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1、混凝土结构Concrete Structure,主讲教师：刘正保 教授 Tel：13803774929 熊辉霞 讲师 Tel：13703774155 张建文副教授Tel：3373451 E-mail: 土木工程系工程结构研究室,1 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)。,1.1 混凝土结构的一般概念和特点,素混凝土结构,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,第一章 绪论,钢 -混凝土混合结构,纤维混凝土,第一章 绪论,素混凝土结构（Pl
2、ain Concrete),Foundation,Masonry wall,第一章 绪论,钢筋混凝土结构（Reinforced Concrete Structure),Reinforcement,Stirrup,Support,第一章 绪论,钢骨混凝土结构（Steel Reinforced Concrete) (Encased Concrete),Steel,Reinforcement,Stirrup,Steel reinforced Concrete column,第一章 绪论,钢管混凝土结构（Concrete Filled Tube),Steel tube,Concrete,Concret
3、e filled tube column,第一章 绪论,FRP混凝土（Fiber Reinforced Polymer(Plastic) Concrete ),第一章 绪论,钢-混凝土组合（混合）结构 (Composite Structure or Hybrid Structure),混凝土(Concrete)： 抗压强度高，而抗拉强度却很低 High compressive strength, but lower tensile strength 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性质( Brittle),第一章 绪论,因此，素混凝土构件在实际工程的应用很有限，主
4、要用于以受压为主的基础、柱墩和一些非承重结构。,基本材料性能 Basic Materials Properties,素混凝土梁试验 Test of Plain Concrete Beam,第一章 绪论,Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2,ft,sc= ft,素混凝土梁受力性能,Pu Pcr,破坏时跨中截面受压边缘的压应力与抗拉强度相近，远未达到混凝土的抗压强度，破坏表现为脆性断裂，无明显预兆。,第一章 绪论,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,而
5、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。,Advantage: 将混凝土和钢材这两种材料有机地结合在一起，可以取长补短，充分利用材料的性能。,第一章 绪论,Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2 fy=335N/mm2,ft,sc= ft,钢筋混凝土梁,Pu 52.5kN,fy,配置钢筋后，RC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，且破坏过程有明显预兆。,Py 50.0kN,第一章 绪论,fc,Pcr = 9.7kN,fc=13.4N/mm2 ft=1.54N/mm2 fy=335N/m
6、m2,ft,sc= ft,钢筋混凝土梁,Pu 52.5kN,fy,Py 50.0kN,第一章 绪论,fc,但从开裂荷载到屈服荷载，在很长的过程带裂缝工作； 通常裂缝宽度很小，不致影响正常使用。 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？,钢筋混凝土Reinforced Concrete 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
7、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,第一章 绪论,第一章 绪论,钢筋与混凝土共同工作的条件 钢筋（材）和混凝土两种材料的物理力学性能(physical mechanics performance)很不相同，它们可以结合在一起共同工作，是因为： 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；,第一章
8、绪论,粘结力Bond,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。,混凝土结构的优点： 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
9、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。,第一章 绪论, 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。,第一章 绪论,混凝土结构的缺点： 自重大：不适用于大跨、高层结构。,第一章 绪论,轻质、高强和预应力, 抗裂性差：普通RC结构，在正常使用阶段往往带裂
10、缝工作，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RC用于大跨结构，高强钢筋无法应用。,预应力混凝土, 承载力有限：在重载结构和高层建筑底部结构，构件尺寸太大，减小使用空间。,高强、钢骨、钢管混凝土, 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。, 混凝土结构一旦破坏，其修复、加固、补强比较困难。,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,混凝土结构加固技术不断得到发展，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。,1.2 混凝土结构的发展简况及其应用 1824年英国人阿斯普丁(J.Aspdin)发明
11、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。,第一章 绪论,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
12、力设计方法(Allowable stress design method)。,第一章 绪论,混凝土结构的发展,混凝土结构的发展,第一章 绪论,第二阶段(The second stage) ： 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 meth
13、od)，奠定了现代钢筋混凝土结构的基本计算理论。,第一章 绪论,第三阶段(The third stage)：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、泵送商品混凝土等工业化生产技术。 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、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。 设计计算理论：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,第一章 绪论,第
14、一章 绪论,第一章 绪论,第一章 绪论,上海莘庄大型立交工程 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m2。,第一章 绪论,1.3 混凝土结构课程学习中应注意的问题,钢筋混凝土结构基本构件和基本理论（上册）,混凝土结构设计（下册）,第一章 绪论,截面的基本受力形态有：,正截面受力,斜截面受剪,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,第一章 绪论,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,第一章 绪论,第一章 绪论,科学方法论
15、： 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、结构、材料、施工、管理,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 设计过程包括结构方案、构件选型、材料选择、配筋构造、施工方案等 还需要考虑安全适用和经济合理。 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。 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。,第一章 绪论,学习中应注意的问题：,第一章 绪论,2、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 设计人员必须遵照各种结构类型的设计规范或规程进行设计
16、。 各种设计规范或规程是具有约束性和立法性的文件，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，保证设计的质量和工程项目的安全可靠。 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。,学习中应注意的问题：,第一章 绪论,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。 本学期以基本理论为主，并结合主要用于建筑结构的混凝土结构设计规范GB500010学习。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。,学习中应注意的问题：,第一章 绪论,3、设计工作是一项创造性工作 一方面在设计工作中必须按照规范进行 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和创造性。 规范是给傻瓜设计师编写的 注意学习中的创造性。 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，在经过各方面的可靠性论证后
