混凝土結構設計方法課程概述課程目標掌握混凝土結構設計基本原理學習內容材料性能、構件設計、結構體系考核方式第一章：混凝土結構概述混凝土結構的定義混凝土與鋼筋組合形成的承重體系通過材料復合發揮協同作用混凝土結構的優缺點優點：強度高、耐久性好、防火性能佳混凝土結構的分類鋼筋混凝土結構普通鋼筋與混凝土共同工作預應力混凝土結構通過施加預應力提高承載能力其他類型混凝土結構的應用領域建筑工程住宅、商業、工業建筑橋梁工程拱橋、梁橋、斜拉橋水利工程水庫、水電站、水閘混凝土結構設計的發展歷程1早期發展19世紀：鋼筋混凝土初創1900-1950：理論框架建立2現代設計方法的演進1960-1980：極限狀態設計法1980-2000：可靠度理論引入2000至今：數字化與可持續設計第二章：材料性能水泥凝結硬化的主要材料骨料砂石構成混凝土主體水水化反應的必要條件外加劑改善混凝土特性混凝土的強度等級抗壓強度(MPa)抗拉強度(MPa)混凝土的力學性能應力-應變曲線非線性關系，壓曲線呈拋物線徐變長期荷載作用下應變增長收縮水分散失導致體積減小鋼筋的種類和性能類型牌號屈服強度應用場合熱軋鋼筋HPB300300MPa箍筋、構造鋼筋熱軋帶肋鋼筋HRB400400MPa主筋、受力鋼筋冷加工鋼筋CRB550550MPa高強度需求場合鋼筋與混凝土的粘結性能化學粘結水泥漿體與鋼筋表面摩擦力拉拔時產生摩擦阻力機械鎖定肋鋼筋與混凝土咬合第三章：結構設計基本原理設計目標安全性、適用性、耐久性、經濟性安全性承載能力滿足使用要求抵抗各種可能的破壞適用性變形、裂縫控制在允許范圍滿足使用功能需求極限狀態設計法概述承載能力極限狀態強度破壞、失穩、疲勞破壞正常使用極限狀態變形控制、裂縫寬度限值耐久性極限狀態抵抗環境侵蝕的能力荷載和作用永久荷載結構自重固定設備重量可變荷載使用荷載風荷載、雪荷載偶然荷載地震作用爆炸沖擊結構可靠度可靠度指標β值反映結構安全裕度一般建筑β=3.2-3.7重要建筑β>4.0失效概率與可靠度指標反向關系Pf=Φ(-β)通常要求Pf<10^-5部分系數設計法1.2-1.4永久荷載分項系數考慮自重變異性1.4-1.6可變荷載分項系數考慮活荷載隨機性1.1-1.4材料分項系數考慮材料性能離散性第四章：受彎構件設計簡支梁兩端自由轉動懸臂梁一端固定一端自由連續梁多跨連續受彎構件的破壞形態正截面破壞混凝土壓區壓碎鋼筋拉斷或屈服彎矩作用下產生斜截面破壞斜裂縫擴展混凝土受拉區撕裂剪力作用下產生正截面承載力計算1基本假定平截面假定2混凝土應力圖形等效矩形應力圖形3相對界限值ξb確定破壞形態4承載力計算內力平衡方程求解矩形截面梁的設計T形截面梁的設計有效翼緣寬度確定考慮板的協同作用范圍中和軸位置判斷在翼緣內或翼緣下承載力計算區分不同計算公式配筋設計確定受拉鋼筋面積斜截面承載力計算剪力作用機理混凝土和箍筋共同抵抗斜裂縫發展45°角斜裂縫擴展破壞模式脆性破壞需避免斜截面配筋設計箍筋的布置垂直箍筋傾斜箍筋配筋率計算彎起鋼筋的設置彎起位置確定彎起角度選擇與箍筋協同作用構造要求最小配筋率防止脆性破壞縱筋ρmin=0.2%箍筋ρv,min=0.08%鋼筋間距確保混凝土澆筑密實最小凈距≥25mm最大間距≤200mm保護層厚度防火防腐蝕保護梁底25-30mm環境等級影響第五章：受壓構件設計軸心受壓荷載作用于截面中心偏心受壓荷載產生附加彎矩短柱與長柱按長細比λ區分短柱的設計0.9穩定系數短柱取0.9-1.01-3%配筋率范圍經濟合理區間6最少縱筋根數確保受力均勻長柱的設計長細比λ穩定系數φ偏心受壓構件的設計小偏心受壓e0/h≤0.3中和軸在截面內全截面受壓控制大偏心受壓e0/h>0.3截面部分受拉類似受彎構件設計柱的構造要求縱向鋼筋最少4根，直徑≥12mm箍筋直徑≥6mm，間距≤15d構造加密區柱端部箍筋加密保護層厚度≥30mm第六章：受拉構件設計軸心受拉鋼筋承擔全部拉力偏心受拉拉力與彎矩組合作用應用場合拉桿、吊桿、拉索受拉構件的承載力計算截面確定滿足最小尺寸要求配筋計算As=N/(fy/γs)裂縫寬度驗算控制在允許范圍內受拉構件的構造要求最小配筋率ρmin=0.2%防止裂縫過大鋼筋布置均勻分布確保協同工作錨固要求滿足計算錨固長度防止鋼筋滑移第七章：受扭構件設計受扭構件的破壞特征裂縫發展呈螺旋形分布與構件軸線成45°角環繞整個截面出現破壞模式混凝土斜拉破壞配筋不足導致脆性破壞配筋合理時鋼筋屈服受扭承載力計算薄壁截面理論適用于矩形截面空間桁架模型計算斜筋與箍筋組合作用彎剪扭共同計算受扭構件的配筋設計縱向鋼筋均勻布置在截面四周箍筋設計封閉箍，間距減小構造措施確保空間骨架整體性第八章：板的設計單向板荷載主要沿一個方向傳遞雙向板荷載沿兩個方向傳遞無梁樓蓋板直接支承在柱上單向板的設計板厚確定滿足跨高比要求受彎承載力計算按每米寬度計算主筋設計垂直于支座方向配置分布筋設計平行于支座方向配置雙向板的設計彈性理論法塑性理論法有限元法其他方法無梁樓蓋的設計平板板直接支承在柱上無梁無柱帽結構穿孔破壞需驗算蘑菇板板下有柱帽擴展增強抗沖切能力提高剛度和承載力板的構造要求1最小厚度滿足跨高比和剛度要求配筋布置通長筋與附加筋結合鋼筋間距主筋≤200mm，分布筋≤250mm保護層一般15-20mm第九章：基礎設計獨立基礎的設計地基承載力驗算確保不超過允許值基礎尺寸確定滿足壓力分布均勻配筋計算懸臂梁法確定配筋條形基礎的設計適用范圍承重墻下或排列柱下計算模型縱向連續梁模型配筋設計主筋沿縱向布置構造要求最小配筋率及保護層筏形基礎的設計剛度法適用于規則筏板簡化計算過程主要考慮彎矩分布彈性地基梁法考慮地基變形使用地基系數更接近實際工作狀態樁基礎的設計樁的承載力端阻力與側阻力樁的布置確定樁距與樁位承臺設計驗算沖切與配筋樁身設計確保結構整體性第十章：預應力混凝土結構預應力的概念人為施加壓應力抵消部分拉應力提高構件承載力優缺點優點：裂縫控制、跨度增加缺點：施工復雜、造價高適用：大跨度、重載荷結構預應力的施加方法先張法鋼筋先張拉后澆筑混凝土后張法混凝土硬化后張拉鋼筋施工工藝對比不同條件下選擇合適方法預應力損失鋼絞線松弛混凝土徐變混凝土收縮摩擦損失錨具變形預應力混凝土梁的設計材料選擇高強預應力筋與高強混凝土預應力確定根據使用階段應力控制3鋼束軌跡設計符合內力分布要求預應力混凝土構件的構造錨固區設計局部應力集中區域需配置特殊錨固區鋼筋鋼束布置避開障礙物滿足最小曲率半徑要求構造鋼筋確保整體性防止開裂和局部破壞第十一章：結構耐久性設計環境侵蝕化學腐蝕作用物理損傷凍融、磨損等結構老化材料性能劣化設計使用年限一般結構50年混凝土的碳化碳化機理CO2與Ca(OH)2反應生成CaCO3碳化速度碳化深度與時間平方根成正比防護措施增加保護層厚度和混凝土密實度鋼筋銹蝕后果嚴重結構承載力大幅降低銹蝕原因氯離子滲透和碳化作用3預防方法表面防護和改善材料性能凍融破壞破壞機理孔隙水結冰膨脹反復凍融導致開裂表面剝落、強度降低抗凍措施合理配比-減小水灰比加入引氣劑-形成封閉氣泡表面涂層-阻止水分進入耐久性設計方法環境類別確定區分腐蝕風險等級材料性能要求抗滲透性和耐久指標構造措施設計保護層和裂縫控制檢測與維護定期檢查和及時修復第十二章：結構抗震設計抗震設計目標小震不壞，中震可修，大震不倒基本原則合理布置，良好整體性設計方法基于性能的抗震設計抗震等級和措施抗震等級適用范圍主要構造措施一級8、9度區重點工程特殊抗震構造二級8度區