混凝土結(jié)構(gòu)設計原理第1章緒論

1混凝土結(jié)構(gòu)設計原理

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編制熊丹安趙亮主講熊丹安趙亮北京大學出版社2主講熊丹安教授31緒論

本章主要講述鋼筋混凝土的一般概念和設計方法。通過本章學習，應達到以下目標：

(1)掌握鋼筋和混凝土的一般性能和它們共同工作的原因；

(2)熟悉鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計方法(3)理解本課程的特點和學習方法。41.1一般概念

1.1.1混凝土和鋼筋

混凝土(concrete）是一種非勻質(zhì)、非連續(xù)、非彈性的材料，其抗壓強度較高而抗拉強度很低(抗拉強度大致為相應抗壓強度的1/10)，它的性能與石材類似,破壞呈脆性。不僅如此，由于混凝土中的水泥和水的化學-物理反應過程要經(jīng)歷很長時間并受周圍環(huán)境影響，所以它的性能還與時間及環(huán)境因素（如溫度、濕度等）有關(guān)。

鋼筋(steelbar)則是較理想的勻質(zhì)彈性材料。作為鋼材的一種,鋼筋的材質(zhì)均勻,抗拉強度和抗壓強度都很高。51.1.2混凝土結(jié)構(gòu)1混凝土結(jié)構(gòu)（concretestructure）包括:

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(reinforcedconcretestructure)

預應力混凝土結(jié)構(gòu)(prestressedconcretestructure)

素混凝土結(jié)構(gòu)(plainconcretestructure)等三種。

一般的混凝土結(jié)構(gòu)則由鋼筋和混凝土組成

62鋼筋和混凝土共同工作原因1)混凝土結(jié)硬后,能與鋼筋牢固地粘結(jié)在一起,相互傳遞應力;粘結(jié)力是這兩種材料共同工作的基礎(chǔ);2)鋼筋和混凝土具有相近的線膨脹系數(shù)，因而在溫度變化時，它們之間不會發(fā)生較大的相對變形，其粘結(jié)力不致因溫度變化而破壞;3)混凝土提供的堿性環(huán)境可以保護鋼筋兔遭銹蝕。鋼筋在堿性環(huán)境下不會銹蝕，而水泥與水反應后生成的Ca(OH)2恰好提供了這種環(huán)境。73鋼筋和混凝土的作用在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，混凝土主要承受壓力，鋼筋主要承受拉力(也可按需要承受構(gòu)件受壓區(qū)的部分壓力)，二者各自發(fā)揮其特長。

例:配置鋼筋后的鋼筋混凝土梁

▲

承載力比素混凝土梁大大提高，

▲鋼筋的抗拉強度和混凝土的抗壓強度均得到充分利用，

▲破壞過程有明顯預兆。81.1.3.混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的類型

按照構(gòu)件的受力狀態(tài)可分為:受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件、受拉構(gòu)件、受扭構(gòu)件柱下基礎(chǔ)樓板柱梁梁墻樓梯墻下基礎(chǔ)地下室底板91.受彎構(gòu)件是最基本的受力構(gòu)件如樓蓋、屋蓋、樓梯、擋土墻…以梁或板的形式出現(xiàn)承受荷載作用下產(chǎn)生的彎矩M和剪力V2.受壓構(gòu)件是另一種最基本的受力構(gòu)件在房屋結(jié)構(gòu)中通常豎向放置,以柱或墻的形式出現(xiàn)主要承受軸向壓力N,還有彎矩M和剪力V10

3受拉構(gòu)件分為軸心受拉構(gòu)件和偏心受拉構(gòu)件軸心受拉構(gòu)件僅承受軸心拉力，是受力最簡單的構(gòu)件偏心受拉構(gòu)件既承受軸心拉力又承受彎矩

4受扭構(gòu)件扭矩T很少單獨作用,往往和彎矩M、剪力V等共同作用，如雨蓬梁、螺旋樓梯等等111.1.4.混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)缺點

1優(yōu)點

耐久性好耐火性好整體性好可模性好就地取材節(jié)約鋼材

2缺點

自重較大容易開裂施工繁瑣工期受季節(jié)性影響隔熱隔聲性能差隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，缺點正逐漸被克服121.2混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的誕生1824年發(fā)明了波特蘭水泥，有了混凝土；1849年用水泥砂漿涂在鋼絲網(wǎng)的兩面做成小船----最早的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；1884年鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)逐漸得到了推廣應用。132.混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1).材料方面的發(fā)展

混凝土強度不斷提高

輕質(zhì)混凝土的應用容重一般為：14kN/m3~18kN/m3，如:加氣混凝土、陶?；炷?、火山巖混凝土、碎磚混凝土等

FRP筋的應用

FRP筋主要由碳素纖維制作而成,用FRP筋代替鋼筋,具有高強、耐腐蝕等優(yōu)點142).結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展

預應力混凝土結(jié)構(gòu)的應用

在混凝土的受拉區(qū)施加預應力，以提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂度，減輕構(gòu)件的自重結(jié)構(gòu)體系的豐富

不同用途、不同結(jié)構(gòu)功能具有相應的結(jié)構(gòu)體系：混凝土結(jié)構(gòu)、鋼與混凝土的組合結(jié)構(gòu)、FRP混凝土及預應力混凝土結(jié)構(gòu)等153).理論研究方面的發(fā)展設計方法允許應力設計法破壞階段設計法極限狀態(tài)設計法半經(jīng)驗半概率法近似概率法全概率法生命全過程設計法材料力學的方法按經(jīng)驗法確定安全系數(shù)164).結(jié)構(gòu)設計方法的發(fā)展結(jié)構(gòu)基本理論----設計方法-----如何設計一個新結(jié)構(gòu)荷載的確定方法結(jié)構(gòu)的力學分析：線性和非線性構(gòu)件的承載力計算、設計方法和構(gòu)造措施未來的方向：計算機的應用與發(fā)展，結(jié)構(gòu)整體空間作用分析方法的完善與應用173.混凝土結(jié)構(gòu)的應用

1)房屋工程我國超過100m高的高層建筑中絕大多數(shù)是混凝土結(jié)構(gòu)或為混凝土和鋼的組合結(jié)構(gòu)混凝土組合柱組合樓板鋼柱組合梁組合桁架鋼筋混凝土筒體182)交通工程

隧道、橋梁、高速公路、城市高架公路、地鐵大都采用混凝土結(jié)構(gòu)。如1994年建成的上海內(nèi)環(huán)線浦西段高架公路，以及與之相連的南浦大橋、楊浦大橋的塔架，1995年建成的地鐵一號線、延安東路隧道、英吉利海峽隧道等193).水利工程

大壩、攔海閘墩、渡槽、港口等多用混凝土結(jié)構(gòu)瑞士大狄克桑期壩，1962年，高285m，世界最高的混凝土重力壩我國湖北宜昌的三峽大壩，高186m，裝機容量1786千瓦204).特種工程核電站的安全殼、熱電廠的冷卻塔、儲水池、儲氣灌、海洋石油平臺、電視塔等211.3混凝土結(jié)構(gòu)的設計原則和方法

新修訂的《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50010_2010)應運而生。規(guī)范主要有如下變動:①材料方面,將混凝土強度最低等級提高為C20;引入了強度級別為500MPa級的熱軋帶肋鋼筋,預應力鋼筋則以鋼絞線和高強鋼絲作為主導鋼筋;②對承載力極限狀態(tài)計算方法、正常使用極限狀態(tài)驗算方法進行了改進;③將設計內(nèi)容由以構(gòu)件設計為主適當擴展到整體結(jié)構(gòu)設計、結(jié)構(gòu)抗倒塌設計和既有結(jié)構(gòu)設計。④完善了耐久性設計方法。⑤對各類構(gòu)件的構(gòu)造措施進行了修訂、補充和完善。22★最新頒布的《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50010_2010)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設計方法，以可靠指標度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用分項系數(shù)的設計表達式進行設計。在本門課程學習前,對己學習的《荷載與結(jié)構(gòu)設計方法》要點予以回顧,以便于本課程的學習和節(jié)省篇幅。231.3.1設計使用年限和設計基準期1、設計使用年限設計使用年限(designworkinglife)是設計規(guī)定的一個時期。在這一規(guī)定時期內(nèi)，房屋建筑在正常設計、正常施工、正常使用和正常維護下,不需要進行大修就能按其預定目的使用?！铩镌O計應明確結(jié)構(gòu)的用途,在設計使用年限內(nèi)未經(jīng)技術(shù)鑒定或設計許可,不得改變結(jié)構(gòu)的用途和使用環(huán)境。242、設計基準期

設計基準期(designreferenceperiod)是指在對荷載進行統(tǒng)計、以及對與時間有關(guān)的材料性能取值所選定的一個時間段。我國所采用的設計基準期為50年。251.3.2結(jié)構(gòu)的功能要求結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設計使用年限內(nèi)，應滿足安全性、適用性、耐久性等各項功能要求。

1.安全性要求結(jié)構(gòu)的安全性要求是指:①在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用。②在設計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。所謂整體穩(wěn)定性，是指在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，建筑結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。262.適用性要求結(jié)構(gòu)在正常使用時具有良好的工作性能。如受彎構(gòu)件在正常使用時不出現(xiàn)過大的撓度等。

3.耐久性要求結(jié)構(gòu)在正常維護下具有足夠的耐久性能。從工程概念上講，就是指在正常維護條件(不需花費過高維修費用)下，在預定的設計使用年限內(nèi),在預定的工作環(huán)境(建筑物所處的環(huán)境)中,結(jié)構(gòu)能夠正常使用。271.3.3結(jié)構(gòu)的可靠度

結(jié)構(gòu)的可靠度(degreeofreliability)是對結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述。是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)(結(jié)構(gòu)的設計使用年限)、在規(guī)定的條件下(正常設計、正常施工、正常使用等條件，不考慮人為過失的影響)，完成預定功能的概率。281.3.4極限狀態(tài)設計方法1承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)(ultimatelimitstate)是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到最大承載力，出現(xiàn)疲勞破壞、發(fā)生不適于繼續(xù)承載的變形或因結(jié)構(gòu)構(gòu)局部破壞而引發(fā)的連續(xù)倒塌?！锂斀Y(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài):①整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡。例如，雨篷的傾覆、煙囪在風力作用下發(fā)生整體傾覆、擋土墻在土壓力作用下發(fā)生整體滑移。②結(jié)構(gòu)構(gòu)件或其連接因超過材料強度而破壞(包括疲勞破壞)，或因過度的變形而不適于繼續(xù)承載。例如，軸心受壓鋼筋混凝土柱中混凝土達到軸心抗壓強度而壓碎;鋼結(jié)構(gòu)軸心受拉構(gòu)件當鋼材達到屈服點時，其變形導致不適于繼續(xù)承載;鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)吊車梁在吊車荷載數(shù)十萬次或數(shù)百萬次的反復作用下，鋼材、混凝土或鋼筋可能發(fā)生疲勞破壞而導致整個吊車梁破壞。③結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系。④結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定(如壓屈等)。⑤地基喪失承載能力而破壞(如失穩(wěn)等)。292正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)對應于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用的某項規(guī)定限值或耐久性能的某種規(guī)定狀態(tài)。

★當結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，應認為超過了正常使用(serviceability)極限狀態(tài):①影響正常使用或外觀的變形。②影響正常使用或耐久性能的局部損壞(包括裂縫)。③影響正常使用的振動。④影響正常使用的其他特定狀態(tài)。303、承載能力極限狀態(tài)計算

1)計算內(nèi)容混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)計算應包括下列內(nèi)容：①結(jié)構(gòu)構(gòu)件應進行承載力(包括失穩(wěn))計算；②直接承受重復荷載的構(gòu)件應進行疲勞驗算；③有抗震設防要求時，應進行抗震承載力計算；④必要時尚應進行結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移、漂浮驗算。⑤對于可能遭受偶然作用，且倒塌可能引起嚴重后果的重要結(jié)構(gòu)，宜進行防連續(xù)倒塌設計。312)承載能力極限狀態(tài)設計表達式★★對持久設計狀況、短暫設計狀況和地震設計狀況,當用內(nèi)力的形式表達時,結(jié)構(gòu)構(gòu)件應采用下列承載能力極限狀態(tài)設計表達式：

γ0S≤R323)基本組合的荷載效應組合設計值

（1)由可變荷載效應控制的組合（2)由永久荷載效應控制的組合γG____意義同前，但取值為1.35;當永久荷載為豎向荷載時(一般情形)，參與組合的也僅限于豎向荷載。33(3)基本組合的簡化規(guī)則對于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，基本組合可采用簡化規(guī)則，并按下列組合值中取最不利值確定。

1)由可變荷載效應控制的組合

S=γGSGK+γQ1SQlK

S=γGSGK+O.92)由永久荷載效應控制的組合仍按式(1.2b)確定344正常使用極限狀態(tài)設計混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)的驗算應包括下列內(nèi)容：①對需要控制變形的構(gòu)件，應進行變形驗算；②對不允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應進行混凝土拉應力驗算；③對允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應進行受力裂縫寬度驗算；④對有舒適度要求的樓蓋結(jié)構(gòu)，應進行豎向自振頻率驗算。對于正常使用極限狀態(tài)，鋼筋混凝土構(gòu)件、預應力混凝土構(gòu)件應分別按荷載的準永久組合，并考慮長期作用的影響或標準組合并考慮長期作用的影響，采用下列極限狀態(tài)設計表達式進行驗算：

S≤CS——荷載組合效應的設計值；

C——結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求所規(guī)定的變形、裂縫寬度和應力等的限值。351）荷載組合(loadcombination)（1)

標準組合(characteristic/nominalcombination)

主要用于當一個極限狀態(tài)被超越時將產(chǎn)生嚴重的永久性損害的情況，其荷載效應組合的設計值S按下式采用:S=SGK+SQlK+（2)準永久組合(quasi-permanentcombinations)362）具體設計內(nèi)容混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在按承載能力極限狀態(tài)進行設計后，尚應按規(guī)范規(guī)定進行裂縫控制驗算以及受彎構(gòu)件的撓度驗算。

(1)裂縫控制驗算對嚴格要求不出現(xiàn)受力裂縫的構(gòu)件,按荷載效應的標準組合計算時，構(gòu)件受拉