4、深入理解偏心受压构件的两种破坏形态、特征及其形成

5、条件，不同长细比柱的破坏类型，偏心距增大系数和附加偏心距的意义及其影响。5、熟练掌握矩形、工字形截面偏心受压构件（不对称及对称配筋）的计算方法、适用条件及其构造要求。6、掌握偏心受压构件斜截面的承载力计算方法。 （七）受拉构件的截面承载力：1、深入理解轴心受拉构件和偏心受拉构件受力全过程及其破坏特征。2、掌握轴心受拉构件及偏心受拉构件正截面的承载力计算方法及偏心受拉构件斜截面的承载力计算方法。 （八）受扭构件的扭曲截面承载力：1、 理解矩形截面纯扭构件的受力性能、破坏特点、截面限制条件及构造配筋界限的意义。2、掌握弯、剪、扭构件配筋计算方法及其构造要求。,8,（九）钢筋混凝土构件的变形、裂缝及

6、混凝土结构的耐久性： 1、理解裂缝宽度及截面抗弯刚度的计算原理。2、掌握构件挠度和最大裂缝宽度的验算方法。3、了解对不需验算构件挠度及裂缝宽度规定的依据。4、深入理解梁在纯弯区段内的应力重分布全过程，构件开裂后钢筋和混凝土应变分布规律及其影响因素，裂缝控制的目的与要求，非荷载效应引起裂缝的原因及相应的措施。5、理解耐久性的概念与主要影响因素，了解混凝土碳化的原因及减小碳化的措施，了解钢筋锈蚀的原因及减小锈蚀的措施。6、掌握耐久性设计的方法。 （十）预应力混凝土构件： 1、深入理解预应力混凝土的基本概念，熟悉各项预应力损失的产生原因及其计算。2、熟练掌握预应力轴心受拉构件和受弯构件的计算。3、了

7、解预应力混凝土构件的构造要求。了解无粘结预应力混凝土和部分预应力混凝土的基本概念。,9,1 绪 论 本章的主要内容： 1 混凝土和钢筋的最基本力学性能。 2 钢筋混凝土梁与素混凝土梁的差别。 3 钢筋与混凝土共同工作的条件。 4 钢筋混凝土结构的优、缺点。 5 本课程学习需注意的问题。,10,图1-1 常见混凝土结构构件形式,混凝土结构的一般概念,混凝土结构的概念：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)。 以混凝土作为主要承重材料 根据需要配置一定量钢筋、预应力筋 常见的混凝土结构构件形

8、式如图1-1所示：,11,素混凝土结构（Plain Concrete),Foundation,Masonry wall,12,第一章 绪论,钢筋混凝土结构（Reinforced Concrete Structure),Reinforcement,Stirrup,Support,13,预应力混凝土结构（Pre-stressed Concrete Structure),Pre-stress rebar,Concrete,Hollow tube,Pre-stressed concrete hollow floor,14,钢骨混凝土结构（Steel Reinforced Concrete) (Enca

9、sed Concrete),Steel,Reinforcement,Stirrup,Steel reinforced Concrete column,15,钢管混凝土结构（Concrete Filled Tube),Steel tube,Concrete,Concrete filled tube column,16,FRP混凝土（Fiber Reinforced Polymer(Plastic) Concrete ),17,钢-混凝土组合（混合）结构 (Composite Structure or Hybrid Structure),18,混凝土结构的主要材料：混凝土和钢材的材料特性 混凝土：

10、 抗压强度高 抗拉强度极低，一般抗拉强度只有抗压强度的1/81/20 破坏时具有明显的脆性。 因此，素混凝土构件在实际工程的应用很有限，主要用于以受压为主的基础、柱墩和一些非承重结构。 钢材： 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 但细长的钢筋受压时极易压曲，仅能作为受拉构件 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。,混凝土和钢筋的最基本力学性能,19,钢筋混凝土： 除在构件的受拉区配筋外，还有许多其他配筋方式 可以在构件的受压区配置钢筋协助混凝土承受压力 在复杂应力区域（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

11、的钢筋 当构件受力很大时，可以直接配置钢骨 还可以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 采用纤维（钢纤维、玻璃纤维等）与混凝土一起搅拌形成的纤维混凝土，其抗拉强度可以达到提高 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，适应各种不同受力的要求，取得很好的综合经济效益,20,常见的配筋形式,21,混凝土结构,素混凝土结构：不配置钢筋的混凝土结构,钢筋混凝土结构：配置非预应力钢筋的混凝土结构,预应力混凝土结构 ：在混凝土或钢筋混凝土结构制作时，在其特定部位上，人为地施加预应力的混凝土结构,钢筋混凝土结构：根据构件的受力特征，在混凝土

12、构件的适当部分配置钢筋。,混凝土结构与素混凝土的区别,22,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：,23,结果分析,a)图：当荷载较小时，截面上的应力如同弹性材料的梁一样，沿截面高度呈直线分布； 当荷载增大使截面受拉区边缘纤维拉应力达到混凝土抗拉极限强度时，该处的混凝土被拉裂； 裂缝沿截面高度方向迅速开展，试件随即发生断裂破坏。 这种破坏是突然发生的，没有明显的预兆。尽管混凝土的抗压强度比其抗拉强度高几倍或十几倍，但不能得到充分利用，因为试件的破坏由混凝土的抗拉强度控制，破坏荷载值很小，只有8kN。,24,b)图：如果在该梁的受拉区布

13、置三根直径为l6mm的I级钢筋(记作3l 6)，并在受压区布置两根直径为10mm的架立钢筋和适当的箍筋，再进行同样的荷载试验(图b) 则可以看到，当加荷到一定阶段使截面受拉区边缘纤维拉应力达到混凝土抗拉极限强度时：混凝土虽被拉裂，但裂缝不会沿截面的高度迅速开展，试件也不会随即发生断裂破坏。 混凝土开裂后，裂缝截面的混凝土拉应力由纵向受拉钢筋来承受，故荷载还可以进一步增加。 此时变形将相应发展，裂缝的数量和宽度也将增大，直到受拉钢筋抗拉强度和受压区混凝土抗压强度被充分利用时，试件才发生破坏。 破坏前，试件的变形和裂缝都发展得很充分，形成明显的破坏预兆。虽然试件中纵向受力钢筋的截面面积只占整个截面

14、面积的百分之一左右，但破坏荷裁却可以提高到36kN。,25,现将素混凝土梁和配置钢筋的梁进行荷载试验：,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, 结构的受力性能得到改善,26,钢筋混凝土结构不是钢筋和混凝土之间的任意组合。,其组合的原则：发挥钢筋抗拉、抗压强度高的特点；发挥混凝土抗压强度高，而避免抗拉强度低的弱点。,钢筋与混凝土合理的组合原则,27,28,advantage：可以想见，二者如能有机地结合在一起，相互取长补短，

15、就可以充分利用材料的性能。 物理性质差异很大的情况下，二者能很好地结合在一起工作吗？回答是肯定的。这是因为： 一、钢筋与混凝土之间存在着粘结力；使二者结合好，在荷载作用下，协调变形，共同工作，两者不致产生相对滑移。 二、钢筋与混凝土有相近的线膨胀系数；钢=1.210-5 砼=（1.0-1.5）10-5.温度变化时，两种材料不致产生较大的相对变形而破坏它们之间的粘结力。 三、混凝土对钢筋的保护作用：可防腐、防锈；结构也不致因火灾，使钢筋很快软化而导致破坏。,钢筋与混凝土共同工作的条件,29, 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，结构承载力与刚度比例合适，基本无局部稳定问题，单位

16、应力价格低，对于一般工程结构，经济指标优于钢结构。 可模性好：混凝土可根据需要浇筑成各种性质和尺寸，适用于各种形状复杂的结构，如空间薄壳、箱形结构等。 耐久性和耐火性较好，维护费用低：钢筋有混凝土的保护层，不易产生锈蚀，而混凝土的强度随时间而增长；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。,混凝土结构的优缺点：,30, 现浇混凝土结构的整体性好，且通过合适的配筋，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。 刚度大、阻尼大，有利于结构的变形控制。 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

17、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。,31,混凝土结构的缺点： 自重大(对重力坝，自重大是一个优点）发展轻质混凝土、高强混凝土和预应力混凝土。 抗裂性差，影响结构的耐久性 发展预应力混凝土，利用树脂涂层钢筋。 承载力有限发展高强混凝土、钢骨混凝土、钢管混凝土。 施工复杂，工序多，工期长，受季节、天气的影响较大利用钢模、飞模、滑模等先进施工技术，采用泵送混凝土、早强混凝土、高性能混凝土、免振自密实混凝土等，提高施工效率。 破坏后的修复、加固、补强比较困难 发展新型的混凝土加固技术，如碳纤维布加固混凝土结构技术。,32,钢筋混凝土建筑结构及基本构件,土木工程中，钢

18、筋混凝土结构可以用于多种房屋结构类型以及其他工程。 一结构体系（类型） 1混合结构：是指承重构件由不同材料组成的如：砌体结构，钢木结构等。 2框架结构：主要用于工业厂房及层数较多的民用建筑。 3框架剪力墙结构：房屋更高时，基本为框架，但部分采用钢混凝土墙。 4剪力墙结构：全部采用钢筋混凝土墙，无柱。 5筒体：,33,二承重构件 1水平承重构件：屋盖及楼盖；主要承受直接作用于屋（楼）盖上的荷载及结构本身自重，它是由梁、板组成。 2竖向承重构件：柱子，墙。承受由屋（楼）盖传来的作用力，如风或地震引起的水平力，并将这些力传给基础，由基础传至地基。 综合以上，钢筋混凝土结构构件按形状和功能分为梁、板、

19、柱、墙、基础，统称为基本构件。,34,按受力特点来区分基本构件 一受弯构件：如梁或板，主要承受M作用，但一般也有V存在。 二受压构件：如柱，结构墙，屋架压杆等。 承受N，轴向力沿构件纵轴作用时为轴压。 承受M、N，与构件轴线作用有偏心的称为偏压。 承受M、N、V，当V较大时，计算中还应考虑其影响。 三受拉构件，如屋架拉杆，承受N：沿构件纵轴作用时为轴拉（屋架下弦）。承受N、M、V，如框架柱，在竖向、水平荷载作用下，柱中可能受拉力，又有M、V，可能为偏拉构件 四受扭构件：框架结构的边梁，雨篷梁等（一侧有竖向荷载，另一侧没有竖向荷载）而引起的M，但纯扭构件很少，一般都是M、M、V共同作用。,35,

20、混凝土结构的发展简况及其应用,混凝土结构的发展阶段 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）制造了世界上第一只钢筋混凝土小船 1872年纽约建造了世界上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。,36,目前，混凝土结构已经成为土木工程结构中最主要的结构。其发展大体可以分为三个阶段： 第一阶段钢筋混凝土发明至20世纪初 钢筋和混凝土的强度比较

21、低：应用领域用于建造中小型楼板、梁、柱、拱和基础等构件 设计方法容许应力设计方法，弹性理论 第二阶段从20世纪20年代到第二次世界战争前后 出现了预应力混凝土：应用领域开始用于大跨度结构 设计方法破损阶段设计法和极限状态设计法 第三阶段第二次世界战争以后至今 出现了装配式钢筋混凝土结构、泵送商品混凝土等工业化生产的结构：应用领域超高层建筑、大跨度桥梁、特长跨海隧道、高耸结构等大型结构工程 设计方法以概率理论为基础的极限状态设计法,37,混凝土结构的工程应用 你想一睹混凝土结构的风采吗？ 桥梁工程；房屋建筑工程；特种结构与高耸结构；水利及其他工程,桥梁工程：,38,39,房屋工程：,40,41,

22、混凝土结构发展概况,1.材料方面：向高强、轻质、耐久、抗震的方向发展。 过去一般采用低强度混凝上(低于20Nmm2)。现在已发展到采用中等强度(20 Nmm2一50 Nmm2)和高强度混凝上(50 Nmm2以上)。 目前已经研制成强度为200 Nmm2左右的混凝土。重力密度为14kNm 3一18 kNm 3的陶粒混凝土、浮石混凝土、泡沫混凝土、加气混凝土等轻质混凝土在世界各地也得到广泛地应用。 各种低合金钢钢筋和高强度钢筋与钢丝也广泛地用于钢筋混凝土结构之中。轻质高强材料的采用，为高层建筑和大跨结构的发展提供了有利条件。 例如，20层以内的框架结构，可以用改变混凝土强度和调整钢筋数量的方法，将

23、立柱截面从底层到顶层设计成400 mm400mm，从而收到减轻结构自重、节约材料用量和简化施工操作等效果。,42,2.结构方面： 已经由过去的简单结构，发展到高层、大跨等复杂结构。 目前，世界上用钢筋混凝土材料建成的最高建筑是美国芝加哥的水塔广场大厦，76层，高262m。 我国目前最高的钢筋混凝土建筑是广州的国际大厦，64层，高195m。 目前，已经建成的预应力轻骨料混凝土飞机库屋盖结构的最大跨度为90 m 。 一般的工业与民用建筑中，混凝土结构逐步朝定型化、标准化和体系建筑发展。钢筋混凝土还广泛地用来建造水池、水塔、油罐、烟囱、简仓、桥梁、电视塔等。 3.施工技术： 最早是凭经验估算。 稍后

24、，从本世纪初的容许应力方法，经过40年代的按破损阶段计算，发展到50年代以来的按极限状态设计方法。 概率理论更多地应用于结构设计，构造措施逐步合理，设计规范日趋完善，电子计算机已广泛用于结构计算、绘图和辅助助设计。,43,混凝土结构计算理论的发展概况,1.混凝土结构计算理论发展概况： 它经历了弹性理论为基础的容许应力法（此种方法与实际情况有较大出入）认识问题由浅至深。 40年代，按破坏阶断的计算方法（试验研究的进展）。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，50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。 50年代，按极限状态

25、的计算方法（对荷载和材料变异性能不断研究）这种方法以过30多年的研究与实践，其理论不断发展完善，已为多数国家所采用。目前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。,44,2.我国混凝土结构设计规范发展概况：3个不同发展阶段 119491965年，直接采用外国规范，前期按破坏阶段计算方法，后期按极限状态计算方法。 219661988年，采用我国自制规范BJG2166钢筋混凝土结构设计规范随后对BJG2166修改为TJ74。 319892002年，混凝土结构设计规范，以概率理论为基础的极限状态设计方法，并用多个经验系数来表达。

26、42002年以来，采用现行混凝土结构设计规范GB500102002其计算结果有明确的可靠度指标，对提高构件设计合理性具有深刻意义，并将建筑结构的计算方法提高到当今的国际先进水平。,45,相应的规范,1GB500102002。混凝土结构设计规范，北京：中国建筑工业出版社，2002 2公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（征求意见稿），北京：中交公路规划设计院，2000 3GB500682001，建筑结构可靠度设计统一标准，北京：中国建筑工业出版社，2001 4GB/T502831999，公路工程结构可靠度设计统一标准，北京：中国计划出版社，2001 5GB50009-2001，建筑结构荷载规

27、范，北京：中国建筑工业出版社，2002,46,混凝土结构学习中应注意的问题,混凝土结构的课程内容和学习过程 混凝土结构的课程内容 基本构件和基本理论、混凝土结构设计 基本构件 受弯构件受压构件受扭构件受拉构件 截面的基本受力形态 正截面受力（拉、压、弯、拉弯和压弯）斜截面受力（剪、弯）扭曲截面受扭 基本构件的受力往往是上述基本受力形态的复合,47,48,49,混凝土结构的学习过程,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,50,科学方法论： 分解论各种受力形态 整体论构件：各种受力形态的组合 系统论工程：各种构件、

28、结构、材料、施工、管理,51,混凝土结构的基本理论是一门特殊的材料力学，分析问题仍然以材料的物理关系、变形的几何关系和受力的平衡关系为出发点。 学习中要注意钢筋和混凝土的受力性能、二者的相互作用和配比关系对结构构件受力性能的影响。 为了对钢筋混凝土结构的受力性能与破坏特性有较好的了解，首先要求对钢筋和混凝土的力学性能要较好地掌握。 在学习本课程时，应该注意各计算公式与力学公式的联系与区别。 学习本课程时，应该注意分析公式与设计公式之间的联系与区别，了解和掌握我国有关混凝土结构设计的技术和经济政策。 在学习本课程时，除了要对各种计算公式了解掌握以外，对各种构造措施也必须给予足够的重视。在设计混凝

29、土结构时，除了进行各种计算以外，还必须检查各项构造要求是否得到满足。,在基本理论的学习过程中应注意的问题,52,学习中要注意使钢筋与混凝土共同工作的基础二者之间可靠的粘结力得以充分保证。 学习中应重视试验研究的方法，了解反映试验中规律性现象的受力性能，注意经验公式建立的条件和适用范围。 构件和结构设计是一个综合性问题，设计结果不惟一，确定方案时要综合考虑使用、材料、造价、施工等方面的因素。 构件和结构设计必须遵循各种结构类型的设计规范或规程，因此本课程的学习要结合混凝土结构设计规范（GB500102002）（以下简称规程来进行。 设计工作是一项创造性工作，不应该被规范所束缚，要充分发挥设计者的主动性和创造性。 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，但混凝土结构的基本理论是一致的，应重点学好基本理论。,