《混凝土结构设计原理》课件

混凝土结构设计原理欢迎参加《混凝土结构设计原理》课程本课程将深入探讨混凝土结构的设计理念、材料性能、计算方法以及实际应用通过系统学习，您将掌握混凝土结构设计的核心知识，为今后的工程实践奠定坚实基础课程概述课程目标学习内容掌握混凝土结构设计的基本原涵盖材料性能、设计方法、构理和方法，培养学生的工程设件计算、特殊结构等多个方面计能力和创新思维，全面系统地介绍混凝土结构设计知识考核方式采用平时作业、课程设计和期末考试相结合的方式，全面评估学生的学习成果第一章绪论混凝土结构的定义混凝土结构的发展历史混凝土结构是指以混凝土为主要材料，并配以钢筋或其他增强材混凝土结构的历史可以追溯到古罗马时期现代钢筋混凝土技术料形成的承重结构它结合了混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性于世纪中期开始发展，经过不断创新和改进，已成为当今世19能，形成了一种高效、经济的建筑结构形式界最广泛使用的建筑结构形式之一混凝土结构的分类预应力混凝土结构通过预先施加压应力来改善混凝土的受力性能，适用于大跨度结构，如桥梁和体育钢筋混凝土结构其他类型场馆最常见的混凝土结构类型，通过在混凝土包括纤维增强混凝土、高性能混凝土等新中埋设钢筋来提高结构的抗拉性能广泛型混凝土结构，具有特殊的性能和应用场应用于建筑、桥梁等领域景213混凝土结构的优缺点优点缺点耐久性好，可以长期承受各种环境因素的影响容易开裂，影响结构的耐久性和美观性••经济性高，原材料易得，造价相对较低自重大，增加了结构的荷载和地基要求••防火性能优异，可以有效阻止火灾蔓延施工质量控制难度大，需要严格的技术管理••造型灵活，可以实现各种复杂的建筑形态拆除和改造困难，不利于建筑的更新换代••第二章材料性能混凝土的组成混凝土主要由水泥、骨料、水和外加剂组成每种组分都对混凝土的性能有重要影响水泥的作用水泥是混凝土中的胶结材料，通过水化反应形成硬化体，粘结骨料，赋予混凝土强度骨料的作用骨料是混凝土的骨架，占据了混凝土体积的大部分，影响混凝土的强度和耐久性水的作用水参与水泥的水化反应，同时影响混凝土的和易性和强度发展混凝土的强度抗压强度1混凝土最重要的力学性能，通常用立方体抗压强度表示抗拉强度2混凝土的抗拉强度较低，约为抗压强度的1/10影响因素3水灰比、骨料质量、养护条件等都会影响混凝土的强度混凝土的强度是其最关键的性能指标，直接影响结构的安全性和耐久性设计师需要深入了解影响混凝土强度的各种因素，以便在实际工程中做出合理的配合比设计和施工控制混凝土的变形特性弹性变形在荷载作用下，混凝土产生的可恢复变形，遵循胡克定律塑性变形超过弹性极限后，混凝土产生的不可恢复变形，影响结构的使用性能收缩混凝土硬化过程中由于水分损失导致的体积减小，可能引起开裂徐变在持续荷载作用下，混凝土随时间增加而产生的附加变形钢筋的种类和性能热轧钢筋冷加工钢筋应力应变曲线-通过热轧制成的钢筋，具有良好的延性通过冷拉或冷轧加工而成，强度高但延钢筋的应力应变曲线反映了其力学性能-和焊接性能常用规格有、性较差包括冷拉钢筋和冷轧带肋钢筋，包括屈服强度、极限强度和延伸率等HRB400等重要参数HRB500钢筋与混凝土的粘结性能粘结应力滑移关系机械粘结-1描述钢筋与混凝土之间的相互作用，是主要依靠钢筋表面的肋或凹凸与混凝土理解钢筋混凝土结构工作机理的基础2的啮合作用胶结粘结摩擦粘结4水泥浆与钢筋表面的化学粘结作用，强由于钢筋表面与混凝土之间的摩擦力产3度较低生第三章结构设计方法极限状态设计法概述设计的基本要求可靠度设计理念现代混凝土结构设计采用的主要方包括安全性、适用性和耐久性，确引入概率统计方法，合理考虑各种法，考虑结构在使用过程中可能达保结构在整个设计使用年限内满足不确定因素对结构性能的影响到的各种极限状态功能要求作用和作用效应永久作用可变作用偶然作用结构自重、永久设备重量等在结构使活荷载、风荷载、雪荷载等随时间变地震、爆炸、撞击等发生概率小但影用寿命期内基本不变的作用化的作用，需要考虑其多种组合情况响严重的作用，需要特殊考虑材料强度设计值混凝土强度设计值钢筋强度设计值基于混凝土标准强度，考虑材料离散性和长期作用影响，通过折基于钢筋屈服强度标准值，考虑材料的统计离散性和可靠度要求减系数确定不同强度等级和应用场景有不同的设计值确定热轧钢筋和冷加工钢筋采用不同的折减系数结构可靠度可靠度指标失效概率1用于量化结构安全性水平的参数，通常结构在设计使用期内达到极限状态的概用表示2率，与可靠度指标相对应β可靠度分析方法目标可靠度4包括一阶二阶矩法、蒙特卡洛模拟等，根据结构重要性和失效后果确定的设计3用于评估结构的可靠度水平目标，指导结构设计承载能力极限状态强度破坏1构件或结构的承载力达到极限，如混凝土压碎、钢筋屈服等稳定破坏2结构或构件失去稳定性，如柱的屈曲、板的屈曲等疲劳破坏3在反复荷载作用下，材料性能逐渐退化导致的破坏平衡破坏4结构整体失去平衡，如整体倾覆、滑移等正常使用极限状态裂缝控制限制裂缝宽度，保证结构的耐久性和美观性变形控制控制结构的挠度和位移，确保正常使用功能振动控制限制结构振动，保证使用舒适性和设备正常运行第四章受弯构件正截面承载力受弯构件的应力分布破坏特征在弯矩作用下，梁的上部产生压应力，下部产生拉应力混凝土正截面破坏通常表现为混凝土压区压碎或钢筋屈服破坏模式与主要承担压应力，钢筋承担拉应力配筋率密切相关，影响构件的延性基本假定平截面假定混凝土不承受拉应力钢筋与混凝土完全粘结变形前平的截面在变形后仍保持平考虑到混凝土抗拉强度低，在计算假定钢筋与周围混凝土变形协调，面这一假定简化了应力分析，是中通常忽略混凝土的抗拉作用忽略滑移的影响受弯构件设计的基础正截面受力分析配筋率的影响破坏模式配筋率直接影响梁的承载力和破坏模式低配筋率可能导致钢筋钢筋屈服破坏延性好，有明显预警•屈服破坏，高配筋率可能导致混凝土压碎破坏混凝土压碎破坏脆性，突然性强•平衡破坏钢筋屈服和混凝土压碎同时发生•矩形截面正截面承载力计算单筋截面双筋截面超筋截面只在受拉区配置钢筋的截面计算时在受压区也配置钢筋的截面可以提配筋率超过平衡配筋率的截面，应避需确定受压区高度，然后计算承载力高构件承载力，但计算相对复杂免使用，以防止脆性破坏形截面正截面承载力计算T受压区在翼缘内计算方法与矩形截面类似，但需考虑翼缘的贡献受压区进入腹板需要分别计算翼缘和腹板的受压面积，计算相对复杂有效翼缘宽度根据规范确定有效翼缘宽度，以考虑剪力滞效应受弯构件的最小配筋率最小配筋率的意义计算方法规范要求确保构件有足够的延性，防止突然基于混凝土抗拉强度和钢筋屈服强不同类型构件和不同强度等级混凝性破坏同时控制裂缝发展度，考虑截面尺寸确定土有不同的最小配筋率要求第五章受弯构件斜截面承载力斜截面受力特点破坏形式斜截面同时承受剪力和弯矩作用，应力状态复杂斜裂缝的产生斜压破坏混凝土斜压条压碎•和发展是斜截面破坏的主要特征剪拉破坏斜裂缝贯通导致破坏•锚固破坏纵向钢筋滑移或断裂•斜截面承载力计算方法斜截面受剪承载力斜压受力计算1考虑混凝土和箍筋的共同作用验算混凝土斜压条的承载能力2锚固长度验算斜裂缝宽度控制43防止钢筋滑移或拔出破坏确保结构的耐久性和美观性剪力弯矩相互作用-剪跨比的影响配筋率的影响剪跨比是影响梁受剪性能的关键因素剪跨比小时，拱效应显著纵向受力钢筋对斜截面承载力有重要影响增加纵向钢筋可以提；剪跨比大时，梁效应占主导高梁的抗剪能力，但效果有限斜截面受剪承载力构造要求最小箍筋率最大箍筋间距确保构件有足够的抗剪能力，保证箍筋的有效性，通常不大控制斜裂缝发展根据混凝土于截面有效高度的一半或强度等级和箍筋强度确定600mm箍筋弯钩确保箍筋的锚固效果，通常要求度弯钩135第六章受压构件轴心受压构件偏心受压构件荷载作用在截面形心上的受压构件实际工程中较少遇到，但是荷载作用点偏离截面形心的受压构件是实际工程中最常见的受理解其受力特点对掌握偏心受压构件很有帮助压构件类型，如框架柱、墙柱等轴心受压构件承载力计算短柱长细比小于规定值的柱，可以忽略二阶效应的影响长柱需要考虑二阶效应，承载力计算更为复杂稳定性验算对于细长构件，需要进行稳定性验算偏心受压构件正截面承载力大偏心受压小偏心受压偏心距较大，截面产生拉应力整个截面都处于受压状态需要计算方法类似于受弯构件考虑混凝土和所有钢筋的贡献受压区深度是判断大小偏心的关键参数，影响计算方法的选择偏心受压构件的稳定性弯矩放大系数法名义曲率法考虑二阶效应对弯矩的放大作用适用于大多数工程实践情况基于构件的曲率来考虑二阶效应计算较为简便，但精度相对较低受压构件的构造要求纵向受力钢筋箍筋要求保护层厚度要求数量不少于根，直径不小于，间根据环境条件和耐火要46mm最小直径不小于距不大于纵向钢筋直径求确定，一般不小于12mm，最小配筋率不小于的倍或构件截面最小1530mm尺寸的

0.2%1/3第七章受拉构件轴心受拉构件偏心受拉构件拉力作用在截面形心上的构件，如拉杆、吊杆等由于混凝土抗拉力作用点偏离截面形心的构件除了承受拉力外，还需要承受拉强度低，主要依靠钢筋承担拉力弯矩作用，应力状态更为复杂轴心受拉构件承载力计算承载力计算公式临界截面12轴心受拉构件的承载力主要取在计算承载力时，需要考虑钢决于钢筋的数量和强度，计算筋的锚固长度，确定临界截面公式为，其中位置N≤ΣAsifsyi Asi为钢筋面积，为钢筋强度fsyi设计值变形验算3受拉构件需要控制过大的拉伸变形，保证结构的正常使用偏心受拉构件正截面承载力应力分布分析偏心受拉时，截面的应力分布更为复杂，需要考虑拉力和弯矩的共同作用计算方法可以采用叠加原理或直接进行截面平衡分析，计算截面的承载力构造要求钢筋布置需要考虑拉力和弯矩的共同作用，确保结构安全第八章受扭构件纯扭构件组合内力作用下的构件仅受扭矩作用的构件，如连接梁、环形梁等扭矩导致构件表面同时承受扭矩、弯矩和剪力的构件，是工程实践中常见的情况产生斜向拉应力和压应力内力之间存在复杂的相互作用关系受扭构件的应力分布薄壁截面理论空间桁架模型将实际截面简化为薄壁截面进将受扭构件简化为空间桁架进行分析，应力分布更接近实际行分析，便于理解受力机理和情况进行设计计算扭转中心扭矩作用线通过的点，对于非对称截面，需要确定扭转中心位置受扭构件承载力计算纯扭承载力扭剪组合作用-基于空间桁架模型，计算构件的扭矩与剪力共同作用时，需要考纯扭承载力需要考虑混凝土和虑二者的相互影响，合理分配钢钢筋的共同作用筋扭弯组合作用-扭矩与弯矩共同作用时，需要考虑对纵向钢筋的影响受扭构件构造要求纵向钢筋箍筋要求1沿截面周长均匀布置，以承担扭转引起闭合箍筋，间距不大于构件最小边长的的纵向拉应力21/8构造细节最小配筋率4注意钢筋弯钩、搭接等细节处理，确保确保构件有足够的抗扭性能，控制裂缝3结构整体性发展第九章变形和裂缝计算变形计算的重要性过大的变形会影响结构的正常使用功能，甚至引起墙体开裂和设备损坏裂缝控制的必要性控制裂缝宽度可以保证结构的耐久性、水密性和美观性计算方法的选择根据结构类型和要求选择合适的计算方法，平衡精度和复杂度短期变形计算未开裂截面开裂截面荷载较小，截面未开裂时的变形计算采用全截面刚度进行计算荷载较大，截面已开裂时的变形计算需要考虑裂缝对截面刚度，比较简单的影响，计算相对复杂短期变形主要是指构件在短时间荷载作用下产生的即时变形计算时需要考虑构件的实际受力状态，准确评估有效刚度对于连续梁等超静定结构，还需要考虑内力重分布的影响长期变形计算徐变影响1持续荷载作用下混凝土应变随时间增长收缩影响2水分损失导致混凝土体积减小长期变形系数3考虑徐变和收缩效应的综合系数长期变形通常是短期变形的倍，是结构设计中不可忽视的因素影响长期变形的因素包括混凝土强度等级、环境湿度、构件尺寸、2-3荷载持续时间等准确预测长期变形对于高层建筑和大跨度结构尤为重要裂缝宽度计算裂缝形成机理1理解混凝土开裂的物理过程和影响因素影响因素分析2包括钢筋应力、保护层厚度、钢筋间距等计算公式推导3基于理论分析和试验研究建立计算模型裂缝宽度计算是混凝土结构设计中的重要环节规范中的计算公式通常基于大量试验数据拟合得出，考虑了钢筋应力、保护层厚度、钢筋直径和间距等多种因素在实际工程中，还需要根据环境类别和结构重要性确定裂缝宽度限值裂缝控制措施构造措施计算控制合理选择结构形式，优化施工通过控制钢筋应力和合理配筋缝设置，加强温度钢筋等构造，确保裂缝宽度满足规范要求钢筋的布置施工控制加强混凝土振捣和养护，控制水泥用量和水灰比，减少温度应力和收缩应力第十章预应力混凝土预应力的概念预应力混凝土的优点预应力是指在结构使用前，通过某种方式预先施加压应力，以改减小或消除裂缝，提高耐久性•善结构在使用阶段的应力状态，提高结构性能减小构件截面，节约材料•增大跨度，扩大适用范围•改善结构使用性能和承载能力•预应力的施加方法先张法后张法先张拉钢材，后浇筑混凝土，混凝土硬化后释放钢材，通过粘结先浇筑混凝土并留设孔道，混凝土达到一定强度后张拉钢材并锚作用将预应力传递给混凝土适用于工厂化生产的预制构件固，通过锚具将预应力传递给混凝土适用于现场浇筑的大型结构预应力损失即时损失包括锚具变形、摩擦损失、混凝土弹性压缩等时间相关损失包括混凝土收缩、徐变、预应力钢材松弛等损失计算通过理论公式和经验系数综合计算各项损失预应力混凝土梁正截面承载力全预应力构件使用荷载作用下无拉应力产生，适用于对裂缝控制要求严格的场合部分预应力构件允许在使用荷载下产生有限的拉应力和裂缝，更为经济合理极限状态计算与普通钢筋混凝土类似，但需考虑预应力钢材的特性预应力混凝土梁斜截面承载力斜裂缝形成特点预应力对抗剪能力的影响受预应力影响，斜裂缝形成的荷预应力提高了混凝土的抗剪贡献载水平更高，裂缝倾角更陡，同时预应力钢材的竖向分量也可抵抗部分剪力承载力计算需要考虑预应力对混凝土贡献和预应力钢材直接贡献两部分预应力锚固构造锚具类型锚固区配筋包括夹片式锚具、螺母式锚具锚固区存在高度集中的应力，、挤压式锚具等多种形式，适需要特殊的配筋设计，防止混用于不同的预应力体系和施工凝土破裂条件构造细节包括锚垫板尺寸、边距要求、防护措施等，对确保锚固可靠性至关重要第十一章特殊混凝土结构轻骨料混凝土纤维混凝土使用陶粒、浮石等轻质材料作为在混凝土中加入钢纤维、玻璃纤骨料的混凝土，具有自重轻、保维、合成纤维等，提高抗裂性能温性能好等特点和韧性泵送混凝土专为远距离泵送设计的混凝土，具有良好的和易性和粘聚性高性能混凝土高强混凝土强度等级超过的混凝土，通过优化配合比和加入矿物掺合料实现C60自密实混凝土具有高流动性，无需振捣即可自行填充模板的混凝土，适用于密集配筋区域高耐久性混凝土对腐蚀、冻融循环等环境因素具有较高抵抗能力的混凝土再生混凝土再生骨料混凝土利用废弃混凝土经过破碎处理后作为骨料的混凝土性能特点强度略低，收缩和徐变较大，需要特殊设计方法应用前景符合绿色建筑理念，可持续发展的重要方向发展挑战质量控制和性能稳定性是亟待解决的问题第十二章混凝土结构耐久性耐久性问题的重要性影响因素1影响结构的使用寿命和维护成本，是可环境条件、材料质量、结构设计和施工持续发展的关键2质量等评估方法破坏机理4包括耐久性指标测试和结构健康监测等包括物理、化学和生物等多种侵蚀机制3混凝土的碳化碳化机理空气中的二氧化碳与混凝土中的氢氧化钙反应，降低混凝土碱性碳化速度影响因素混凝土密实度、环境湿度、二氧化碳浓度等防护措施降低水灰比、增加保护层厚度、表面涂层保护等钢筋锈蚀锈蚀机理防护措施当混凝土碱性降低或氯离子渗透到钢筋周围，破坏钢筋表面钝化提高混凝土密实度，减少有害物质渗透•膜，在氧气和水的存在下发生电化学反应，生成体积膨胀的锈蚀增加保护层厚度，延长侵蚀物质到达钢筋的时间•产物使用不锈钢钢筋或表面涂层钢筋•采用阴极保护或表面涂层防护•冻融循环冻融损伤机理影响因素12混凝土中的水在冷却过程中冻混凝土饱水程度、孔隙结构、结体积膨胀，产生内部压力；冻融循环次数和速度等解冻后水分重新渗透到裂缝中，反复循环导致混凝土逐渐破坏抗冻措施3引气剂引入适量的微小气泡，降低水灰比提高密实度，使用抗冻外加剂等化学侵蚀酸碱侵蚀1酸性溶液溶解水泥石中的钙质成分硫酸盐侵蚀2生成体积膨胀的钙矾石导致开裂氯离子侵蚀3导致钢筋锈蚀，混凝土开裂碱骨料反应4碱性物质与活性骨料反应，产生膨胀耐久性设计耐久性设计应基于结构的使用寿命和环境条件，综合考虑材料选择、构造措施和防护技术现代耐久性设计多采用基于性能的设计方法，通过建立劣化模型预测结构的使用寿命，并采取相应的措施确保结构满足使用要求混凝土结构修复与加固修复技术传统加固方法新型加固技术针对已经出现的损伤，如裂缝、剥落等，包括增大截面、粘贴钢板、外包型钢等，如碳纤维布、碳纤维板、预应力加固等，采用注浆、修补、表面处理等方法恢复结通过增加构件截面或辅助受力构件提高结具有施工方便、效率高、对建筑功能影响构的使用功能和外观构承载力小等优点课程总结重点内容回顾本课程系统讲解了混凝土结构的基本原理、设计方法和构造要求，包括材料性能、各类构件的承载力计算、预应力技术和耐久性设计等内容知识体系构建从材料、构件到整体结构，从设计理论到施工实践，形成完整的混凝土结构设计知识体系学习方法建议理论联系实际，加强计算训练，关注工程案例，培养工程思维和创新能力未来发展方向高性能混凝土、绿色混凝土、智能混凝土结构将是未来发展的重要方向，值得持续关注。