《混凝土结构设计原理》电子教案Word文档格式.doc
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1.1.2配筋的作用与要求
1.试验介绍
图1-1
图1-1（a），（b）分别表示素混凝土简支梁和钢筋混凝土简支梁的破坏和受力情况。
图1-1（a）所示的素混凝土梁在外加集中力和梁的自身重力作用下，梁截面的上部受压，下部受拉。
由于混凝土的抗拉性能很差，只要梁的跨中附近截面的受拉边缘混凝土一开裂，梁就突然断裂，破坏前变形很小，没有预兆，属于脆性破坏类型。
为了改变这种情况，在截面受拉区域的外侧配置适量的钢筋构成钢筋混凝土梁，见图1-1（b）。
钢筋主要承受梁中和轴以下受拉区的拉力，混凝土主要承受中和轴以上受压区的压力。
由于钢筋的抗拉能力和混凝土的抗压能力都很大，即使受拉区的混凝土开裂后梁还能继续承受相当大的荷载，直到受拉钢筋达到屈服强度，此后荷载还可略有增加，当受压区混凝土被压碎，梁才破坏。
破坏前，变形较大，有明显预兆，属于延性破坏类型。
可见，与素混凝土梁相比，钢筋混凝土梁的承载能力和变形能力都有很大提高，并且钢筋与混凝土两种材料的强度都能得到较充分的利用。
（3）钢筋混凝土受压柱
如图1-1（C）所示，在轴心受压的柱子中通常也配置抗压强度较高的钢筋协助混凝土承受压力，以提高柱子的承载能力和变形能力。
由于钢筋的抗压强度比混凝土的高，所以柱子的截面尺寸可以小些。
另外，配置了钢筋还能改善受压构件破坏时的脆性，并可以承受偶然因素产生的拉力。
2、钢筋和混凝土协同工作的主要原因
（1）粘结力
混凝土硬化后与钢筋之间有良好的粘结力，从面可靠地结合在一起，共同变形、共同受力。
（2）钢筋和混凝土两种材料的温度线胀系数相近
钢筋:
1.2×
10-5／℃
混凝土:
1.0～1.5×
当温度变化时，钢筋与混凝土之间不会产生由温度引起的较大的相对变形造成的粘结破坏。
（3）防锈
混凝土包裹钢筋，防止钢筋锈蚀，耐久性好。
3、在设计和施工中，钢筋的端部要留有一定的锚固长度，有的还要做弯钩，以保证可靠地锚固，防止钢筋受力后被拔出或产生较大的滑移；
钢筋的布置和数量应由计算和构造要求确定。
1.1.3钢筋混凝土结构的优缺点
1.钢筋混凝土结构的主要优点：
（1）取材容易：
混凝土所用的砂、石一般易于就地取材。
另外，还可有效利用矿渣、粉煤灰等工业废料。
（2）合理用材：
钢筋混凝土结构合理地发挥了钢筋和混凝土两种材料的性能，与钢结构相比，可以降低造价。
（3）耐久性：
密实的混凝土有较高的强度，同时由于钢筋被混凝土包裹，不易锈蚀，维修费用也很少，所以钢筋混凝土结构的耐久性比较好。
（4）耐火性：
混凝土包裹在钢筋外面，火灾时钢筋不会很快达到软化温度而导致结构整体破坏。
与裸露的木结构、钢结构相比耐火性要好。
（5）可模性：
根据需要，可以较容易地浇筑成各种形状和尺寸的钢筋混凝土结构。
（6）整体性：
整浇或装配整体式钢筋混凝土结构有很好的整体性，有利于抗震、抵抗振动和爆炸冲击波。
2.钢筋混凝土结构也存在一些缺点:
（1）自身重力较大:
这对大跨度结构、高层建筑结构以及抗震不利，也给运输和施工吊装带来困难。
（2）抗裂性较差:
受拉和受弯等构件在正常使用时往往带裂缝工作，对一些不允许出现裂缝或对裂缝宽度有严格限制的结构，要满足这些要求就需要提高工程造价。
（3）隔热隔声性能也较差。
针对这些缺点，可采用轻质高强混凝土及预应力混凝土以减轻自重，改善钢筋混凝土结构的抗裂性能。
1.2混凝土结构的发展与应用概况
混凝土结构使用至今已约有150年的历史。
与钢、木和砌体结构相比，由于
它在物理力学性能及材料来源等方面有许多优点，所以其发展速度很快，应用也
最广泛。
随着高强度钢筋、高强度高性能混凝土（强度达到100N/mm2）以及高性能外
加剂和混合材料的研制使用，高强高性能混凝土的应用范围不断扩大，钢纤维混
凝土和聚合物混凝土的研究和应用有了很大发展。
还有，轻质混凝土、加气混凝
土、陶粒混凝土以及利用工业废渣的“绿色混凝土”，不但改善了混凝土的性能，
而且对节能和保护环境具有重要的意义。
此外，防射线、耐磨、耐腐蚀、防渗透、
保温等特殊需要的混凝土以及智能型混凝土及其结构也正在研究中。
混凝土结构的应用范围也在不断地扩大，已从工业与民用建筑、交通设施、水
利水电建筑和基础工程扩大到了近海工程、海底建筑、地下建筑、核电站安全壳等领域，甚至已开始构思和实验用于月面建筑。
随着轻质高强材料的使用，在大跨度、高层建筑中的混凝土结构越来越多。
我国是使用混凝土结构最多的国家，在高层建筑和多层框架中大多采用混凝土结构。
在民用建筑中也采用了定型化、标准化的装配式钢筋混凝土构件。
已建成的88层的上海金茂大厦，高420.5m,是我国目前最高的高层建筑。
电视塔、水塔、水池、冷却塔、烟囱、贮罐、筒仓等特殊构筑物也普遍采用了钢筋混凝土和预应力混凝土，上海电视塔高468m，其高度为亚洲第一。
此外，在大跨度的公共钢筋混凝土桁架、门式刚架、拱、薄壳等结构形式也有广泛应用。
在铁路、公路、城市的立交桥、高架桥、地铁隧道，以及水利港口等交通工程中用钢筋混凝土建造的水闸、水电站、船坞和码头已是星罗棋布。
正在兴建的长江三峡水利枢纽工程，大坝高186m，坝体混凝土用量达1527万m3，是世界上最大的水利工程。
近年来，我国在混凝土基本理论与设计方法、结构可靠度与荷载分析、工业化建筑体系、结构抗震与有限元方法、电子计算机在混凝土结构中的应用以及现代化测试技术等方面的研究也取得了很多新的成果，某些方面已达到或接近国际水平。
钢筋混凝土结构的设计和研究向更完善更科学的方向发展。
此外，在混凝土结构设计理论和设计方法方面通过大量研究，取得了很大成绩。
新颁布的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）积累了半个世纪以来丰富的工程实践经验和最新的科研成果，把我国混凝土结构设计方法提高到了当前的国际水平，它将在工程设计中发挥指导作用。
1.3学习本课程要注意的问题
混凝土结构课程通常按内容的性质可分为“混凝土结构设计原理”和“混凝土结构设计”两部分。
前者主要讲述各种混凝土基本构件的受力性能、截面设计计算方法和构造等混凝土结构的基本理论，属于专业基础课内容。
后者主要讲述梁板结构、单层厂房、多层和高层房屋等的结构设计，属于专业课内容。
通过本课程的学习，并通过课程设计和毕业设计等实践性教学环节，使学生初步具有运用这些理论知识正确进行混凝土结构设计和解决实际技术问题的能力。
学习本课程时，建议注意下面一些问题：
1.加强实验、实践性教学环节并注意扩大知识面
混凝土结构的基本理论相当于钢筋混凝土及预应力混凝土的材料力学，它是以实验为基础的，因此除课堂学习以外，还要加强实验的教学环节，以进一步理解学习内容和训练实验的基本技能。
当有条件时，可进行简支梁正截面受弯承载力、简支梁斜截面受剪承载力、偏心受压短柱正截面受压承载力的实验。
混凝土结构课程的实践性很强，因此要加强课程作业、课程设计和毕业设计等实践性教学环节的学习，并在学习过程中逐步熟悉和正确运用我国颁布的一些设计规范和设计规程。
诸如：
《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）、《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ3-91）等。
混凝土结构是一门发展很快的学科，学习时要多注意它的新动向和新成就，以扩大知识面。
2.突出重点，并注意难点的学习
本课程的内容多、符号多、计算公式多、构造规定也多，学习时要遵循教学大纲的要求，贯彻“少而精”的原则，突出重点内容的学习。
例如，第4章是上册中的重点内容，把它学好了，就为后面各章的学习打下了好的基础。
对学习中的难点要找出它的根源，以利于化解。
例如，上册第5章中的抵抗弯矩图常是难点，如果知道了画抵抗弯矩图的目的在于弯起、截断梁内纵向受力钢筋，难点也就基本上化解了。
3.深刻理解重要的概念，熟练掌握设计计算的基本功，切忌死记硬背
教学大纲中对要求深刻理解的一些重要概念作了具体的规定。
注意，深刻理解往往不是一步到位的，而是随着学习内容的展开和深入，逐步加深的。
例如，学习上册中的第9章和下册中的第12章后就要回过头来，加深对适筋梁正截面受弯三个受力阶段的理解。
要求熟练掌握的设计计算内容也在教学大纲中有明确的规定，它们是本课程的基本功。
熟练掌握是指正确、快捷。
为此，本教材各章后面给出的习题是要求认真完成的。
应该是先复习教学内容，搞懂例题后再做习题，切忌边做题边看例题。
习题的正确答案往往不是唯一的，这也是本课程与一般的数学、力学课程所不同的。
对构造规定，也要着眼于理解，切忌死记硬背。
事实上，不理解的东西也是难以记住的。
当然，对常识性的构造规定是应该知道的。
思考题
1.1钢筋混凝土梁破坏时有哪些特点？
钢筋和混凝土是如何共同工作的？
1.2钢筋混凝土结构有哪些优点和缺点？
1.3本课程主要包括哪些内容？
学习本课程要注意哪些问题？
第2章混凝土结构材料的物理力学性能
本章提要
钢筋与混凝土的物理力学性能以及共同工作的特性直接影响混凝土结构和构件的性能，也是混凝土结构计算理论和设计方法的基础。
本章讲述钢筋与混凝土的主要物理力学性能以及混凝土与钢筋的粘结。
2.1混凝土的物理力学性能
2.1.1混凝土的组成结构
普通混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化后形成的人工石材，是多相复合材料。
通常把混凝土的结构分为三种基本类型：
微观结构即水泥石结构；
亚微观结构即混凝土中的水泥砂浆结构；
宏观结构即砂浆和粗骨料两组分体系。
微观结构（水泥石结构）由水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成，其物理力学性能取决于水泥的化学矿物成分、粉磨细度、水灰比和凝结硬化条件等。
混凝土的宏观结构与亚微观结构有许多共同点，可以把水泥砂浆看作基相，粗骨料分布在砂浆中，砂浆与粗骨料的界面是结合的薄弱面。
骨料的分布以及骨料与基相之间在界面的结合强度也是重要的影响因素。
浇注混凝土时的泌水作用会引起沉缩，硬化过程中由于水泥浆水化造成的化学收缩和干缩受到骨料的限制，会在不同层次的界面引起结合破坏，形成随机分布的界面裂缝。
混凝土中的砂、石、水泥胶体组成了弹性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点。
而水泥胶体中的凝胶、孔隙和界面初始微裂缝等，在外力作用下使混凝土产生塑性变形。
另一方面，混凝土中的孔隙、界面微裂缝等缺陷又往往是混凝土受力破坏的起源。
由于水泥胶体的硬化过程需要多年才能完成，所以混凝土的强度和变形也随时间逐渐增长。
2.1.2单轴向应力状态下的混凝土强度
混凝土的强度与水泥强度等级、水灰比有很大关系；
骨料的性质、混凝土的级配、混凝土成型方法、硬化时的环境条件及混凝土的龄期等也不同程度地影响混凝土的强度；
试件的大小和形状、试验方法和加载速率也影响混凝土强度的试验结果。
因此各国对各种单向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。
1.混凝土的抗压强度
（1）混凝土的立方体抗压强度和强度等级
立方体试件的强度比较稳定，所以我国把立方体强度值作为混凝土强度的基本指标，并把立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准。
1）测定的方法
我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》（GBJ81-85）规定以边长为150mm的立方体为标准试件，标准立方体试件在（20±
3）℃的温度和相对湿度90％以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为N/mm2。
2）立方体抗压强度标准值fcu,k
《混凝土结构设计规范》规定用上述标准试验方法测得的具有95％保证率的立方体抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。
3）强度等级的划分及有关规定
《混凝土结构设计规范》规定混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值fcu,k确定。
混凝土强度等级划分有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。
例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。
其中，C50～C80属高强度混凝土范畴。
《混凝土结构设计规范》规定，钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；
当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；
当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。
预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；
当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40o
4）试验方法对立方体抗压强度的影响图2-1
试件在试验机上单向受压时，竖向缩短，横向扩张，由于混凝土与压力机垫板弹性模量与横向变形系数不同，压力机垫板的横向变形明显小于混凝土的横向变形，所以垫板通过接触面上的摩擦力约束混凝土试块的横向变形，就象在试件上下端各加了一个套箍，致使混凝土破坏时形成两个对顶的角锥形破坏面，抗压强度比没有约束的情况要高。
如果在试件上下表面涂一些润滑剂，这时试件与压力机垫板间的摩擦力大大减小，其横向变形几乎不受约束，受压时没有“套箍”作用的影响，试件将沿着平行于力的作用方向产生几条裂缝而破坏，测得的抗压强度就低。
我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。
5）加载速度对立方体强度的影响
加载速度越快，测得的强度越高。
通常规定加载速度为：
混凝土强度等级低于C30时，取每秒钟0.3～0.5N/mm2；
混凝土强度等级高于或等于C30时，取每秒钟0.5～0.8N/mm2。
6）龄期对立方体强度的影响图2-2
混凝土的立方体抗压强度随着成型后混凝土的龄期逐渐增长，增长速度开始较快，后来逐渐缓慢，强度增长过程往往要延续几年，在潮湿环境中往往延续更长。
7）几点说明
①施工单位按图纸规定的强度等级制作混凝土,现场用同样的混凝土制作一定量的试块,以检验其立方体抗压强度是否满足要求；
②立方体抗压强度是在实验室条件下取得的抗压强度（标准养护试块）；
③结构实体的环境条件与实验室标养试块不同，标养试块立方体强度不能真实反应结构实体混凝土的抗压强度，必须增加同条件养护试块立方体强度予以判定结构实体的强度；
④不同尺寸试件的“尺寸效应”:
fcu（200）×
1.05=fcu（150）=fcu（100）×
0.95
（2）混凝土的轴心抗压强度fc
混凝土的抗压强度与试件的形状有关，采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。
用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称轴心抗压强。
1）测定的方法图2-3
我国《普通混凝土力学性能试验方法》规定以150mm×
150mm×
300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。
棱柱体试件与立方体试件的制作条件相同，试件上下表面不涂润滑剂。
棱柱体试件的抗压强度都比立方体的强度值小，并且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。
2）轴心抗压强度标准值fck
《混凝土结构设计规范》规定以150mm×
300mm的棱柱体试件试验测得的具有95％保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示。
3）轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系图2-4
图2-4是根据我国所做的混凝土棱柱体与立方体抗压强度对比试验的结果。
《混凝土结构设计规范》基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：
fck＝0.88αc1αc2fcu,k（2-1）
式中：
αc1——为棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取αc1=0.76，对C80取αc1=0.82，在此之间按直线规律变化取值。
αc2——为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取αc2=1.00,对C80取αc2=0.87,中间按直线规律变化取值。
0.88——为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。
国外常采用混凝土圆柱体试件来确定混凝土轴心抗压强度。
例如美国、日本和欧洲混凝土协会（CEB）系采用直径6英寸（152mm）、高12英寸（305mm）的圆柱体标准试件的抗压强度作为轴心抗压强度的指标，记作fc′。
混凝土轴心fc′=0.79fcu,k（2-2）
2.混凝土的轴心抗拉强度ft
抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，也可用它间接地衡量混凝土的冲切强度等其他力学性能。
（1）测定的方法图2-5
可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定。
但是，由于混凝土内部的不均匀性，加之安装试件的偏差等原因，准确测定抗拉强度是很困难的。
所以，国内外也常用如图2-5所示的圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。
根据弹性理论，劈拉强度ft,s可按下式计算：
圆柱体ft,s＝2F/（πdι）（2-3）
立方体ft,s＝2P/πa2
试验表明，劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度，劈拉试件的大小对试验结果也有一定影响。
轴心抗拉强度只有立方抗压强度的1/17～1/8，混凝土强度等级愈高，这个比值愈小。
（2）轴心抗拉强度ftk与立方体抗压强度fcu,k的关系图2-6
ftk＝0.88×
0.395fcu,k0.55（1-1.645d）0.45×
a2（2-4）
2.1.3复合应力状态下的混凝土强度
实际混凝土结构构件大多是处于复合应力状态，例如框架梁、柱既受到柱轴向力作用，又受到弯矩和剪力的作用。
节点区混凝土受力状态一般更为复杂。
同时，研究复合应力状态下混凝土的强度，对于认识混凝土的强度理论也有重要的意义。
1.双向应力状态下混凝土的强度图2-7
在两个平面作用着法向应力σl和σ2，第三个平面上应力为零的双向应力状态下，不同混凝土强度的二向破坏包络图如图2-7所示，图中σ0是单轴向受力状态下的混凝土强度。
一旦超出包络线就意味着材料发生破坏。
（1）双向受拉:
图中第一象限为双向受拉区，σl、σ2相互影响不大，双向受拉强度均接近于单向受拉强度。
（2）双向受压:
第三象限为双向受压区，大体上一向的强度随另一向压力的增加而增加，混凝土双向受压强度比单向受压强度最多可提高27％。
（3）拉--压状态：
第二、四象限为拉--压应力状态，此时混凝土的强度均低于单向拉伸或压缩时的强度。
2.法向应力与剪应力组合混凝土的强度图2-8
压应力低时，抗剪强度随压应力的增大而增大；
当压应力约超过0.6fc′时，抗剪强度随压应力的增大而减小。
也就是说由于存在剪应力，混凝土的抗压强度要低于单向抗压强度。
另外，还可以看出，抗剪强度随着拉应力的增大而减小，也就是说剪应力的存在也会使抗拉强度降低。
3.三向受压状态下混凝土的强度
混凝土在三向受压的情况下，由于受到侧向压力的约束作用，最大主压应力轴的抗压强度fcc′（σl）有较大程度的增长，其变化规律随两侧向压应力（σ2，σ3）的比值和大小而不同。
常规的三轴受压是在圆柱体周围加液压，在两侧向等压（σ2=σ
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