混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計課件 第1章 概論

混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院史慶軒2007年3月混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)使用教材：梁興文、史慶軒編著《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》科學(xué)出版社，2004年許淑芳、熊仲明編著《砌體結(jié)構(gòu)》科學(xué)出版社，2004年授課對象：土木工程專業(yè)本科生授課形式：采用多媒體電子課件（自編），輔以傳統(tǒng)教學(xué)方式；盡可能多地采用課堂互動式教學(xué)手段，共同探索和學(xué)習(xí)。課程說明課程性質(zhì)：1.《混凝土結(jié)構(gòu)》（含《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》）和《砌體結(jié)構(gòu)》是土木工程專業(yè)最主要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課之一；2.是一門關(guān)鍵的主干課程；3.是報考結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)及防護工程等專業(yè)碩士研究生的考試課程；4.該課程的實踐性強（后續(xù)包含2個課程設(shè)計），實用性強，與畢業(yè)設(shè)計有著很大的聯(lián)系；5.是今后報考“注冊結(jié)構(gòu)工程師”的一門難度較大的科目。

已學(xué)習(xí)了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》，有什么體會和問題？本學(xué)期：存在的困難和問題：學(xué)時少，內(nèi)容多，實踐性強，要求高。對學(xué)生的要求：積極配合教師上好每一節(jié)課，認(rèn)真聽講，積極思考，積極參與交互式教學(xué)活動中，認(rèn)真完成課后作業(yè)。多給教師提寶貴意見和建議。章節(jié)內(nèi)容第1章概論第2章樓蓋和樓梯第3章單層廠房結(jié)構(gòu)第4章框架結(jié)構(gòu)第5章砌體結(jié)構(gòu)（含材料、原理、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)）第1章概論1.1建筑結(jié)構(gòu)的概念及其基本形式1.定義工程結(jié)構(gòu)——用各種材料（磚、石、混凝土、鋼材和木材等）建造的建筑物或構(gòu)筑物的受力骨架體系。建筑結(jié)構(gòu)——房屋建筑的空間受力骨架體系。

2.結(jié)構(gòu)的作用

抵抗和承擔(dān)各種自然的和人為的作用力，以為人類生活和生產(chǎn)服務(wù)。3.工程結(jié)構(gòu)分類按使用功能按用途按體型和高度按材料按結(jié)構(gòu)型式建筑結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)單層結(jié)構(gòu)（單廠、單層空曠等）混凝土結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)民用建筑結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu)（2-9層）鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)巖土工程結(jié)構(gòu)

高層結(jié)構(gòu)（>10層）砌體結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)水工結(jié)構(gòu)

大跨結(jié)構(gòu)（>40~50m）木結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)特種結(jié)構(gòu)

薄膜充氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

空間薄壁結(jié)構(gòu)4.結(jié)構(gòu)的組成（1）形成跨度的構(gòu)件與結(jié)構(gòu)——水平體系建筑物內(nèi)部要形成必要的使用空間，跨度是必不可少的尺度要求。常見的跨度構(gòu)件是梁。板是梁水平側(cè)向尺度的變異性構(gòu)件，其原理、作用與梁基本相同。（2）垂直傳力的構(gòu)件與結(jié)構(gòu)——豎向體系跨度構(gòu)件的兩端的支座反力，需要有其他的構(gòu)件承擔(dān)并傳遞至地面，這就是垂直傳力構(gòu)件或結(jié)構(gòu)。常見的垂直傳力構(gòu)件或結(jié)構(gòu)是柱。墻是柱水平側(cè)向尺度的變異性構(gòu)件，其原理、作用與柱基本相同，但是具有較大側(cè)向剛度。對于一些特殊結(jié)構(gòu)，不能夠簡單的將其分解成為跨度構(gòu)件與垂直構(gòu)件，可能是由整體結(jié)構(gòu)形成的，如拱、殼。（3）基礎(chǔ)——基礎(chǔ)體系基礎(chǔ)是將建筑物上部的各種荷載與作用傳遞至地面的重要部分?；A(chǔ)要承擔(dān)垂直力、水平側(cè)向力、彎曲作用等復(fù)雜的作用。并不是建筑物地面以下的部分都是基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)的三個基本分體系

水平體系、豎向體系和基礎(chǔ)體系1.2混凝土建筑結(jié)構(gòu)的形式混凝土結(jié)構(gòu)：——主要以混凝土材料，并根據(jù)需要配置鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋、鋼骨、鋼管等，作為主要承重材料的結(jié)構(gòu)，均可稱為混凝土結(jié)構(gòu)。混凝土結(jié)構(gòu)主要包括：(1)素混凝土結(jié)構(gòu)（PlainConcrete)(2)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（ReinforcedConcreteStructure)(3)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)（Pre-stressedConcreteStructure)(4)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)（SteelReinforcedConcrete)(5)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（ConcreteFilledTube)(6)FRP混凝土（FiberReinforcedPolymer(Plastic)Concrete)(7)鋼-混凝土組合（混合）結(jié)構(gòu)(CompositeStructureorHybridStructure)混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡況及其應(yīng)用

——1824年英國約瑟夫·阿斯匹丁(J.Aspdin)發(fā)明了波特蘭水泥并取得了專利；——1850年，法國朗波（L.Lambot）制成了鐵絲網(wǎng)水泥砂漿的小船；——1861年法國約瑟夫·莫尼埃（JosephMomier）獲得了制造鋼筋混凝土板、管道和拱橋等的專利。——德國學(xué)者1866年發(fā)表了計算理論和計算方法，1887年又發(fā)表了試驗結(jié)果，并提出了鋼筋應(yīng)配置在受拉區(qū)的概念和板的計算方法。在此之后，鋼筋混凝土的推廣應(yīng)用才有了較快的發(fā)展?！?891年－1894年，歐洲各國的研究者發(fā)表了一些理論和試驗研究結(jié)果。但是在1850－1900年的整整50年內(nèi)，由于工程師們將鋼筋混凝土的施工和設(shè)計方法視為商業(yè)機密，公開發(fā)表的研究成果不多。——美國學(xué)者1850年進行了RC梁的試驗，但其研究成果直到年才1877發(fā)表并為人所知。19世紀(jì)70年代有學(xué)者曾使用過某些形式的鋼筋混凝土，并且于1884年第一次使用變形（扭轉(zhuǎn)）鋼筋并形成專利。1890年在舊金山建造了一幢兩層高、321英尺（95m）長的鋼筋混凝土美術(shù)館。從此以后，鋼筋混凝土在美國獲得了迅速的發(fā)展?！炷两Y(jié)構(gòu)開始應(yīng)用于土木工程距今僅150多年?！c磚石結(jié)構(gòu)、鋼木結(jié)構(gòu)相比，混凝土結(jié)構(gòu)的歷史并不長，但發(fā)展非常迅速，目前混凝土結(jié)構(gòu)已成為大量土木工程結(jié)構(gòu)中最主要的結(jié)構(gòu)，而且高性能混凝土和新型混凝土結(jié)構(gòu)形式還在不斷發(fā)展。混凝土建筑結(jié)構(gòu)的形式常用的結(jié)構(gòu)形式有（按體型和高度分類）（1）單層單層混凝土建筑結(jié)構(gòu)如單層工業(yè)廠房，倉庫，實驗室，食堂等，由屋蓋和鋼筋混凝土柱組成。（2）多層混凝土建筑結(jié)構(gòu)如各種多層的工業(yè)與民用建筑，主要為混凝土框架結(jié)構(gòu)，有些情況下，采用板柱結(jié)構(gòu)等；在多層建筑中，大量的為砌體-混凝土混合結(jié)構(gòu)，如砌體結(jié)構(gòu)（樓板為混凝土），內(nèi)框架結(jié)構(gòu)，底部框架結(jié)構(gòu)等。（3）高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)如10層及10層以上或高度超過28m的民用建筑，如辦公樓，教學(xué)樓，醫(yī)院，住宅等，除上述結(jié)構(gòu)形式外，還有筒體結(jié)構(gòu)，巨型結(jié)構(gòu)等。高層建筑中，目前有很多為鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。（4）大跨結(jié)構(gòu)如體育訓(xùn)練館、展覽館、會堂等公共建筑，其屋蓋一般采用鋼結(jié)構(gòu)，豎向結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)采用混凝土結(jié)構(gòu)。1.3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的程序和內(nèi)容一幢建筑物設(shè)計和施工，建筑師＋結(jié)構(gòu)工程師＋設(shè)備工程師＋施工工程師。結(jié)構(gòu)工程師的基本任務(wù)——負(fù)責(zé)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，在結(jié)構(gòu)的可靠與經(jīng)濟之間選擇一種合理的平衡，力求以最低的代價，使所建造的結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的使用期限內(nèi)，能滿足預(yù)定的安全性、適用性和耐久性等功能要求。1.3.1基本建設(shè)工作程序

項目立項建議書

投資控制

可行性研究報告

選址

設(shè)計任務(wù)書

確定設(shè)計計劃

造價估算

方案設(shè)計階段

介入質(zhì)監(jiān)和監(jiān)理工作

編制概算

初步設(shè)計階段

修正概算

技術(shù)設(shè)計階段

施工圖設(shè)計階段編制施工圖預(yù)算施工圖審查階段

付諸施工過程

決算

竣工驗收

交付使用

1.3.2房屋建筑工程的設(shè)計階段

1.方案設(shè)計階段(schemedesignphase)需完成的設(shè)計文件有設(shè)計說明書、設(shè)計圖紙、投資估算及效果透視圖等內(nèi)容，應(yīng)分專業(yè)編制。結(jié)構(gòu)設(shè)計文件主要內(nèi)容是編制結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書和結(jié)構(gòu)平面圖。結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書:（1）設(shè)計依據(jù)（地域，有關(guān)自然條件，抗震設(shè)防烈度，工程地質(zhì)概況等）；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計要點（上部結(jié)構(gòu)選型，基礎(chǔ)選型，人防結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計等）；（3）需要說明的問題（如對工藝的特殊要求，與相鄰建筑物的關(guān)系，基坑特征，防護等）。結(jié)構(gòu)平面圖：應(yīng)標(biāo)出：柱網(wǎng)，剪力墻，沉降縫等。

2.初步設(shè)計階段(preliminarydesignphase)

根據(jù)中標(biāo)方案、設(shè)計任務(wù)書和設(shè)計基礎(chǔ)資料，對設(shè)計對象進行總體安排和控制性結(jié)構(gòu)計算，對工程工期和投資總額進行深入分析，編制設(shè)計總概算。

應(yīng)提交的設(shè)計文件：設(shè)計說明書，設(shè)計圖紙，主要設(shè)備和材料清單等。

結(jié)構(gòu)設(shè)計在該階段包括編制結(jié)構(gòu)設(shè)計要點及主要措施：說明上部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的依據(jù)及（人防）地下室結(jié)構(gòu)方案的要點，簡述變形縫的布置及做法，提出具體的地基處理方案，選定主要結(jié)構(gòu)的材料和采用的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)圖等結(jié)構(gòu)設(shè)計文件應(yīng)包括：

設(shè)計說明書，結(jié)構(gòu)控制性計算的計算書，方案設(shè)計簡圖，總概算書

3.技術(shù)設(shè)計階段(technicaldesignphase)專門對技術(shù)復(fù)雜或有特殊要求的大中型項目增加的一個設(shè)計階段，是對初步設(shè)計方案所作的調(diào)整和深化。結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容：（1）確定結(jié)構(gòu)受力體系和主要技術(shù)參數(shù)（2）計算初步確定主要構(gòu)件（梁、柱、墻等）的截面和配筋（3）繪出結(jié)構(gòu)平面簡圖、重要節(jié)點大樣圖、必要的文字說明（4）對地質(zhì)勘探、施工條件、主要材料等方面的特殊要求4.施工圖設(shè)計階段(workingdrawingdesignphase)是項目施工前最重要的一個設(shè)計階段，要求以圖紙和文字的形式解決工程建設(shè)中預(yù)期的全部技術(shù)問題，并編制相應(yīng)的對施工過程起指導(dǎo)作用的施工預(yù)算。上述四個階段，僅對重要和復(fù)雜的大型工程建設(shè)項目才要求；對普通大中型項目可將初步設(shè)計和技術(shù)設(shè)計階段合并為一個階段；對簡單的小型項目也可只進行方案設(shè)計和施工圖設(shè)計兩個設(shè)計階段。

一棟建筑物好比一個人，建筑相應(yīng)于人的容貌、體型、氣質(zhì)；結(jié)構(gòu)相應(yīng)于人的骨骼、耐力、壽命；水電暖等設(shè)備相應(yīng)于人的神經(jīng)、脈絡(luò)、器官。因此設(shè)計一個建筑物需要各工種的共同合作。其中，建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計者的合作是最基本的，也是最重要的。特提出四個合作的層次

（1）首先是合作（即各人做各的設(shè)計，遇到矛盾，協(xié)商解決）——最低層次的要求

（2）其次是結(jié)合（即雖個人做各的設(shè)計，但都相互了解，主動的互相補充）——較高層次的要求

（3）第三是融合（即你中有我，我中有你，融為一體，結(jié)構(gòu)自覺地考慮建筑問題，建筑自覺地考慮結(jié)構(gòu)問題）——更高層次的要求

（4）第四是統(tǒng)一（即結(jié)構(gòu)工程師就是好的建筑師，建筑師就是好的結(jié)構(gòu)工程師，兩類人才的素質(zhì)統(tǒng)一在一個人身上）——最高層次的要求1.4混凝土建筑結(jié)構(gòu)的分析方法

結(jié)構(gòu)分析是指根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)布置，確定合理的計算簡圖和分析方法，進行荷載（作用）計算，求出結(jié)構(gòu)內(nèi)力，以進行構(gòu)件截面配筋計算和采取構(gòu)造措施。

RC結(jié)構(gòu)的受力性能十分復(fù)雜，是一個不斷變化的非線性過程。確定力學(xué)模型和選擇分析方法十分重要。1.4.1基本原則（1）按《荷載規(guī)范》、《抗震規(guī)范》進行效應(yīng)分析、組合（2）對不同狀況分別進行分析

如制作階段、運輸階段、安裝階段、施工期、使用期等。（3）各種取值應(yīng)符合實際工作狀況

分析所需的各種幾何尺寸，計算簡圖、作用（荷載）的取值與組合、材料指標(biāo)、初始應(yīng)力和變形狀況等，應(yīng)符合實際，并應(yīng)具有相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證。

（4）滿足平衡條件，變形協(xié)調(diào)和本構(gòu)關(guān)系盡可能符合實際如邊界條件、支座和節(jié)點的約束條件、截面變形條件等，若難以嚴(yán)格地滿足，應(yīng)在不同的程度上予以滿足。（5）選擇合理的分析方法目前工程設(shè)計中常用的計算方法，可分為以下五類：——線彈性分析方法——考慮塑性內(nèi)力重分布的分析方法——塑性極限分析方法——非線性分析方法——試驗分析方法上述分析方法中，又