1、結構設計原理結構設計原理緒論緒論緒緒 論論 以混凝土材料為主的結構均可稱為以混凝土材料為主的結構均可稱為混凝土結構混凝土結構。包括鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構和素混凝包括鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構和素混凝土結構等。土結構等。0.1 混凝土結構的一般概念0.1.1混凝土結構的定義與分類0.1.2 鋼筋與混凝土共同工作的條件： 鋼筋和混凝土兩種材料的物理力學性能很不相同，他們可以結合在一起共同工作，是因為：鋼筋和混凝土之間存在有良好的粘結力，在荷載作用下，可以保證兩種材料協調變形，共同受力；鋼筋與混凝土具有基本相同的溫度線膨脹系數（鋼材為1.210-5，混凝土為(1.01.5)10-5）

2、，因此當溫度變化時，兩種材料不會產生過大的變形差而導致兩者間的粘結力破壞。0.1.3 0.1.3 混凝土結構的優缺點：混凝土結構的優缺點：優點優點 材料利用合理材料利用合理 可模性好可模性好 耐久性和耐火性較好，維護費用低耐久性和耐火性較好，維護費用低 現澆混凝土結構的整體性好，延性好現澆混凝土結構的整體性好，延性好 剛度大、阻尼大，有利于結構的變形控制剛度大、阻尼大，有利于結構的變形控制 易于就地取材易于就地取材 缺點：缺點： 自重大自重大 抗裂性差抗裂性差 承載力有限承載力有限 施工復雜，工序多（支模、綁鋼筋、澆筑、養護），工期長，施工復雜，工序多（支模、綁鋼筋、澆筑、養護），工期長，施工

3、受季節、天氣的影響較大。施工受季節、天氣的影響較大。 混凝土結構一旦破壞，其修復、加固、補強比較困難。混凝土結構一旦破壞，其修復、加固、補強比較困難。0.20.2混凝土結構的發展與應用概況混凝土結構的發展與應用概況v1824年英國人阿斯普丁年英國人阿斯普丁(J.Aspdin)發明硅酸鹽水泥。發明硅酸鹽水泥。v1849年法國人朗波年法國人朗波(L.Lambot)制造了第一只鋼筋混制造了第一只鋼筋混凝土小船。凝土小船。v 1872年在紐約建造第一所鋼筋混凝土房屋。年在紐約建造第一所鋼筋混凝土房屋。v混凝土結構的開始應用于土木工程距今僅混凝土結構的開始應用于土木工程距今僅150多年。多年。v與磚石結

4、構、鋼木結構相比，混凝土結構的歷史并與磚石結構、鋼木結構相比，混凝土結構的歷史并不長，但發展非常迅速，是目前土木工程結構中應用不長，但發展非常迅速，是目前土木工程結構中應用最為廣泛結構，而且最為廣泛結構，而且高性能混凝土高性能混凝土和和新型混凝土結構新型混凝土結構形式還在不斷發展。形式還在不斷發展。第一階段：第一階段：從鋼筋混凝土的發明至上世紀初。從鋼筋混凝土的發明至上世紀初。鋼筋和混凝土的強度都比較低。鋼筋和混凝土的強度都比較低。主要用于建造中小型樓板、梁、柱、拱和基礎等主要用于建造中小型樓板、梁、柱、拱和基礎等構件。構件。計算理論：結構內力和構件截面計算均套用彈性計算理論：結構內力和構件截

5、面計算均套用彈性理論，采用容許應力設計方法。理論，采用容許應力設計方法。混凝土結構的發展第二階段：第二階段：從上世紀從上世紀2020年代到第二次世界大戰前后。年代到第二次世界大戰前后。混凝土和鋼筋強度的不斷提高。混凝土和鋼筋強度的不斷提高。19281928年法國杰出的土木工程師年法國杰出的土木工程師E.FreyssnetE.Freyssnet發明了預發明了預應力混凝土，使得混凝土結構可以用來建造大跨度應力混凝土，使得混凝土結構可以用來建造大跨度計算理論：前蘇聯著名的混凝土結構專家格沃茲捷計算理論：前蘇聯著名的混凝土結構專家格沃茲捷夫（夫（.）開始考慮混凝土塑性）開始考慮混凝土塑性性能的破損階段

6、設計法，性能的破損階段設計法，5050年代又提出更為合理的年代又提出更為合理的極限狀態設計法，奠定了現代鋼筋混凝土結構的基極限狀態設計法，奠定了現代鋼筋混凝土結構的基本計算理論。本計算理論。第三階段：二戰以后到現在第三階段：二戰以后到現在隨著建設速度加快，對材料性能和施工技術提出更隨著建設速度加快，對材料性能和施工技術提出更高要求，出現裝配式鋼筋混凝土結構、泵送商品混高要求，出現裝配式鋼筋混凝土結構、泵送商品混凝土等工業化生產技術。凝土等工業化生產技術。高強混凝土和高強鋼筋的發展、計算機的采用和先高強混凝土和高強鋼筋的發展、計算機的采用和先進施工機械設備的發明，建造了一大批超高層建筑、進施工機

7、械設備的發明，建造了一大批超高層建筑、大跨度橋梁、特長跨海隧道、高聳結構等大型工程，大跨度橋梁、特長跨海隧道、高聳結構等大型工程，成為現代土木工程的標志。成為現代土木工程的標志。設計計算理論：發展了以概率理論為基礎的極限狀設計計算理論：發展了以概率理論為基礎的極限狀態設計法，基礎理論問題大都得到解決，而新型混態設計法，基礎理論問題大都得到解決，而新型混凝土材料及其復合結構形式的出現又不斷提出新的凝土材料及其復合結構形式的出現又不斷提出新的課題，并不斷促進混凝土結構的發展。課題，并不斷促進混凝土結構的發展。1 1、加強實驗、實踐性教學環節并注意擴大知識面。、加強實驗、實踐性教學環節并注意擴大知識

8、面。混凝土結構的基本理論相當于鋼筋混凝土及預應混凝土結構的基本理論相當于鋼筋混凝土及預應力混凝土的材料力學，它是以實驗為基礎的，因力混凝土的材料力學，它是以實驗為基礎的，因此除了課堂學習以外，還要加強實驗的教學環節，此除了課堂學習以外，還要加強實驗的教學環節，以進一步理解學習內容和訓練實驗的基本技能。以進一步理解學習內容和訓練實驗的基本技能。0.3 混凝土結構課程學習中應注意的問題2 2、突出重點并注意難點的學習。本課程的內容多、突出重點并注意難點的學習。本課程的內容多、符號多、計算公式多、構造規定也多，學習時要遵符號多、計算公式多、構造規定也多，學習時要遵循教學大綱的要求，貫徹循教學大綱的要

9、求，貫徹“少而精少而精”的原則，突出的原則，突出重點內容的學習。重點內容的學習。3 3、深刻理解重要的概念，熟練掌握設計計算的基、深刻理解重要的概念，熟練掌握設計計算的基本功，切記死記硬背。要求熟練掌握、深刻理解一本功，切記死記硬背。要求熟練掌握、深刻理解一些重要的概念并在今后的學習中不斷的深入理解。些重要的概念并在今后的學習中不斷的深入理解。第一章第一章 鋼筋砼材料的力學性能鋼筋砼材料的力學性能主要內容：主要內容：1. 1. 混凝土強度和變形混凝土強度和變形2. 2. 鋼筋的品種、級別和力學性能鋼筋的品種、級別和力學性能3. 3. 鋼筋與混凝土共同工作的基本條件鋼筋與混凝土共同工作的基本條件

10、1.1 1.1 混凝土的物理力學性能混凝土的物理力學性能1.1.1混凝土的組成結構混凝土的組成結構 通常把混凝土的結構分為三種類型：通常把混凝土的結構分為三種類型：.微觀結構微觀結構 .亞微觀結構亞微觀結構 .宏觀結構宏觀結構注意：注意：1.骨料的分布及骨料與基相之間在界面的結合強度是影響骨料的分布及骨料與基相之間在界面的結合強度是影響混凝土強度的重要因素；混凝土強度的重要因素；2.在荷載的作用下，微裂縫的擴展對混凝土的力學性能有在荷載的作用下，微裂縫的擴展對混凝土的力學性能有著極為重要的影響。著極為重要的影響。1.1.2單軸應力狀態下的混凝土強度單軸應力狀態下的混凝土強度 混凝土結構中，混凝

11、土結構中，主要是利用它的主要是利用它的抗壓強度抗壓強度。因此抗壓強度是。因此抗壓強度是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標。混凝土力學性能中最主要和最基本的指標。混凝土的強度等級是用抗壓強度來劃分的混凝土的強度等級是用抗壓強度來劃分的（1 1）單向受力狀態下混凝土的強度）單向受力狀態下混凝土的強度 1）立方體抗壓強度）立方體抗壓強度：邊長為150mm的混凝土立方體試件，在標準條件下（溫度為203，濕度90%）養護28天，用標準試驗方法（加載速度0.150.3N/mm2/s，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的抗壓強度，用符號C表示。 規范根據強度范圍，從C15C80共劃分為14個強度等級，

12、級差為5N/mm2。2 2）軸心抗壓強度）軸心抗壓強度 按標準方法制作的150mml50mm450mm的棱柱體試件，在溫度為20土3和相對濕度為90以上的條件下養護28d，用標準試驗方法測得的具有95保證率的抗壓強度 。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。 考慮到實際結構構件制作、養護和受力情況，實際構件強度與試件強度之間存在差異，規范基于安全取偏低值，規定軸心抗壓強度標準值和立方體抗壓強度標準值的換算關系為：kcuckfkkf,2188. 03 3）軸心抗拉強度）軸心抗拉強度 混凝土的軸心抗拉強度可以采用直接軸心受拉的試驗方法來測定，但由于試驗比較困難，目前國內外主要采用圓柱體

13、或立方體的劈裂試驗來間接測試混凝土的軸心抗拉強度。劈裂試驗FaF拉壓壓1.1.3復雜應力下混凝土的受力性能雙向受力狀態雙向受力狀態 實際結構中，混凝土很少處于單向受力狀態。更多的是處實際結構中，混凝土很少處于單向受力狀態。更多的是處于于雙向雙向或或三向三向受力狀態。受力狀態。壓剪或拉剪復合應力狀態壓剪或拉剪復合應力狀態混凝土的抗剪強度：隨拉應力增大而減小混凝土的抗剪強度：隨拉應力增大而減小 隨壓應力增大而增大隨壓應力增大而增大當壓應力在當壓應力在0.6fc左右時，抗剪強度達到最大，左右時，抗剪強度達到最大，壓應力繼續增大，則由于內裂縫發展明顯，抗剪強度將隨壓應壓應力繼續增大，則由于內裂縫發展明

14、顯，抗剪強度將隨壓應力的增大而減小。力的增大而減小。三向受壓應力狀態三向受壓應力狀態12cfK 混凝土三向受壓時，其任一向的抗壓強度都會隨其混凝土三向受壓時，其任一向的抗壓強度都會隨其他兩向壓應力的增加而有較大程度的提高。他兩向壓應力的增加而有較大程度的提高。 混凝土圓柱體三向受壓的軸向抗壓強度與側壓力之混凝土圓柱體三向受壓的軸向抗壓強度與側壓力之間的關系可用下列經驗公式表示：間的關系可用下列經驗公式表示：02468102030(MPa)e 10-3BACED1.1.41.1.4混凝土的變形混凝土的變形 1、單軸受壓應力、單軸受壓應力-應變關系應變關系不同強度混凝土的應力-應變關系曲線強度等級

15、越高，線彈性段強度等級越高，線彈性段越長，峰值應變也有所增越長，峰值應變也有所增大。但高強混凝土中，砂大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結很強，密漿與骨料的粘結很強，密實性好，微裂縫很少，最實性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，后的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降破壞時脆性越顯著，下降段越陡。段越陡。2 2、混凝土的變形模量、混凝土的變形模量彈性模量彈性模量0tgEc變形模量變形模量1tgEc切線模量切線模量tgEc 彈性模量測定方法e0.5fc510 次)N/mm(74.342 . 21025cucfE1.1.51.1.5混凝土的收縮和徐變混凝土的收縮和徐變1、混凝土的收縮

16、、混凝土的收縮 混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現象稱為混凝土混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現象稱為混凝土的收縮。的收縮。 收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產生的變形。收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產生的變形。 當這種自發的變形受到外部（支座）或內部（鋼筋）的約當這種自發的變形受到外部（支座）或內部（鋼筋）的約束時，束時，將使混凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂。將使混凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂。混凝土收縮會使預應力混凝土構件產生預應力損失。混凝土收縮會使預應力混凝土構件產生預應力損失。 影響因素影響因素 混凝土的收縮受結構周圍的溫度、濕度、構件斷面形狀及混

17、凝土的收縮受結構周圍的溫度、濕度、構件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質、水泥性質、混凝土澆筑質量及養護尺寸、配合比、骨料性質、水泥性質、混凝土澆筑質量及養護條件等許多因素有關。條件等許多因素有關。（1）水泥的品種）水泥的品種（2）水泥的用量）水泥的用量（3）骨料的性質）骨料的性質（4）養護條件）養護條件（5）混凝土制作方法）混凝土制作方法（6）使用環境）使用環境（7）構件的體積與表面積比值）構件的體積與表面積比值2、混凝土的徐變 混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的現象稱為徐變。現象稱為徐變。 徐變對混凝土結構和構件的工作性能有很

18、大影響。由于混徐變對混凝土結構和構件的工作性能有很大影響。由于混凝土的徐變，會使構件的變形增加，在鋼筋混凝土截面中引起凝土的徐變，會使構件的變形增加，在鋼筋混凝土截面中引起應力重分布，在預應力混凝土結構中會造成預應力的損失。應力重分布，在預應力混凝土結構中會造成預應力的損失。 混凝土的徐變特性主要與時間參數有關。混凝土的徐變特性主要與時間參數有關。影響因素影響因素內在因素內在因素是混凝土的組成和配比。骨料是混凝土的組成和配比。骨料(aggregate)的剛度（彈的剛度（彈性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變也越小。也越小。

19、環境影響環境影響包括養護和使用條件。受荷前養護包括養護和使用條件。受荷前養護(curing)的溫濕度越的溫濕度越高，水泥水化作用月充分，徐變就越小。采用蒸汽養護可使徐高，水泥水化作用月充分，徐變就越小。采用蒸汽養護可使徐變減少（變減少（2035）%。受荷后構件所處的環境溫度越高，相對濕。受荷后構件所處的環境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。度越小，徐變就越大。3、混凝土在荷載重復作用下的變形（疲勞變形）疲勞強度疲勞強度混凝土的疲勞強度由疲勞試驗測定。采用混凝土的疲勞強度由疲勞試驗測定。采用100mm100mm300mm 或著或著150mm150mm450mm的棱柱體，把棱柱體試件承受的棱柱體

20、，把棱柱體試件承受200萬次或其以上循環荷載而發生破壞的壓應力值稱為萬次或其以上循環荷載而發生破壞的壓應力值稱為混凝土混凝土的疲勞抗壓強度的疲勞抗壓強度。影響因素影響因素施加荷載時的應力大小是影響應力施加荷載時的應力大小是影響應力-應變曲線不同的發展和變應變曲線不同的發展和變化的關鍵因素，即混凝土的疲勞強度與重復作用時應力變化化的關鍵因素，即混凝土的疲勞強度與重復作用時應力變化的幅度有關。在相同的重復次數下，疲勞強度隨著疲勞應力的幅度有關。在相同的重復次數下，疲勞強度隨著疲勞應力比值的增大而增大。比值的增大而增大。混凝土在荷載重復作用下的應力-應變關系1.2 鋼筋的物理力學性能 1.2.1鋼筋

21、的品種和級別 熱軋鋼筋、中高強鋼絲和鋼絞線、熱處理鋼筋和冷加工鋼筋D公稱直徑 A3 股鋼絞線量測尺寸鋼絞線圖 2-1 常用鋼筋形式刻痕鋼絲螺旋肋鋼絲熱軋鋼筋的分類熱軋鋼筋的分類R235級、HRB335級、HRB400級、KL400級屈服強度屈服強度 fyk（標準值標準值= =鋼材廢品限值，保證率鋼材廢品限值，保證率97.73%）R235級： fyk = 235 N/mm2HRB335級： fyk = 335 N/mm2HRB400級、KL400級： fyk = 400 N/mm2 R235級(級)鋼筋鋼筋多為光面鋼筋多為光面鋼筋，多作為現澆樓板的多作為現澆樓板的受力鋼筋和箍筋。受力鋼筋和箍筋。

22、 HRB335級(級)和 HRB400級(級)鋼筋鋼筋強度較高，強度較高，多多作為鋼筋混凝土構件的受力鋼筋，尺寸較大的構件，作為鋼筋混凝土構件的受力鋼筋，尺寸較大的構件，也有用也有用級鋼筋作箍筋以級鋼筋作箍筋以增強與混凝土的粘結，外形增強與混凝土的粘結，外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋。 KL400級(級)鋼筋鋼筋余熱處理鋼筋余熱處理鋼筋。延伸率延伸率d d5 5= =25、16、14、10%，直徑直徑840。鋼絲鋼絲，中強鋼絲的強度為中強鋼絲的強度為8001200MPa，高強鋼絲、鋼絞線，高強鋼絲、鋼絞線的為的為 1470 1860MPa；延伸率延伸率d10=

23、6%，d100=3.54%；鋼絲的；鋼絲的直徑直徑39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三種，另有二股、；外形有光面、刻痕和螺旋肋三種，另有二股、三股和七股鋼絞線，外接圓直徑三股和七股鋼絞線，外接圓直徑9.515.2 mm。中高強鋼絲和。中高強鋼絲和鋼絞線均用于預應力混凝土結構。鋼絞線均用于預應力混凝土結構。冷加工鋼筋冷加工鋼筋是由熱軋鋼筋和盤條經冷拉、冷拔、冷軋、冷扭加是由熱軋鋼筋和盤條經冷拉、冷拔、冷軋、冷扭加工后而成。冷加工的目的是為了提高鋼筋的強度，節約鋼材。工后而成。冷加工的目的是為了提高鋼筋的強度，節約鋼材。但經冷加工后，鋼筋的延伸率降低。但經冷加工后，鋼筋的延伸率降低。近年來，冷加工

24、鋼筋的品近年來，冷加工鋼筋的品種很多，應根據專門規程使用。種很多，應根據專門規程使用。熱處理鋼筋熱處理鋼筋是將是將級鋼筋通過加熱、淬火和回火等調質工藝處級鋼筋通過加熱、淬火和回火等調質工藝處理，使強度得到較大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于預理，使強度得到較大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于預應力混凝土結構。應力混凝土結構。 e e1.2.2 1.2.2 鋼筋的強度與變形鋼筋的強度與變形 有明顯屈服點的鋼筋有明顯屈服點的鋼筋aabcdefua為比例極限oa為彈性階段為彈性階段de為強化階段為強化階段b為屈服上限c為屈服下限，即屈服強度 fycd為屈服臺階e為極限抗拉強度 fu fyfef為頸縮階段為頸縮階段屈服強度屈服強度：是鋼筋強度的設計依據是鋼筋強度的設計