混凝土結構設計原理2025年1月4日第1章緒論第1章緒論2025年1月4日第1章緒論§1.1混凝土結構的一般概念1.1.1混凝土結構的定義與分類1.混凝土是由水泥、砂子、粗骨料、添加劑及水按一定比例充分拌和，并在適當的溫度、濕度條件下，經一定時間養護硬化后所形成的“人工石材”。2.以混凝土為主要材料，并根據需要配置鋼筋、預應力筋、型鋼等鋼材所制成的構件，稱為混凝土構件；所組成的結構，稱之為混凝土結構。2025年1月4日第1章緒論3.混凝土結構的分類

混凝土結構可分為以下幾類：素混凝土結構：無鋼筋或不配置受力鋼筋的混凝土結構。鋼筋混凝土結構：配置受力的普通鋼筋、鋼筋網或鋼筋骨架的混凝土結構。預應力混凝土結構：配置預應力鋼筋和普通鋼筋，再經過張拉或其他方法建立預加應力的混凝土結構。型鋼混凝土結構（勁性鋼筋混凝土結構、鋼管混凝土）：配置受力的型鋼和鋼筋的混凝土結構。2025年1月4日第1章緒論素混凝土結構（PlainConcreteStructure)2025年1月4日第1章緒論毛石混凝土處理地基2025年1月4日第1章緒論基礎底板的鋼筋綁扎2025年1月4日第1章緒論鋼筋綁扎（承臺）2025年1月4日第1章緒論框架結構模板支撐情況2025年1月4日第1章緒論混凝土攪拌機混凝土攪拌站2025年1月4日第1章緒論混凝土運輸車2025年1月4日第1章緒論泵送混凝土現場2025年1月4日第1章緒論Putzmeister（普茨邁茨特）62米混凝土輸送泵車2025年1月4日第1章緒論國家大劇院進行混凝土澆筑2025年1月4日第1章緒論組合式預應力混凝土剛架預應力混凝土結構（PrestressedConcreteStructure)2025年1月4日第1章緒論首都機場停車樓進行預應力筋綁扎2025年1月4日第1章緒論張拉端盒（首都機場停車樓）2025年1月4日第1章緒論鐵皮波紋管2025年1月4日第1章緒論預應力筋錨具2025年1月4日第1章緒論西南醫院科教中心樓國際會議中心（預應力結構）2025年1月4日第1章緒論得意廣場雙向預應力網格梁2025年1月4日第1章緒論四豐橋預制節段拼裝實驗梁返回2025年1月4日第1章緒論鋼骨（型鋼）混凝土結構

（SteelFramedReinforcedConcreteStructure)北京蘭華國際大廈2025年1月4日第1章緒論北京蘭華國際大廈（局部）2025年1月4日第1章緒論北京蘭華國際大廈施工現場2025年1月4日第1章緒論北京蘭華國際大廈（斜向鋼骨混凝土柱施工）2025年1月4日第1章緒論北京蘭華國際大廈（梁、柱節點的構造）2025年1月4日第1章緒論1.1.2材料基本特性與配筋的作用1.混凝土的基本特性抗壓強度高，抗拉強度低。一般抗拉強度只有抗壓強度的1/8～1/20。破壞時具有明顯的脆性性質。 混凝土具有良好的抗壓強度，適用于承壓為主的構件，如柱和拱。另一方面，抗拉強度遠低于抗壓強度，故素混凝土不適用于制作完全受拉或部分截面受拉的結構構件。與鋼材相比，混凝土破壞前的變形能力較小，具有明顯的脆性性質。2025年1月4日第1章緒論2.鋼材的基本特性抗拉和抗壓強度都很高。軟鋼具有明顯屈服現象，有較好的塑性；硬鋼無明顯屈服點，但仍具有足夠的塑性。鋼筋的強度遠高于混凝土的強度，在混凝土結構中，充分利用鋼筋抗拉強度遠遠高于混凝土抗拉強度的特點，將其布置在結構（構件）的受拉部位；鋼筋受壓時極易壓屈失穩，難以發揮其抗壓強度，應對受壓鋼筋采取特殊構造措施，以防止壓屈失穩。2025年1月4日第1章緒論3.配筋的作用在構件的受拉區配置鋼筋承受拉力，可大大提高構件的承載力和變形能力，使兩種材料充分發揮各自的強度特點。b.也可以在受壓區配置一定數量的鋼筋來協助混凝土受壓，以提高構件的承載力和變形能力，改善受壓構件破壞時的脆性性質。2025年1月4日第1章緒論4.鋼筋和混凝土的共同工作混凝土硬化后與鋼筋之間有良好的粘結力。混凝土與鋼材具有基本相近的溫度線膨脹系數（鋼材1.2×10-5，混凝土1.0～1.5×10-5），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發生粘結破壞。混凝土保護鋼筋不易銹蝕、不易高溫軟化。2025年1月4日第1章緒論1.1.3混凝土結構的優缺點1.混凝土結構的主要優點取材容易：混凝土所用的砂、石一般易于就地取材。另外，還可有效利用礦渣、粉煤灰等工業廢料。合理用材：鋼筋混凝土結構合理地發揮了鋼筋和混凝土兩種材料的性能優勢，與鋼結構相比，可以降低造價。2025年1月4日第1章緒論耐久性和耐火性較好，維護費用低：鋼筋有混凝土的保護，不易銹蝕，而混凝土的強度隨時間而增長，能充分保證其設計強度和耐久性；混凝土是不良熱導體，30mm厚混凝土保護層可耐火2小時，使鋼筋不致因升溫過快而喪失強度。維護費用較鋼、木結構低。可模性：根據需要，可以較容易地澆筑成各種形狀和尺寸的鋼筋混凝土結構。整體性好：整澆或裝配整體式鋼筋混凝土結構有很好的整體性，有利于抗震、抵抗振動和爆炸沖擊波。2025年1月4日第1章緒論2.混凝土結構的缺點自重較大，增大構件截面尺寸，對大跨度結構、高層建筑結構以及抗震不利，也給運輸和施工吊裝帶來困難。增加造價。抗裂性較差，受拉和受彎等構件在正常使用時往往帶裂縫工作，對一些不允許出現裂縫或對裂縫寬度有嚴格限制的結構，要滿足這些要求就需要采用特殊措施。隔熱、隔聲性能也較差。施工周期長，受氣候影響大。2025年1月4日第1章緒論§1.2混凝土結構的發展與應用概況1.2.1混凝土結構的發展概況1824年英國人阿斯普丁(J.Aspdin)發明硅酸鹽水泥（PortlandCement）。1849年法國人朗波(L.Lambot)制造了第一只鋼筋混凝土小船。1872年在紐約建造第一所鋼筋混凝土房屋。 混凝土結構開始應用于土木工程距今僅160多年,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，目前混凝土結構已成為大量土木工程結構中最主要的結構，而且高性能混凝土、新的結構形式、完善的設計理論和先進的施工工藝還在不斷發展。2025年1月4日第1章緒論1.2.2當代混凝土結構工程的應用美國芝加哥水塔廣場大廈，76層，262m，1976年建成2025年1月4日第1章緒論朝鮮平壤柳京飯店，105層，320m2025年1月4日第1章緒論上海金茂大廈，420m（RC-S結構）2025年1月4日第1章緒論廣州中信廣場大廈，80層，322m（我國第一高RC）2025年1月4日第1章緒論意大利都靈展覽館薄壁鋼絲網水泥拱，跨度96m2025年1月4日第1章緒論南京長江二橋

（鋼箱梁斜拉橋+鋼筋混凝土預應力連續箱梁橋）

2025年1月4日第1章緒論安徽蕪湖長江大橋（矮塔部分斜拉結構）

2025年1月4日第1章緒論加拿大多倫多電視塔，549m

（世界第一）2025年1月4日第1章緒論莫斯科電視塔，533m

（世界第二）2025年1月4日第1章緒論上海東方明珠電視塔，468m

（世界第三）2025年1月4日第1章緒論悉尼歌劇院（SydneyOperaHouse）

丹麥建筑師JornUtzon的設計

工期17年（原計劃4年），造價1億美元（原計劃700萬）

§1.3結構的功能與極限狀態1.3.1結構的功能要求

結構設計需要滿足的基本要求是：使結構在設計使用年限內，在正常使用、維護條件下，應保持其各項功能要求，而不需進行大修加固。建筑結構應滿足的功能要求可概括為：安全性、適用性、耐久性。安全性應能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現的各種荷載、外加變形、約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時）等所有可能的作用在偶然事件（如地震、爆炸）發生后，結構應能保持整體穩定性，不應發生倒塌或連續破壞而造成嚴重損失。2025年1月4日第1章緒論b.適用性結構在正常使用期間，應具有良好的工作性能。如：不發生影響正常使用的過大的變形、振動，不產生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度和變形。耐久性結構在正常使用和正常維護條件下，應具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕），不會導致結構在其預定的設計使用年限內喪失安全性和適用性，降低使用壽命。2025年1月4日第1章緒論1.3.2結構的極限狀態1.極限狀態的分類(1)承載能力極限狀態

結構或構件達到最大承載能力或達到不適于繼續承載的變形狀態，稱為承載能力極限狀態。具體包括：a)結構構件或連接因超過材料強度而破壞（包括疲勞破壞)；b)整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；c)結構轉變為機動體系；d)結構或結構構件喪失穩定（如壓屈等）。

一旦超過承載能力極限狀態，結構或構件就不能滿足安全性要求，后果嚴重。2025年1月4日第1章緒論(2)正常使用極限狀態

結構或構件達到正常使用或耐久性能中某項規定限度的狀態，稱為正常使用極限狀態。具體包括：a)影響正常使用或外觀的變形

（影響非結構構件、不安全感、不能正常使用等）；b)影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；

c)影響正常使用的振動（不舒適）；d)影響正常使用的其他特定狀態。一旦超過正常使用極限狀態，結構或構件就不能保證適用性、耐久性的功能要求。正常使用極限狀態不涉及安全性，破壞的后果不如承載能力極限狀態嚴重。2025年1月4日第1章緒論1.3.3結構上的作用與材料強度1.作用的分類(1)分類

a)直接作用（荷載）如：各種荷載（重力、風力）作用僅與外部因素有關，與結構本身的力學特性無關

b)間接作用如：地震、收縮、溫度變化、沉降、徐變、侵蝕、凍融等不僅與外部因素有關，還與結構本身的力學特性有關2025年1月4日第1章緒論2.荷載的分類(1)永久荷載（permanentload，恒荷載）

在設計使用期內，若：其值不隨時間而變化，其變化與平均值相比可以忽略不計，其變化是單調的并能趨于確定值，

則為永久荷載。如：結構自重、土壓力、預應力等。2025年1月4日第1章緒論(2)可變荷載（活荷載）在設計使用期內：數值、作用位置隨時間而變化，則為可變荷載。如：樓面活荷載、吊車荷載、風荷載、雪荷載等。(3)偶然荷載在設計使用期內，不一定出現，但一旦出現，其值很大且持續時間很短。如爆炸力、沖擊力等。2025年1月4日第1章緒論3.荷載的標準值（荷載的基本代表值）由于實際作用在結構上的荷載大小具有不確定性，應視為隨機變量，原則上采用數理統計的方法描述。有足夠資料且有可能對其統計分布作出合理估計時，則選取具有95%保證率的上分位荷載值，作為設計各類結構時所取用的荷載標準值，其值等于該荷載的統計平均值加1.645倍標準差。無充分統計資料時，可根據已有的工程實踐經驗，分析判斷后協議給出一個公稱值作為荷載標準值。《建筑結構荷載規范》GB50009有相應規定。2025年1月4日第1章緒論4.材料強度的標準值對材料強度試驗資料進行統計回歸分析，得出材料強度概率分布曲線（混凝土和鋼材強度均可看作正態分布）。材料強度的標準值應具有不小于95％的保證率。由正態分布曲線可知，在fk右側曲線與橫軸包圍的面積即為整個曲線包圍面積的95%，于是fk的表達式為：對于混凝土：

對鋼材：2025年1月4日第1章緒論環境類別說明一室內干燥環境；永久的無侵蝕性靜水浸沒環境

二a室內潮濕環境；非嚴寒和非寒冷地區露天環境；非嚴寒和非寒冷地區與無侵蝕性的水或土壤直接接觸的環境；嚴寒和寒冷地區的冰凍線以下與無侵蝕性的水或土壤直接接觸