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1、第一章 绪论 混凝土结构设计原理 Design Principle for Concrete Structures 主讲： 哈尔滨工业大学 土木工程学院 School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology 郑文忠教授 王震宇副教授 邹超英教授 第一章 绪论 主要教学主要教学参考书参考书 （Text Book and ReferencesText Book and References） 第一章 绪论 1.1 混凝土结构的概念和特点 Introduction 1.2 混凝土结构的应用与发展 1.3 学习内容、目的及方法 1.4
2、本课程考核方式 第一章 绪论 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）。 1.1 混凝土结构的概念和特点 素混凝土 Plain Concrete 纤维增强混凝土 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
3、Structure 第一章 绪论 混凝土结构的特点 素混凝土梁 L=1500mm 120 200 C20 P 钢筋混凝土梁 L=1500mm 120 200 2f14 C20 P P=4.4 kN P=62.5 kN 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，钢筋和混凝土的材料强度均得到充分利用。 第一章 绪论 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
4、土的材料特性 第一章 绪论 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 第一章 绪论 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 第一章 绪论 V + _ P ab cd P PPPP M bacd 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 第一章 绪论 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) 第一章 绪论 核心混
5、凝土三向受压 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 第一章 绪论 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 第一章 绪论 钢筋和混凝土共同工作的基础： 1. 两者之间有良好的粘结力，可以保证两者协同工作 2. 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
6、应根据构件的受力特点布置钢筋。 第一章 绪论 1.2 混凝土结构的应用与发展 & 1824年英国人阿斯普丁(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 & 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、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。 钢筋混凝土结构的优点 材料利用合理 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
7、 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。 第一章 绪论 台北101大厦 （508米） 第一章 绪论 吉隆坡国家石油 双子星座大厦（ 452米） 第一章 绪论 多伦多电视塔 （549米） 预应力混凝土结构 第一章 绪论 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。 第一章 绪论 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；
8、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。 第一章 绪论 上海环球金融中心 （492米） 阿拉伯酋长国 迪拜摩天大楼（ 800米） 国际金融中心 （415米） 第一章 绪论 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； ？ 钢材和混凝土同时承受100吨的压力 抗压强度： 混凝土30MPa 钢材235MPa 容重 25 kN/m3 容重 78 kN/m3 0.837 kN 0.33 kN 183 65 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
9、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 高性能混凝土水胶比较小，早期收缩大。 第一章 绪论 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 第一章 绪论 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，减少了混凝土结构的自重 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。 第一章 绪论 第一章 绪论 高性能混凝土包
10、括高强度、高耐久性和高工作性三个要素 林立岩设计大师与沈阳北方建筑材料试验有限责任公司 成功地在沈阳皇朝万鑫大厦工程中应用了C100级高性能 泵送混凝土。 序 号 工程名称 建筑面积 (万m2) 应用部位 (层) 混凝土 供应方 施工年月 强度平均值 (MPa) 1远吉大厦2.4-2+5华兴2003.4116.3 2贵和大厦2.113泰丰2004.3114.5 3皇朝万鑫大厦20-2+8汉拿 2005.4 7 119.1 4 东北大学科技 综合楼 3.813健富2005.9正在施工 5宏发国际名城10.5-2+12华兴2005.9116.9 第一章 绪论 第一章 绪论 活性粉末混凝土 Reac
11、tive Powder Concrete, RPC 抗压强度可达200MPa、500MPa和800MPa 采用粒径小于1mm的细石英砂为粗骨料 在成型过程中施加压力、热水养护或蒸压养护 掺入细而短的钢纤维，抗折强度可达50MPa。 法国Bouygues公司1993年研究成功 第一章 绪论 1994加拿大魁北克省70米跨的 Sherbrooke 人行混凝土桁架桥 上首次应用RPC混凝土，全部构件在现场组装。 第一章 绪论 30mm厚无纤维RPC桥面板 钢管RPC钢管混凝土桁架 由于采用了RPC材料，不仅大大减轻了桥梁结构的自重，同 时提高了桥梁在高湿度环境、除冰盐腐蚀与抗冻融循环作用 下的耐久性
12、能。 有纤维的RPC梁 第一章 绪论 韩国 Seoul（汉城）混凝土步行拱桥 跨度120m，拱高15m，厚1.3m，没有任何柱子支撑，没有箍筋 第一章 绪论 提高结构的耐久性刻不容缓 第一章 绪论 宁波北仑港码头混凝土梁（建成后11年） 第一章 绪论 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 第一章 绪
13、论 自密实混凝土 混凝土拌合物具有良好的工作性，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 第一章 绪论 湘雅医院内科楼的加固工程 第一章 绪论 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。 第一章 绪论 第一章 绪论 第一章 绪论 据日本建设省统计，早在1995年全日本废弃混凝土再资源化率 已达到65，2000年则高达96，欧盟也计划在2010年实现建 筑垃圾再循环率达到90 以上。 再生混凝土 智能混凝土 第一章 绪
14、论 碳纤维混凝土板开裂后的红外热像图 40秒1分40秒 2分30秒 第一章 绪论 1.3 学习内容、目的及方法 学习内容 材料特性 设计方法 轴拉构件 轴压构件 受弯构件 受剪构件 受扭构件 偏压、偏拉构件 变形、裂缝 预应力混凝土结构 楼盖结构 单层厂房 砌体结构 基础 知识 构件 设计 结构设计， 后续课程 第一章 绪论 学习目的 本课程的学习目的：本课程的学习目的： 学会学会解决解决工程中的问题：尤其是工程综合问题工程中的问题：尤其是工程综合问题 学会学会分析分析工程中的问题：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 学会学会发现发现工程中的问题：创新和发展工程中的问题：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 第一章 绪论 基本理论工程应用 问题的复杂性 问题的综合性 受力性能理论分析构件设计结构设计 材料的力学性能 两种材料的配比 两种材料的共同工作 设计中有多种选择方案，因此设计结果不是唯一的 学习方法 第一章 绪论 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 第一章 绪论 考核方法 第一章 绪论 韩愈进学解
