钢筋混凝土结构基本理论绪论.ppt
钢筋混凝土结构基本理论,使用教材：叶见曙主编结构设计原理（第二版）人民交通出版社出版参考教材：沈蒲生主编混凝土结构设计原理 高等教育出版社出版授课对象：08级土木工程专业（交通土建、地下方向）本科生授课老师：郭建营（电话：e-mail：）授课形式：采用多媒体电子课件（自编），辅以传统教学方式。授课学时:568（试验）学时 学分 4.0 授课时间：110周,课程相关介绍,1.钢筋混凝土结构基本理论是土木工程专业一门主要的专业技术基础课 2.是一门关键的学位课程，3.是报考结构工程硕士研究生的考试课程。4.该课程的实践性强（包含课程设计），实用性强，与该专业的毕业设计有着很大的联系，5.今后报考“注册结构工程师”的一门难度较大 的科目。,0.1绪论,0 绪 论,提纲：0.1 工程结构的基本概念 0.2 钢筋混凝土结构的概念 0.3 钢筋混凝土结构的应用和发展 0.4本课程的特点及学习方法,0 绪论,0 绪 论,结构:土木工程中的房屋建筑以及桥梁、涵洞、隧道、挡土墙等构造物的承重的骨架。例如：桥梁的桥跨、墩台和基础就构成了桥梁的结构，是桥梁的承重体系；通常，桥跨为桥梁的上部结构，桥墩或桥台为桥梁的下部结构。,0.1.1 结构,0.1 工程结构的概念Key words：结构、构件、工程结构学科,0 绪 论,0.1 工程结构的概念,结构根据所使用的材料的不同，工程中常用的结构有：混凝土结构、钢结构、圬工结构等,0.1.1 结构,0 绪 论,0.1 工程结构的概念,1.混凝士结构：以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝土结构。它包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和预应力混凝土结构等。,0.1.1 结构,0.1.1 结构,钢筋混凝土结构是由抗压性能好的混凝土和抗拉性能好的钢筋结合在一起所建成的结构体系，具有结构整体性好、耐久性好、能就地取材等特点；广泛应用于房屋建筑、地下结构、桥梁、隧道、水利、港口等工程中。在公路与城市道路工程、桥梁工程中，钢筋混凝土结构主要用于中小跨径桥、涵洞、挡土墙以及形状复杂的中小型构件。,0 绪 论,0 绪 论,0.1 工程结构的概念,2.钢结构 钢结构是指用钢材（通常为型钢和钢板）为主制作的结构。由钢厂轧制的型钢和钢板通过焊接和螺栓等连接组成结构。钢结构轻质高强，机械化程度高。钢结构广泛应用于大跨径的钢桥、城市人行天桥、高层建筑、钢屋架、钢闸门、海洋采油钻井平台等。,0 绪 论,0.1 工程结构的概念,3.圬工结构 圬工结构又称为钢骨混凝土结构。它是指用圬工砌体为主要材料制作的结构，是砖石结构、石结构和素混凝土结构砌体的总称。在公路与城市道路和桥梁工程中，圬工结构多用于中小跨经的拱桥、桥墩（台）、挡土墙、涵洞、道路护坡等工程中。4.木结构 木结构是指用木材为主制作的结构。,0 绪 论,0.1 工程结构的概念,构件构造物及建筑物结构体系的基本组成。如梁、板、柱、墩“台”等 构件外荷载作用效应作用下，在构件内部产生内力拉（压）力、弯（扭）矩、剪力等。受弯构件 受压构件 受拉构件 受扭构件,0.1.2 构件,0.1.2,0 绪 论,0.1 工程结构的概念,工程结构学科工程结构的科学研究和在工程中的发展.工程结构学科是以现代力学、数学和材料科学为基础，包括了工程结构的基本理论、工程结构设计与施工技术、工程结构的维护。本课程钢筋混凝土基本理论,0.1.3 工程结构学科,第0章 绪论,0.2 钢筋混凝土结构的概念,Key words：混凝土结构、钢筋混凝土结构,0.2.1 钢筋混凝土结构的概念,1.混凝土结构的概念：以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝士结构。它包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和预应力混凝土结构等。素混凝土结构是指不配置任何钢材的混凝土结构。钢筋混凝土结构是指用圆钢筋作为配筋的普通混凝土结构、图0-1为常见钢筋混凝土结构和构件的配筋实例。,0 绪 论,0.2 钢筋混凝土结构的概念,型钢筋混凝土结构又称为钢骨混凝土结构。它是指用型钢或用钢板焊成的钢骨架作为配筋的混凝土结构。图0-2为用型钢作为混凝土梁配筋的截面形式、图0-3为用型钢作为混凝土柱配筋的截面形式。钢管混凝土结构是指在钢管内浇捣混凝土做成的结构,0.2.1 钢筋混凝土结构的概念,图0-1a、b,0 绪 论,0 绪 论,0 绪 论,0 绪 论,0 绪 论,钢筋混凝土结构的特点和主要优缺点：1.受力特点：（1）素混凝土简支梁的破坏试验：图0-4a为一根未配置钢筋的素混凝土简支梁，跨度4 m，截面尺寸bh=200mm300mm、混凝土强度等级为C20。梁的跨中作用一个集中荷载F，对其进行破坏性试验。,0.2.2 钢筋混凝土结构的特点,0 绪 论,0.2.2 钢筋混凝土结构的特点,试验结果表明：1）当荷载较小时，截面上的应变则同弹性材料的梁一样，沿截面高度呈直线分布；2）当荷载增大使截面受拉区边缘纤维拉应变达到混凝土抗拉极限应变时该处的混凝土被拉裂，裂缝沿截面高度方向迅速开展，试件随即发生断裂破坏。,0 绪 论,0.2.2 钢筋混凝土结构的特点,钢筋混凝土梁的破坏试验,0.2.2 钢筋混凝土结构的特点,3）破坏的性质：破坏是突然的，没有明显的预兆，属于脆性破坏。尽管混凝土的抗压强度比其抗拉强度高几倍或十几倍，但得不到充分利用，因为该试件的破坏是由混凝土的抗拉强度控制，破坏荷载值很小，只有 8 kN左右。,0 绪 论,钢筋混凝土梁的破坏试验,0 绪 论,（2）钢筋混凝土梁的破坏试验：在梁的受拉区布置三根直径为16 mm的HPB235级钢筋(记作316)并在受压区在布置两根为 10 mm的架力钢筋和适量的箍筋。再进行同样的荷载试验(图 0-4b),0.2.2 钢筋混凝土结构的特点,钢筋混凝土梁的破坏试验,当加载到一定阶段使截面受拉区边缘纤维拉应力达到混凝土抗拉极限强度时，混凝土虽被拉裂，但裂缝不会沿截面的高度迅速开展，试件也不会随即发生断裂破坏。混凝土开裂后，裂缝截面的混凝土拉应力由纵向受拉钢筋来承受，故荷载还可进一步增加。此时变形将相应发展，裂缝的数量和宽度也将增大。,0 绪 论,0 绪 论,受拉钢筋抗拉强度和受压区混凝土抗压强度都被充分利用时，试件才发生破坏。破坏性质：试件破坏前，变形和裂缝都发展得很充分，呈现出明显的破坏预兆，属于塑性破坏。虽然试件中纵向受力钢筋的截面面积只占整个截面面积的1左右，但破坏荷载却可以提高到36kN左右。,钢筋混凝土梁的破坏试验,钢筋混凝土结构的特点,归纳总结一下：在混凝土结构中配置一定型式和数量的钢筋，可以收到下列的效果：结构的承载能力有很大的提高；结构的受力性能得到显著的改善（破坏前带有明显的预兆即：变形和裂缝都较明显）。,0 绪 论,0 绪 论,（3）钢筋和混凝土可以相互结合共同工作的主要原因是：混凝土结硬后，能与钢筋牢固地粘结在一起，相互传递内力。粘结力是这两种性质不同的材料能够共同工作的基础；钢筋的线膨胀系数为1.210-5-1，混凝土的为1.010-5-11.510-5-1，二者数值相近。当温度变化时，钢筋与混凝土之间不会存在较大的相对变形和温度应力而发生粘结破坏。,0.2.2 钢筋混凝土结构的特点,0 绪 论,（4）钢筋混凝土结构的优点：钢筋混凝土结构除了比素混凝土结构具有较高的承载力和较好的受力性能以外。与其他结构相比还具有下列优点：就地取材。节约钢材。耐久、耐火。可模性好。整体性好，刚度大。,0 绪 论,（5）钢筋混凝土结构的缺点：自重大。抗裂性差。施工的周期较长，受天气的影响较大，需要较多的脚手架、模板。补强维修较难。,0.2.2 钢筋混凝土结构的特点,0.2.2 钢筋混凝土结构的特点,针对其缺点人们研究出许多的有效措施：为了克服钢筋混凝土自重大的缺点，已经研究出许多高强轻质的混凝土和强度很高的钢筋；为了克服普通钢筋混凝土容易开裂的缺点，可以对它施加预应力等等。但还有许多工程实际问题等待同学们去探索和研究。,0 绪 论,0.3,0 绪 论,混凝土早期的发展混凝土结构用材料的发展高强轻质预应力混凝土结构的发展在结构形式方面的发展在计算理论与设计方法方面的发展,0.3 钢筋混凝土结构的应用和发展,0.3,0 绪 论,1.混凝土早期的发展 1824年英国约瑟夫阿斯匹丁发明了波特兰水泥并取得了专利。1850年，法国蓝波特（L.Lambot）制成了铁丝网水泥砂浆的小船。1861年法国约瑟夫莫尼埃（Joseph Momier）获得了制造钢筋混凝土板、管道和拱桥等的专利。,0.3 钢筋混凝土结构的应用和发展,0.3 钢筋混凝土结构的应用和发展,德国学者1866年发表了计算理论和计算方法，1887年又发表了试验结果，并提出了钢筋应配置在受拉区的概念和板的计算方法。1891年1894年，欧洲各国的研究者发表了一些理论和试验研究结果。但是在18501900年的整整50年内，由于工程师们将钢筋混凝土的施工和设计方法视为商业机密，因此总的来说公开发表的研究成果不多。,0 绪 论,0 绪 论,0.3 钢筋混凝土结构的应用和发展,美国学者1850年进行过钢筋混凝土梁的试验。19世纪70年代有学者曾使用过某些形式的钢筋混凝土，并且于1884年第一次使用变形（扭转）钢筋并形成专利。1890年在旧金山建造了一幢两层高、321英尺（95m）长的钢筋混凝土美术馆。从此以后，钢筋混凝土在美国获得了迅速的发展。,0.3 钢筋混凝土结构的应用和发展,从20世纪30年代开始，从材料性能的改善，结构形式的多样化，施工方法的革新，计算理论和设计方法的完善等多方面开展了大量的研究工作，工程应用十分普遍，使钢筋混凝土结构进入了现代化阶段。,0 绪 论,0 绪 论,2 混凝土结构用材料的发展高强轻质（1)混凝土材料强度大幅提高 在20世纪30年代混凝土平均强度约为10MPa，到20世纪50年代初已提高到20 MPa，20世纪60年代约为30 MPa，20世纪70年代初已提高到40 MPa。到20世纪80年代初，在发达国家C60级混凝土已经普遍采用。,0.3 钢筋混凝土结构的应用和发展,0 绪 论,2 混凝土结构用材料的发展高强轻质 近年来国内外采用附加减水剂的方法已制成强度为200 MPa以上的混凝土。高强混凝土的出现更加扩大了混凝土结构的应用范围，为钢筋混凝土的防护工程、压力容器、海洋工程等领域的应用创造了条件。,0.3 钢筋混凝土结构的应用和发展,（2）轻质混凝土的研究与应用从20世纪60年代以来，轻骨料（陶粒、浮石等）混凝土和多孔（主要是加气）混凝土得到迅速发展，其重度为1418KN/m3。,0 绪 论,0 绪 论,3、预应力混凝土结构的发展 1928年法国工程师弗耐西涅成功地将高强钢丝用于预应力混凝土，使预应力混凝土的概念得以在工程实践中成为现实。预应力混凝土的概念在19世纪80年代已提出，但是当时因钢筋强度偏低及对预应力损失缺乏深入研究，使预应力混凝土未能成功地实现。,0.3 钢筋混凝土结构的应用和发展,预应力混凝土结构的发展,预应力混凝土的广泛应用是在1938年弗耐西涅发明锥形楔式锚具（弗式锚具）和1940年比利时的门格尔发明门格尔体系之后。预应力混凝土结构的抗裂性得到根本的改善，使高强钢筋能够在混凝土结构中和到有效的利用，使混凝土结构能够用于大跨结构、压力贮罐、核电站容器等领域中。,0 绪 论,0 绪 论,4、在结构形式方面的发展（1）钢筋混凝土结构在桥梁，特种结构、水利工程、海洋工程、港口码头工程等各个领域内的发展 1875年法国莫尼埃曾主持修建过一座长达16m的钢筋混凝土桥；1983年巴西建成主跨为440m的预应力混凝土斜拉桥.,0.3 钢筋混凝土结构的应用和发展,钢筋混凝土结构的应用和发展,1997年我国在四川万县建成主跨420m的混凝土拱桥等。从1925年德国第一次采用折板结构大型煤仓开始，薄壁空间结构逐渐在屋盖及贮仓水塔、水池等构建物中得到广泛应用。,0 绪 论,万县长江大桥是劲性骨架钢筋混凝土箱形拱桥，主跨420m,0.3钢筋混凝土结构的应用和发展,0 绪 论,（2）钢筋混凝土在高层建筑中的应用 高强混凝土的发展，促进了混凝土结构在超高层建筑中的应用。1976年建成的美国芝加哥水塔广场大厦达74层，高262米。朝鲜平壤的柳京大厦，105层，高305米，也是混凝土结构。美国、俄罗斯等国在启层建筑中采用的混凝土，强度已达C80C100。美国西雅图市的Two Union Square大厦（58层）60%的竖向荷载由中央四根直径为10英尺（3.05m）的钢管混凝土柱承受，钢管内填充的混凝土强度等级达C135。,朝鲜平壤的柳京大厦,0 绪 论,0 绪 论,5、计算理论与设计方法方面的发展 20世纪30年代以前，将钢筋混凝土视为理想弹性材料，按材料力学的允许应力法进行设计计算。但从20世纪初即开始了对钢筋混凝土构件考虑材料塑性性能的研究。前苏联在1938年颁布了世界上第一本按破损阶段设计钢筋混凝土构件的规范，标志着钢筋混凝土构件承载力计算的实用方法进入了一个新的发展阶段。,计算理论与设计方法方面的发展,计算理论与设计方法方面的发展,20世纪30年代以后，在钢筋混凝土超静定结构中考虑塑性内力重分布的计算理论也取和了很大进展，从20世纪50年代开始，已在双向板、连续梁及框架的设计中得到了应用。关于计算理论的发展在下一章还作进一步介绍。,0 绪 论,0.4 本课程的特点及学习方法,1 本课程主要教授的主要内容：（1）钢筋混凝土结构基本理论课程主要是对公路桥涵工程与房屋建筑中混凝土结构构件的受力性能、计算方法和构造要求等问题进行讨论。,0 绪 论,0.4 本课程的特点及学习方法,1 本课程主要教授的主要内容：主要内容：钢筋混凝土结构材料的物理力学性能，它是学习以后各章的基础。结构按极限状态法设计计算的原则，它是钢筋混凝土结构设计的基本原则。受弯构件正截面承载力计算。受弯构件斜截面承载力计算。,0 绪 论,0.4 本课程的特点及学习方法,1 本课程主要教授的主要内容：受扭构件承载力计算。轴心受压构件的正截面承载力计算。偏心受压构件的正截面承载力计算。受拉构件的承载力计算。钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形计算。预应力混凝土构件的基本概念及其材料预应力混凝土构件受弯的设计。,0 绪 论,0.4 本课程的特点及学习方法,0 绪 论,2、课程特点及学习应注意的事项：(1)混凝土结构通常是由钢筋和混凝土结合而成的一种结构。钢筋混凝土材料与理论力学中的刚性材料以及材料力学、钢结构力学中理想弹性材料或理想弹塑材料有很大的区别。为了对混凝土结构的受力性能与破坏特征有较好的了解，首先要求对钢筋混凝土的力学性能要很好地掌握。,0.4 本课程的特点及学习方法,0 绪 论,(2)混凝土结构计算公式具有经验性：1）混凝土结构在裂缝出现以前的抗力行为，与理想弹性结构相近。但是在裂缝出现以后，与理想弹性材料有显著不同。2）混凝土结构的受力性能还与结构的受力状态、配筋方式和配筋数量等多种因素有关，暂时还难以用一中简单的数学、力学模型来描述。,0.4 本课程的特点及学习方法,0 绪 论,因此，目前主要以混凝土结构构件的试验与工程实践经验为基础进行分析，许多计算公式都带有经验性质。它们虽然不那样严谨，然而却能够较好地反映结构的真实受力性能。,0.4 本课程的特点及学习方法,0 绪 论,(3）明白分析公式与设计公式之间区别，了解和掌握我国当前有关混凝土结构设计的技术和经济政策。工程实际情况是非常复杂的，结构上的实际荷载和实际材料指标与规范规定的大小会有一定的出入。它们可能高于规范规定的数值，也可能低于规范规定的数值。此外，不同结构的重要性也不一样，它们对结构的安全、适用和耐久的要求不相同。为了使混凝土结构设计满足讲技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的要求，将混凝土结构各种分析公式用于设计时，要考虑上述各种因素的影响。,0.4 本课程的特点及学习方法,0 绪 论,(4)构造要求是非常主要的内容 进行混凝土结构设计时离不开计算。但是，现行的计算方法一般只考虑荷载效应。混凝土收缩、温度影响以及地基不均匀沉陷等其他影响因素，难用计算公式来表达。在学习本课程时，除了要对各种计算公式了解和掌握以外，对于各种构造措施也必须给予足够的重视。在设计混凝土结构时，除了进行各种计算之外，还必须检查各项构造要求是否得到满足。,0.4 本课程的特点及学习方法,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)(以下简称公路桥规)及混凝土结构设计规范（GB50010-2002）,0 绪 论,0 绪 论,(5)相关规范的掌握、应用与不断探索创新 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)(以下简称公路桥规)公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)混凝土结构设计规范（GB50010-2002),0.4 本课程的特点及学习方法,0.4 本课程的特点及学习方法,各国都制订专门的技术标准的设计规范混凝土结构是一门比较年轻和迅速发展的学科，许多计算方法和构造措施还不一定尽善尽美。各国每隔一段时间都要对其结构设计标准或规范进行修订，使之更加完善合理。在很好地学习的运用规范的过程中，也在关于发现问题，灵活运用，并且要勇于进行探索与创新。,0 绪 论,
