1、 第三章 结构与构件设第三章 结构与构件设计计 第一节 概述1.1 混凝土结构的基本概念混凝土结构的基本概念按组成材料分按组成材料分混凝土结构：混凝土结构：素混凝土结构素混凝土结构（plain concrete structure）（如设备基础、（如设备基础、混凝土挡土墙等）混凝土挡土墙等）钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构（reinforced concrete structure）（如一（如一般钢筋混凝土板、梁、柱、剪力墙、基础等）般钢筋混凝土板、梁、柱、剪力墙、基础等）预应力混凝土结构预应力混凝土结构（pre-stressed concrete structure）（如（如预应力板、梁、柱等）
2、预应力板、梁、柱等）纤维混凝土结构纤维混凝土结构（fiber concrete structure）素砼结构钢筋砼结构劲劲性砼结构预应应力砼结构钢钢管砼结构 问题思考问题思考 1：钢筋和混凝土为什么能共同工作？钢筋和混凝土为什么能共同工作？混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，钢筋端部形成弯钩或采用混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，钢筋端部形成弯钩或采用变形钢筋两者可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形；变形钢筋两者可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形；两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：者的粘结力，
3、混凝土：1.010-51.5 10-5，钢筋：，钢筋：1.2 10-5；混凝土包裹在钢筋的外部，一定的保护层厚度，可使钢筋免于腐混凝土包裹在钢筋的外部，一定的保护层厚度，可使钢筋免于腐蚀或高温软化。蚀或高温软化。*注意注意：玻璃纤维、碳纤维等抗拉强度高的材料也可作配筋：玻璃纤维、碳纤维等抗拉强度高的材料也可作配筋用。用。钢筋混凝土结构的主要优缺点钢筋混凝土结构的主要优缺点优点优点合理用材合理用材就地取材就地取材耐久性好耐久性好耐火性好耐火性好可模性好可模性好整体性好整体性好侧移刚度大侧移刚度大自重大自重大 混凝土：混凝土：2425 kN/m3 粘土砖粘土砖:1819kN/m3 杉 木：杉 木：
4、4 kN/m3抗裂性差抗裂性差施工易受季节性影响施工易受季节性影响隔热隔声性能较差隔热隔声性能较差缺点缺点 优点多，缺点少；缺点可克服。优点多，缺点少；缺点可克服。随着科学技术的不断发展，随着科学技术的不断发展，正逐渐被克服正逐渐被克服 钢筋混凝土结构的主要钢筋混凝土结构的主要优点：钢筋混凝土结构除了比素混凝土结构具有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：比还具有下列优点：就地取材。钢筋混凝土结构中，砂和石料所占。钢筋混凝土结构中，砂和石料所占比例很大，水泥和钢筋所占比例较小。砂和石料一
5、般比例很大，水泥和钢筋所占比例较小。砂和石料一般可以由建筑工地附近供应。可以由建筑工地附近供应。节约钢材。钢筋混凝土结构的承载力较高。大。钢筋混凝土结构的承载力较高。大多数情况下可用来代替钢结构，因而节约钢材。多数情况下可用来代替钢结构，因而节约钢材。耐久、耐火。钢筋埋放在混凝土中，受混凝土。钢筋埋放在混凝土中，受混凝土保护不易发生锈蚀，因而提高了结构的耐久性。当火保护不易发生锈蚀，因而提高了结构的耐久性。当火灾发生时。钢筋混凝土结构不会象木结构那样被燃烧灾发生时。钢筋混凝土结构不会象木结构那样被燃烧，也不会象钢结构那样很快软化而破坏。，也不会象钢结构那样很快软化而破坏。可模性好。可以根据需要
6、浇捣成任何形状和尺。可以根据需要浇捣成任何形状和尺寸的结构。寸的结构。现浇式或装配整体式钢筋混凝土结构的现浇式或装配整体式钢筋混凝土结构的整体性整体性好，好，刚度大,对抗震,抗爆有利。钢筋混凝土结构的缺点：钢筋混凝土结构的缺点：自重大。钢筋混凝土的重度约为。钢筋混凝土的重度约为 25kN/m3，比砌体和木材的重度都大。尽管比钢材的重度小，比砌体和木材的重度都大。尽管比钢材的重度小，但结构的截面尺寸比钢结构的大，因而其自重远远但结构的截面尺寸比钢结构的大，因而其自重远远超过相同跨度或高度的钢结构。超过相同跨度或高度的钢结构。抗裂性较差。如前所述，混凝土的抗拉强度。如前所述，混凝土的抗拉强度非常低
7、，因此，普通钢筋混凝土结构经常带裂缝工非常低，因此，普通钢筋混凝土结构经常带裂缝工作。尽管裂缝的存在并不一定意味着结构发生破作。尽管裂缝的存在并不一定意味着结构发生破坏，但是它影响结构的耐久性和美观。当裂缝数量坏，但是它影响结构的耐久性和美观。当裂缝数量较多和开展较宽时，还将给人造成不安全感。较多和开展较宽时，还将给人造成不安全感。施工的周期较长，受天气的影响较大，受天气的影响较大，需要较多的脚手架、模板。需要较多的脚手架、模板。损坏损坏补强维修较难。问题思考问题思考 2：为什么要将钢筋配置在混凝土结构中？为什么要将钢筋配置在混凝土结构中？素混凝土梁素混凝土梁 破坏特征：破坏特征：一裂即断，脆
8、性，一裂即断，脆性，破坏无预兆；破坏无预兆；Fmax8kN 破坏特征：破坏特征：裂不等于坏，裂不等于坏，破坏有预兆；破坏有预兆；Fmax36kN钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁 PPPP素混凝土梁承载素混凝土梁承载力小，破坏突然力小，破坏突然钢筋混凝土梁承载力钢筋混凝土梁承载力大，变形性能好，破大，变形性能好，破坏有预兆坏有预兆由此可见，素混凝土结构中加入少量钢筋以后：由此可见，素混凝土结构中加入少量钢筋以后：承载力有很大提高；承载力有很大提高；受力性能和破坏特征有明显改善。受力性能和破坏特征有明显改善。注意：钢筋的主要作用是抗拉和抗剪，也可以抗压。注意：钢筋的主要作用是抗拉和抗剪，也可以抗压。PP钢
9、筋（加筋）+混凝土钢筋混凝土结构（构件）拉压性能均好抗压性能好利用混凝土抗压，钢筋受拉（亦可受压）-各尽其能，相得益彰复合材料（材料学）复合材料（材料学）混凝土结构的发展及应用概况混凝土结构的发展及应用概况1.钢筋混凝土结构的诞生1824 年，英国人年，英国人 J.Aspdin 发明了波特兰水泥，有了混凝土；发明了波特兰水泥，有了混凝土；1849 年，法国人年，法国人 Joseph Louis Lambot 用水泥砂浆涂在钢丝网的用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成小船两面做成小船-最早的钢筋混凝土结构；最早的钢筋混凝土结构；1861 年，法国花匠年，法国花匠 J.Monier 用钢丝作为配筋制作了
10、花盆并申请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、拱桥等专利了专利，后又申请了钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利-尽管他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，他仍被认为是钢筋混凝土结构的发明者；仍被认为是钢筋混凝土结构的发明者；1884 年，德国人年，德国人 Wayss,Bauschingger 和和 Koenen 等提出了钢筋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，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。钢
11、筋混凝土结构逐渐得到了推广应用。2.材料方面的发展强度不断提高强度不断提高 美国美国 60 年代混凝土抗压强度平均值：年代混凝土抗压强度平均值：28N/mm2，70 年代：年代：42N/mm2，如今随需要可达：，如今随需要可达：40N/mm2100N/mm2，试验室中：，试验室中：266N/mm2，但高强混凝土的抗拉强，但高强混凝土的抗拉强度与抗压强度之比仅为度与抗压强度之比仅为 6%，脆性显著，塑性明显下降。，脆性显著，塑性明显下降。轻质混凝土的应用轻质混凝土的应用 容重一般为：容重一般为：14kN/m318kN/m3(普通混凝土为普通混凝土为24kN/m3)，加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩
12、混凝土、碎，加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等。砖混凝土等。高性能混凝土（高性能混凝土（HPC，High Performance Concrete)HPC 是采用现代先进的混凝土技术制作的，是以耐久是采用现代先进的混凝土技术制作的，是以耐久性作为混凝土设计的主要技术指标，同时结合不同建筑的性作为混凝土设计的主要技术指标，同时结合不同建筑的具体要求，具有高强度、高韧性、高抗渗性、易施工和经具体要求，具有高强度、高韧性、高抗渗性、易施工和经济性等。济性等。纤维混凝土（纤维混凝土（FRC，Fiber Reinforced Concrete)钢纤维、玻璃纤维、碳纤维及合成纤维等，短纤钢
13、纤维、玻璃纤维、碳纤维及合成纤维等，短纤维或连续的长纤维作为混凝土的增强材料。维或连续的长纤维作为混凝土的增强材料。3.结构方面的发展预应力混凝土结构的应用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。抗裂度，减轻构件的自重。结构体系的丰富结构体系的丰富 不同用途、不同结构功能具有相应的结构体系：混凝不同用途、不同结构功能具有相应的结构体系：混凝土结构、钢与混凝土的组合结构及预应力混凝土结构等。土结构、钢与混凝土的组合结构及预应力混凝土结构等。台北台北 101，101 层，层，508m,钢结构；钢结构
14、；马来西亚吉隆坡石油大厦，马来西亚吉隆坡石油大厦，88 层，层，452m，钢，钢-混凝土结构；混凝土结构；上海金茂大厦，上海金茂大厦，88 层，层，421m，钢，钢-混凝土结构；混凝土结构；香港国际金融中心，香港国际金融中心，88 层，层，415m，混合结构；，混合结构；美国亚特兰大奥运会主体育馆美国亚特兰大奥运会主体育馆 240m193m，张拉整体结构；，张拉整体结构；桥梁跨度也越来越大。如四川万县拱桥，跨度为桥梁跨度也越来越大。如四川万县拱桥，跨度为 420m。筒体结构筒体结构混合结构混合结构 薄壳结构薄壳结构 RC 框架结构开孔索穹顶框架结构开孔索穹顶 张张拉拉式式膜膜结结构构 钢筋混凝
15、土支承结构钢筋混凝土支承结构 “鸟巢”结构鸟巢”结构完整框架完整框架结构主框架结构主框架结构主框架结构主框架 国际金融中心 国际金融中心 88 层层,415m台北台北 101101 层层,508m金茂大厦金茂大厦88 层层,421m 重庆市万县长江大桥重庆市万县长江大桥 施工中的钢筋混凝土建筑结构 施工中的钢筋混凝土桥梁结构 4.理论研究方面的发展方法设计允力许应法设计破坏段阶法设计限极状态法设计半半率经验概法近似率法概全率法概生命全程过设法计材料力的方法学按法确定安经验全系数 结构基本理论-如何一新设计个结构荷载的确定方法荷载的确定方法结构的力学分析：线性和非线性结构的力学分析：线性和非线性
16、构件的承载力计算、设计方法和构造措施构件的承载力计算、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体空间作用分析方法的完善与应用 第二节 钢筋混凝土材料的力学性能第二节 钢筋混凝土材料的力学性能 用于普通钢筋混凝土的钢筋用于普通钢筋混凝土的钢筋用于普通钢筋混凝土的钢筋用于普通钢筋混凝土的钢筋一、钢筋的基本性能一、钢筋的基本性能一、钢筋的基本性能一、钢筋的基本性能热轧钢筋热轧钢筋热轧钢筋热轧钢筋:低碳钢、低合金钢在高温状态下轧制而成。低碳钢、低合金钢在高温状态下轧制而成。HPB235HPB235（级钢（级钢（级钢（级钢）HPB300HPB300（级钢）（级钢）（级钢）（级钢）HRB335 HRB335（级钢）级钢）级钢）级钢）HRB400HRB400（级钢）级钢）级钢）级钢）HRB500 HRB500（级钢）（级钢）（级钢）（级钢）余热处理钢筋余热处理钢筋余热处理钢筋余热处理钢筋:由轧制钢筋经高温淬水，后余热处理而成。由轧制钢筋经高温淬水，后余热处理而成。RRB400RRB400（级钢）级钢）级钢）级钢）细晶
