混凝土结构幻灯片第1章

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1、混凝土结构设计原理,土木工程学院建筑工程系 夏珊 2014年9月,混凝土结构是土木工程应用最多的结构形式 从其出现150多年来以发展成为土木工程专业中最重要的一门学科 各国的工程建设标准中，均以混凝土结构设计规范作为其水平的标志 随着工程建设的需求和形式的发展，其内容和知识也在不断更新 更重要的是混凝土结构中的方法包含了土木工程结构中解决问题的基本哲学思想 可以说，不掌握混凝土结构就不能成为一名土木工程师,引言,本课程教学目的 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

2、研究,引言,本课程指导思想 注重建立工程概念 注重培养综合能力 注重提炼科学问题 注重激发创新意识 从理论到实际，从简单到综合 理论分析和工程概念相结合 科学方法与科学创新相结合 培养土木工程师的基本素质,引言,第一章 绪论,1-1 混凝土的一般概念和特点 1-2 混凝土结构的发展简况及其工程应用 1-3 本课程的特点与学习方法,1-1 混凝土的一般概念和特点,一.概念 1.定义： 以混凝土为主要建筑材料的结构。 素混凝土结构 钢管混凝土结构 钢筋混凝土结构 FRP筋混凝土结构 预应力混凝土结构 钢-混凝土结构 钢骨混凝土结构 纤维混凝土,素混凝土结构,素混凝土基础,钢筋混凝土结构,钢筋混凝土

3、梁,钢筋混凝土结构,梁、柱、板组合,预应力混凝土结构,预应力混凝土空心楼板,预应力混凝土结构,钢骨混凝土结构,钢骨混凝土柱,钢骨混凝土结构,钢管混凝土结构,FRP混凝土结构,FRP筋混凝土结构,钢-混凝土组合结构,钢-混凝土组合结构,1-1 混凝土的一般概念和特点,一.概念 2.基本材料特性: 混凝土-抗压强度高，抗拉强度低; 一般抗压只有抗拉的1/81/20； 破坏时脆性性质明显； 由此可知，素混凝土在设计工程中运用很有限，主要用于一些以受压为主的基础、柱墩和非承重结构。 后期学习注意：素混凝土梁试验,1-1 混凝土的一般概念和特点,一.概念 2.基本材料特性: 钢材-抗压强度、抗拉强度都很

4、高; 具有屈服现象，破坏时表现出良好的延性性质； 细长的钢筋受压时极易屈曲，仅作为受拉构件； 材料强度很难达到充分发挥 将两种材料结合在一起共同工作,利用混凝土抗压,利用钢筋抗拉,取长补短，则能组成性能良好的钢筋混凝土结构构件。 后期学习注意：钢筋混凝土梁试验，并与素混凝土梁比照,二.钢筋和混凝土共同工作的基础 1.两者之间具有良好的粘结力,可以共同受力变形,完成结构功能。 2.温度线膨胀系数相近。 混凝土1.01.5x10-5 ,钢筋1.2x10-5,所以温度变化时,不会产生较大滑移导致粘结力破坏。 3.防锈 混凝土包在钢筋的外围,避免钢筋锈蚀,增强了耐久性。,二.钢筋和混凝土共同工作的基础

5、 除在构件受拉区配筋外，还有其他很多配筋方式 可在受压区配筋协助混凝土受压 在复杂应力区（受剪、受扭、节点区、剪力墙等），可配置箍筋和纵横交错的钢筋 当构件受力很大时，可直接配置钢骨 可采用纤维（钢纤维、玻璃纤维等）与混凝土一起搅拌形成的纤维混凝土，抗拉强度大大提高 可看出，两种或者更多的材料的有机组合，可充分发挥出各自的长处，创造出各种形式的复合材料，适应不同的受力要求，取得很好的综合效益。,三.结构和构件 受弯构件 受压构件 受拉构件 受扭构件,受压构件中配置受压钢筋,螺旋箍筋 约束混凝土,四.混凝土结构的优缺点,优点:强度高 耐久性好 耐火性好 可模性好 整体性好 易于就地取材 节约钢材

6、,缺点:自重大 抗裂性差 隔热隔声性能较差 损坏后修复困难 施工耗费大量模板 施工受季节性影响大,1-2 混凝土结构的发展简况 及其工程应用,一.钢筋混凝土结构的诞生,* 1824年，英国人J. Aspdin 发明了波特兰水泥，为混凝土的诞生奠定基础； * 1849年，法国人Joseph Louis Lambot 用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成小船-最早的钢筋混凝土结构； * 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-尽管他不懂钢筋混凝土结构的受力原理，甚至将钢筋配置在板的中部，他却被认为是钢筋混凝土结构的发明者；

7、* 1884年，德国人Wayss, Bauschingger和Koenen等提出了钢筋应配置在构件中受拉力的部位和钢筋混凝土板的计算理论。后来，钢筋混凝土结构逐渐得到了推广应用。,二.混凝土结构的发展,第一阶段 从发明至20世纪初，两种材料强度都很低。 主要用于建造中小型楼板、梁、柱、拱、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，采取容许应力设计方法。,二.混凝土结构的发展,第二阶段 从20世纪20年代到第二次世界大战前后，两种材料强度不断提高。 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于建造大跨度。 计算理论：前苏联著

8、名的混凝土结构专家格沃兹杰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。,二.混凝土结构的发展,第三阶段 从第二次世界大战后至今，随着战后建设速度加快，对材料性能及施工技术提出了更高要求，出现装配式混凝土结构，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。 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

9、断提出新的课题，并不断促进混凝土结构的发展。,二.混凝土结构的发展,1.材料方面的发展 混凝土材料: 高强、轻质、耐久、提高抗裂性、易于成型、外加剂、无砂混凝土、纤维混凝土等 钢筋材料: 高强、延性好、防腐、高粘结锚固性,2.结构体系方面的发展,预应力混凝土结构的应用 在混凝土的受拉区施加预应力，以提高混凝土结构的抗裂度, 减轻构件的自重。 钢和混凝土组合结构的应用 在混凝土构件中配置型钢或在钢管中填充混凝土,其强度高、截面小、延性好。 结构体系的丰富 不同用途、不同结构功能具有相应的结构体系;同一结构中可以同时使用钢构件、钢-混凝土组合构件和混凝土构件组成钢-混凝土混合结构。,3.理论研究方

10、面的发展,设计方法,允许应力设计法,破坏阶段设计法,极限状态设计法,半经验半概率法,近似概率法,全概率法,生命全过程设计法,材料力学的方法,按经验法确定安全系数,结构基本理论-如何设计一个新结构,荷载的确定方法 结构的力学分析：线性和非线性 构件的承载力计算、设计方法和构造措施,未来的方向：计算机的应用与发展，结构整体空间作用分析方法的完善与应用。,结构基本理论-旧结构的维护、改造与加固（80年代中期发展起来）,承载力计算,耐久性评估,寿命预测,损伤分析,加固理论,修复理论,灾害评估等,4.混凝土结构的应用 (1)房屋工程 厂房、住宅、办公楼等多高层建筑广泛采用混凝土结构。我国超过100m的高

11、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。 (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。如1994年建成的上海内环线浦西段高架公路，以及与之相连的南浦大桥、杨浦大桥的塔架，1995年建成的地铁一号线、延安东路隧道、英吉利海峡隧道等。 (3)水利工程 大坝、拦海闸墩、渡槽、港口等多用混凝土结构。 (4)特种工程 如核电站的安全壳、热电厂的冷却塔、储水池、储气灌、海洋石油平台、电视塔等。,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8.4万平方米。,1-3 本课程的特

12、点与学习方法,一.课程的特点 （1）钢筋混凝土的理论是建立在实验的基础上 （2）本课程是一门理论性和实践性都很强的专业课 （3）和规范紧密相连 （4）本课程的习题解往往不是唯一解,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,二.混凝土结构的学习过程,三.学习时应注意的问题,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、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，因而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。,三.学习时

13、应注意的问题,2. 工程项目建设是国家的重要工作，必须依照国家颁布的法规进行 强制性法规具有法律效应 国家技术标准合同 行业技术标准不低于国家标准，合同 企业技术标准不低于国家标准，竞争,三.学习时应注意的问题,2. 工程项目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。 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。,三.学习时应注意的问题,2. 工程项目建设是国家的重要工作，必须依照国

14、家颁布的法规进行 由于工程结构类型很多，不同的结构类型对应不同的规范或规程。 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学习。,三.学习时应注意的问题,3. 设计工作是一项创造性工作 一方面，在设计中只能按照规范的条例进行； 另一方面，只有深刻理解规范的理论依据，才能更好的应用规范，充分发挥设计者的主动性和创造性。 某种意义上说，规范是给傻瓜设计师编写的。 注意学习体会工程中的创造性。 本学科还在不断发展更新，设计工作也不应被规范和规程所束缚，在试验和理论均得到可靠论证后，应积极采用先进的理论技术。规范一般十年修订一次，

15、为的就是反映学科最新发展成果。,三.学习时应注意的问题,3. 设计工作是一项创造性工作 美国ACI混凝土结构设计规范的第一章第一句话： “本规范仅提供设计与施工的最低要求” 也就是说，设计人员应从具体出发采用不同于规范的要求。 美国公路部门的ASSHTO桥梁设计规程写得更清楚： “本规程无意取代设计人所具有的专门教育和工程判断的训练，仅在规程中规定为保证公共安全的最低要求。业主和设计人可能需要在设计中采用新的先进技术，或需对材料及施工质量提出更高的要求。”,三.学习时应注意的问题,(1)某些理论处在半经验半理论状态，应注意公式的适用条件。 (2) 注意两种材料的配比。 (3) 设计过程是一个复杂的过程, 考虑适用、经济、安全、施工可行。 (4)正确地看待规范。 (5)充分发挥设计人员的主观能动性。 (6)学以致用,不仅是懂得一些理论，更重要的是实践和应用。,四.如何学好本课程,本章学习要求,掌握混凝土结构的基本概念及其特点； 掌握混凝土与钢筋结合的可能性； 了解混凝土结构的发展简况及其应用。,