混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第1章緒論

1混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

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編制熊丹安趙亮主講熊丹安趙亮北京大學(xué)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(shè)計(jì)方法。通過(guò)本章學(xué)習(xí)，應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)：

(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(shè)計(jì)方法(3)理解本課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)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(qiáng)度較高而抗拉強(qiáng)度很低(抗拉強(qiáng)度大致為相應(yīng)抗壓強(qiáng)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(xué)-物理反應(yīng)過(guò)程要經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間并受周?chē)h(huán)境影響，所以它的性能還與時(shí)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(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(yù)應(yīng)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(yīng)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(shí)，它們之間不會(huì)發(fā)生較大的相對(duì)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(hù)鋼筋兔遭銹蝕。鋼筋在堿性環(huán)境下不會(huì)銹蝕，而水泥與水反應(yīng)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(zhǎng)。

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(qiáng)度和混凝土的抗壓強(qiáng)度均得到充分利用，

▲破壞過(guò)程有明顯預(yù)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(jiǎn)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(dú)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(diǎn)

1優(yōu)點(diǎn)

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(diǎn)

自重較大容易開(kāi)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(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，缺點(diǎn)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(yīng)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(qiáng)度不斷提高

輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用容重一般為：14kN/m3~18kN/m3，如:加氣混凝土、陶?；炷痢⒒鹕綆r混凝土、碎磚混凝土等

FRP筋的應(yīng)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(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)142).結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

在混凝土的受拉區(qū)施加預(yù)應(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等153).理論研究方面的發(fā)展設(shè)計(jì)方法允許應(yīng)力設(shè)計(jì)法破壞階段設(shè)計(jì)法極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法半經(jīng)驗(yàn)半概率法近似概率法全概率法生命全過(guò)程設(shè)計(jì)法材料力學(xué)的方法按經(jīng)驗(yàn)法確定安全系數(shù)164).結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展結(jié)構(gòu)基本理論----設(shè)計(jì)方法-----如何設(shè)計(jì)一個(gè)新結(jié)構(gòu)荷載的確定方法結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析：線性和非線性構(gòu)件的承載力計(jì)算、設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施未來(lái)的方向：計(jì)算機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展，結(jié)構(gòu)整體空間作用分析方法的完善與應(yīng)用173.混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

1)房屋工程我國(guó)超過(guò)100m高的高層建筑中絕大多數(shù)是混凝土結(jié)構(gòu)或?yàn)榛炷梁弯摰慕M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(hào)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(guó)湖北宜昌的三峽大壩，高186m，裝機(jī)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(chǔ)水池、儲(chǔ)氣灌、海洋石油平臺(tái)、電視塔等211.3混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和方法

新修訂的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010_2010)應(yīng)運(yùn)而生。規(guī)范主要有如下變動(dòng):①材料方面,將混凝土強(qiáng)度最低等級(jí)提高為C20;引入了強(qiáng)度級(jí)別為500MPa級(jí)的熱軋帶肋鋼筋,預(yù)應(yīng)力鋼筋則以鋼絞線和高強(qiáng)鋼絲作為主導(dǎo)鋼筋;②對(duì)承載力極限狀態(tài)計(jì)算方法、正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算方法進(jìn)行了改進(jìn);③將設(shè)計(jì)內(nèi)容由以構(gòu)件設(shè)計(jì)為主適當(dāng)擴(kuò)展到整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)和既有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。④完善了耐久性設(shè)計(jì)方法。⑤對(duì)各類構(gòu)件的構(gòu)造措施進(jìn)行了修訂、補(bǔ)充和完善。22★最新頒布的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010_2010)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本門(mén)課程學(xué)習(xí)前,對(duì)己學(xué)習(xí)的《荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法》要點(diǎn)予以回顧,以便于本課程的學(xué)習(xí)和節(jié)省篇幅。231.3.1設(shè)計(jì)使用年限和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期1、設(shè)計(jì)使用年限設(shè)計(jì)使用年限(designworkinglife)是設(shè)計(jì)規(guī)定的一個(gè)時(shí)期。在這一規(guī)定時(shí)期內(nèi)，房屋建筑在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和正常維護(hù)下,不需要進(jìn)行大修就能按其預(yù)定目的使用。★★設(shè)計(jì)應(yīng)明確結(jié)構(gòu)的用途,在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)未經(jīng)技術(shù)鑒定或設(shè)計(jì)許可,不得改變結(jié)構(gòu)的用途和使用環(huán)境。242、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期(designreferenceperiod)是指在對(duì)荷載進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、以及對(duì)與時(shí)間有關(guān)的材料性能取值所選定的一個(gè)時(shí)間段。我國(guó)所采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，應(yīng)滿足安全性、適用性、耐久性等各項(xiàng)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(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種作用。②在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)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(shí)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(shí)具有良好的工作性能。如受彎構(gòu)件在正常使用時(shí)不出現(xiàn)過(guò)大的撓度等。

3.耐久性要求結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)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(hù)條件(不需花費(fèi)過(guò)高維修費(fèi)用)下，在預(yù)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi),在預(yù)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(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述。是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限)、在規(guī)定的條件下(正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用等條件，不考慮人為過(guò)失的影響)，完成預(yù)定功能的概率。281.3.4極限狀態(tài)設(shè)計(jì)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(dá)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?dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過(guò)了承載能力極限狀態(tài):①整個(gè)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(fēng)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(guò)材料強(qiáng)度而破壞(包括疲勞破壞)，或因過(guò)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(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度而壓碎;鋼結(jié)構(gòu)軸心受拉構(gòu)件當(dāng)鋼材達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，其變形導(dǎo)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(chē)梁在吊車(chē)荷載數(shù)十萬(wàn)次或數(shù)百萬(wàn)次的反復(fù)作用下，鋼材、混凝土或鋼筋可能發(fā)生疲勞破壞而導(dǎo)致整個(gè)吊車(chē)梁破壞。③結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)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(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用的某項(xiàng)規(guī)定限值或耐久性能的某種規(guī)定狀態(tài)。

★當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過(guò)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(dòng)。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(jì)算

1)計(jì)算內(nèi)容混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)計(jì)算應(yīng)包括下列內(nèi)容：①結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行承載力(包括失穩(wěn))計(jì)算；②直接承受重復(fù)荷載的構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算；③有抗震設(shè)防要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗震承載力計(jì)算；④必要時(shí)尚應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移、漂浮驗(yàn)算。⑤對(duì)于可能遭受偶然作用，且倒塌可能引起嚴(yán)重后果的重要結(jié)構(gòu)，宜進(jìn)行防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。312)承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式★★對(duì)持久設(shè)計(jì)狀況、短暫設(shè)計(jì)狀況和地震設(shè)計(jì)狀況,當(dāng)用內(nèi)力的形式表達(dá)時(shí),結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用下列承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

γ0S≤R323)基本組合的荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值

（1)由可變荷載效應(yīng)控制的組合（2)由永久荷載效應(yīng)控制的組合γG____意義同前，但取值為1.35;當(dāng)永久荷載為豎向荷載時(shí)(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(jiǎn)化規(guī)則對(duì)于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，基本組合可采用簡(jiǎn)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(yīng)控制的組合

S=γGSGK+γQ1SQlK

S=γGSGK+O.92)由永久荷載效應(yīng)控制的組合仍按式(1.2b)確定344正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算應(yīng)包括下列內(nèi)容：①對(duì)需要控制變形的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行變形驗(yàn)算；②對(duì)不允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行混凝土拉應(yīng)力驗(yàn)算；③對(duì)允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行受力裂縫寬度驗(yàn)算；④對(duì)有舒適度要求的樓蓋結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行豎向自振頻率驗(yàn)算。對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，鋼筋混凝土構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)分別按荷載的準(zhǔn)永久組合，并考慮長(zhǎng)期作用的影響或標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長(zhǎng)期作用的影響，采用下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行驗(yàn)算：

S≤CS——荷載組合效應(yīng)的設(shè)計(jì)值；

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

標(biāo)準(zhǔn)組合(characteristic/nominalcombination)

主要用于當(dāng)一個(gè)極限狀態(tài)被超越時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的永久性損害的情況，其荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值S按下式采用:S=SGK+SQlK+（2)準(zhǔn)永久組合(quasi-permanentcombinations)362）具體設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)后，尚應(yīng)按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行裂縫控制驗(yàn)算以及受彎構(gòu)件的撓度驗(yàn)算。

(1)裂縫控制驗(yàn)算對(duì)嚴(yán)格要求不出現(xiàn)受力裂縫的構(gòu)件,按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算時(shí)，構(gòu)件受拉