《混凝土结构设计》课件

混凝土结构设计混凝土结构设计是土木工程领域的核心课程，涵盖了从基础材料性能到复杂结构体系的全面知识体系本课程将系统介绍混凝土结构的设计原理、计算方法和工程应用，培养学生掌握现代混凝土结构设计的理论基础和实践技能通过学习本课程，学生将深入理解混凝土与钢筋的协同工作机理，掌握各类受力构件的设计方法，并能够在实际工程中合理运用相关规范和标准，为成为优秀的结构工程师奠定坚实基础课程简介课程目标主要内容培养学生掌握混凝土结构设计涵盖材料性能、受力构件设计、的基本理论和方法，具备独立裂缝控制、耐久性设计、预应进行结构分析和设计的能力，力技术等核心知识模块了解最新的技术发展动态应用前景面向建筑、桥梁、水利等基础设施建设领域，适应装配式建筑和绿色建造的发展趋势绪论基本概念混凝土结构定义主要类型工程应用以混凝土为主要材料，配合钢筋或其他素混凝土结构广泛应用于住宅建筑、商业综合体、桥•增强材料组成的结构体系具有良好的梁工程、水利设施、工业厂房等各类基钢筋混凝土结构•抗压性能和整体性，是现代建筑工程中础设施项目中，是现代城市建设的重要型钢混凝土结构•应用最广泛的结构形式支撑钢管混凝土结构•预应力混凝土结构•混凝土结构历史与发展1古代起源罗马时期就开始使用天然混凝土材料，万神殿圆顶至今仍保存完好，展现了早期混凝土技术的卓越成就2现代发展世纪中期钢筋混凝土技术诞生，世纪预应力技术的发明1920革命性地扩大了混凝土结构的应用范围3当代创新高性能混凝土、纤维增强、智能混凝土等新技术不断涌现，推动混凝土结构向更高强度、更好耐久性方向发展混凝土结构的优缺点主要优点主要缺点抗压强度高，整体性好自重较大••耐火性能优异抗拉强度低••耐久性强，维护成本低施工周期相对较长••可塑性强，适应复杂造型容易产生裂缝••材料来源广泛，造价相对较抗震性能需要特殊设计••低与其他结构对比相比钢结构具有更好的耐火性和经济性，相比砌体结构具有更高的承载力和更好的整体性，在现代建筑中占据主导地位主要规范与标准简介国家标准《混凝土结构设计规范》是我国混凝土结构设计的基本GB50010准则，规定了设计原则、计算方法和构造要求行业标准包括《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》等专业标准，针对不同工程类型提供详细指导国际标准、等国际标准为我国规范的完善提供参考，促进技术交ACI Eurocode流和国际工程合作教学大纲与课程要求综合设计能力独立完成混凝土结构设计项目计算分析技能熟练运用规范公式进行结构计算构造设计知识掌握节点细部和构造措施基础理论理解材料性能和受力机理第一章混凝土结构材料性能混凝土材料钢筋材料水泥、骨料、水和外加剂组成的复合材提供抗拉强度，与混凝土协同工作，形料，具有良好的抗压性能和可塑性成钢筋混凝土复合材料体系耐久性要求材料相容性材料需满足长期使用的耐久性要求，抵混凝土与钢筋具有相近的热膨胀系数，抗各种环境因素的侵蚀作用良好的粘结性能保证协同工作混凝土性能耐久性指标变形性能抗渗性、抗冻性、抗碳化性能决定结构使强度特性弹性模量反映材料刚度，徐变和收缩是长用寿命，工作性影响施工质量和结构密实抗压强度是混凝土最重要的力学指标，抗期变形的重要组成部分，影响结构的长期度拉强度约为抗压强度的强性能和使用功能1/10-1/15度等级从到，满足不同工程需求C15C80钢筋性能钢筋等级、、等不同强度等级，数字表示屈服HPB300HRB400HRB500强度标准值力学行为明显的屈服台阶，良好的塑性和延性，能够承受反复荷载作用防锈措施混凝土保护层提供碱性环境，防止钢筋锈蚀，保证结构耐久性施工性能良好的可焊性和可加工性，便于现场施工和预制加工混凝土与钢筋的协同作用粘结机理化学胶结力、摩擦力和机械咬合力共同作用热膨胀相容两种材料具有相近的线膨胀系数受力协调钢筋承担拉力，混凝土承担压力，优势互补配筋材料的工程选择钢筋直径主要用途选用要点箍筋、构造筋保证混凝土保护层厚6-8mm度中小截面受力筋平衡经济性和受力要10-16mm求大截面主筋减少配筋根数，便于18-32mm施工重型结构主筋特殊工程，需验算粘36-40mm结性能第二章钢筋混凝土轴心受力构件轴心受力构件定义构件种类设计特点外力作用线与构件轴线重合的构件，包轴心受压柱子、支撑、桩基计算相对简单，但需要重点考虑构造要•括轴心受压构件和轴心受拉构件在实求和稳定性问题轴心受压构件还需考轴心受拉吊杆、系杆、预应力索•际工程中，纯轴心受力情况较少，多数虑长细比和二阶效应的影响特殊构件烟囱、水塔、储罐壁•为小偏心受力轴心受力构件破坏模式轴心受压破坏轴心受拉破坏混凝土先达到抗压强度，随后钢钢筋首先屈服，随后混凝土开裂筋屈服或压屈破坏具有一定延退出工作破坏具有明显的延性性，但破坏前变形较小长柱可特征，变形能力较强能发生失稳破坏失稳破坏细长构件在轴向压力作用下可能发生整体失稳，属于脆性破坏，需要特别注意长细比限制正截面承载力基本公式1轴心受压2轴心受拉，其中，仅考虑钢筋承载Nu≤φfcA+fyAs Nu≤fyAs为稳定系数，为混凝土抗力，混凝土开裂后不参与受力，φfc压强度，为截面面积，为设计时需验算裂缝宽度A fy钢筋抗压强度，为钢筋面As积3计算要点注意材料强度取值、截面有效面积计算、构造配筋要求和长细比限制等关键参数轴心受拉构件设计案例4004φ20设计拉力配筋方案kN承台系梁承受的轴向拉力钢筋，满足承载力要求HRB

4000.3裂缝宽度mm满足规范限值要求轴心受压构件设计案例截面设计承载力验算根据轴力大小确定截面尺寸，保证长细按规范公式验算正截面承载力，考虑稳比满足要求定系数影响配筋构造细部验证满足最小配筋率要求，合理布置纵筋和检查保护层厚度、钢筋间距等构造要求箍筋第三章受弯构件设计基础梁类构件承受弯矩和剪力的主要受力构件，广泛应用于框架结构、桥梁工程中，是结构体系的重要组成部分板类构件承受垂直荷载的面状构件，包括楼板、屋面板、桥面板等，按受力特点分为单向板和双向板受力特征主要承受弯矩作用，需要验算正截面和斜截面承载力，同时控制裂缝和变形受弯构件破坏形态正截面破坏受拉钢筋屈服或受压混凝土压碎引起斜截面破坏剪压破坏、斜拉破坏或斜压破坏粘结破坏钢筋与混凝土粘结失效引起锚固破坏钢筋锚固长度不足造成梁的正截面承载力公式1平截面假定截面变形后仍保持平面，应变沿截面高度线性分布，是钢筋混凝土理论的基础假定2材料本构关系混凝土采用等效矩形应力图，钢筋采用理想弹塑性模型，简化计算过程3内力平衡截面内力与外荷载平衡，力的平衡和力矩平衡是计算的基本方程受弯构件配筋原则适筋梁钢筋屈服与混凝土压碎同时发生超筋梁混凝土先压碎，钢筋未屈服，脆性破坏少筋梁钢筋屈服后立即破坏，无明显预兆梁截面设计步骤确定截面尺寸根据弯矩大小和建筑要求初步确定梁的截面宽度和高度，满足最小截面和经济性要求计算配筋面积按正截面承载力公式计算所需钢筋面积，验证配筋率是否在合理范围内选择钢筋规格根据计算面积选择合适的钢筋直径和根数，考虑施工便利性和经济性构造验算检查钢筋间距、保护层厚度、锚固长度等构造要求是否满足规范规定受弯构件设计例题板的正截面设计板厚确定配筋特点根据跨度和荷载确定板厚，一般为跨度的还需板的配筋以构造要求为主，配筋率较低单向板主要配置受力方1/30-1/40考虑防火、隔声、保温等建筑功能要求向的钢筋，双向板需配置两个方向的钢筋单向板最小配筋率•h≥l/30•

0.15%双向板钢筋间距•h≥l/40•≤200mm悬挑板直径选择•h≥l/12•6-12mm第四章受弯构件斜截面设计斜裂缝形成剪跨比影响主拉应力超过混凝土抗拉强度时形成，发展剪跨比是影响斜截面破坏形态的关λ=a/h0方向与主压应力垂直键参数拱作用机制箍筋作用混凝土形成压力拱，与拉杆机构共同承担剪箍筋约束斜裂缝发展，提高斜截面承载力力斜裂缝成因与规律1裂缝萌生当主拉应力达到混凝土抗拉强度时，在受拉区边缘首先出现微观裂缝，通常位于弯剪复合受力区域2裂缝扩展随着荷载增加，裂缝沿主拉应力轨迹方向发展，形成典型的斜向裂缝，角度约度左右453破坏形成斜裂缝贯通整个截面时发生脆性破坏，或在箍筋约束下形成延性破坏模式剪切承载力计算基本公式混凝土贡献，其中为混Vu≤Vcs=

0.7ftbh0+Vc=

0.7ftbh0ft，包括混凝土凝土轴心抗拉强度，为截面fyvAsv/sh0b和箍筋两部分贡献宽度，为有效高度h0箍筋贡献，为箍筋抗拉强度，为箍筋截面面积，为Vs=fyvAsv/sh0fyv Asvs箍筋间距剪切配筋规则最小配箍率箍筋间距，，ρsv=Asv/bs≥

0.24ft/fyv s≤min

0.75h0,300mm保证构件具有基本的抗剪能力，在支座附近可适当加密受力较防止发生脆性剪切破坏大区域间距应相应减小箍筋直径一般不小于，对于大截面梁可采用箍筋应形成封闭箍，6mm8-12mm确保有效约束梁斜截面设计案例荷载分析确定设计剪力值，考虑最不利荷载组合恒载剪力•45kN活载剪力•78kN设计剪力•123kN混凝土承载力计算混凝土抗剪贡献截面宽度•300mm有效高度•560mm混凝土贡献•88kN箍筋设计计算所需箍筋并选择规格所需箍筋•φ8@200实际承载力•135kN满足要求•第五章受扭构件设计扭转机理裂缝特征截面形状影响构件在扭矩作用下产生受扭裂缝呈螺旋形分布，空心截面抗扭效果优于翘曲变形，截面上产生倾斜角度约度，沿构实心截面，矩形截面的45剪应力，形成空间应力件长度方向连续发展，抗扭能力与长宽比有关，状态，需要纵筋和箍筋破坏突然且脆性较强正方形截面抗扭效果最共同抵抗好扭矩承载力计算方法基本公式1Tu≤Tc+Ts=

0.35ftWt+fyvAsvt/st2Acor截面特性为扭转截面模量，为核心面积Wt Acor适用条件需满足混凝土抗扭强度和配筋构造要求受扭构件配筋与节点细节纵向配筋横向配筋施工要点受扭纵筋应沿截面周边均匀布置，四角箍筋必须做成封闭式，间距不宜大于受扭钢筋的连接和锚固要求较高，特别必须设置纵筋纵筋直径不宜小于在纯扭构是箍筋的搭接和纵筋的锚固长度需要严minb/4,h/4,200mm，间距不宜大于件中，箍筋承担主要作用格控制12mm200mm最小配筋率封闭箍筋布置•

0.6%•均匀分布原则加密区要求••四角重点加强锚固长度控制••受扭设计典型案例第六章偏心受力构件复合受力同时承受轴力和弯矩作用偏心受压轴向压力作用点偏离截面形心偏心受拉轴向拉力作用点偏离截面形心基本构件4柱、墙、桩基等主要承重构件正截面与斜截面承载结合计算大偏心受压小偏心受压受拉钢筋先屈服，具有延性破坏特征，混凝土压碎破坏，脆性特征明显，偏心偏心距较大距较小偏心受拉失稳破坏全截面开裂，仅钢筋承受拉力，变形能细长构件可能发生二阶效应导致的失稳力强偏心受力承载力计算判别破坏类型承载力计算构造验算稳定性验算根据偏心距大小判断大小偏按相应公式计算截面承载力检查配筋率和构造要求验算长细比和二阶效应心偏心受压柱案例1200轴力设计值kN包括恒载和活载组合180弯矩设计值kN·m考虑二阶效应影响8φ25纵筋配置钢筋均匀布置HRB400φ10@150箍筋配置满足最小配箍率要求第七章裂缝、变形与耐久性裂缝类型变形控制荷载裂缝、收缩裂缝、温度裂缝、施工裂缝挠度限制保证结构正常使用，避免影响使用等不同成因的裂缝需要分别控制功能和美观长期性能耐久性设计考虑徐变、收缩等时间效应对结构的影响保证结构在设计使用年限内安全可靠裂缝控制计算方法裂缝宽度公式，其中为裂缝间距影响系数，为钢筋wmax=acrσs-σcr/Es acrσs应力，为混凝土开裂时的钢筋应力，为钢筋弹性模量σcr Es限值要求一般环境下裂缝宽度限值为，腐蚀环境下为预应

0.3mm

0.2mm力构件要求更严格，一般不允许出现裂缝控制措施合理配筋、控制钢筋应力、适当增加钢筋根数、设置构造钢筋等措施可以有效控制裂缝发展变形（挠度）计算短期挠度长期挠度限值控制按弹性理论计算，考虑开裂后刚度折减考虑混凝土徐变和收缩的影响，长期挠根据构件类型和使用要求确定挠度限值，使用有效刚度度可达短期挠度的倍采用挠度增一般为跨度的特殊要Bef=McrB0/M+1-2-31/200-1/300进行计算大系数进行简化计算求的构件限值更严格Mcr/MBcr弹性刚度徐变系数影响•B0•开裂刚度收缩变形•Bcr•开裂弯矩时间效应•Mcr•耐久性设计要点环境作用分析材料耐久性碳化、氯离子侵蚀、冻融循环、选用合适的水泥品种、控制水胶化学腐蚀等环境因素对混凝土结比、添加矿物掺合料等措施提高构造成长期损伤，需要针对性防混凝土自身的耐久性能护措施构造保护保证足够的保护层厚度、设置防水层、合理设计排水系统等构造措施是耐久性的重要保障构造措施与节点细节钢筋锚固保证钢筋与混凝土有效传力，锚固长度根据钢筋直径、混凝土强度和受力情况确定钢筋连接采用焊接、机械连接或搭接等方式，保证连接的可靠性和经济性抗震构造箍筋加密、纵筋锚固、节点核心区配筋等抗震构造措施提高结构延性保护层控制确保钢筋具有足够的混凝土保护层，防止钢筋锈蚀第八章预应力混凝土构件设计预应力原理通过预先施加压应力抵消外荷载产生的拉应力，充分发挥混凝土的抗压能力，减少或消除裂缝预应力钢筋采用高强度钢丝、钢绞线或精轧螺纹钢等材料，具有高强度、低松弛的特点布置方式先张法和后张法两种施工工艺，直线配置和曲线配置不同的布筋形式预应力混凝土受弯构件预应力损失摩擦损失、锚具变形损失、混凝土弹性压缩损失、钢筋松弛损失、混凝土收缩徐变损失有效预应力扣除各项损失后的预应力值，是设计计算的依据，一般为初始预应力的70%-80%配筋计算按承载力极限状态和正常使用极限状态进行双重验算，确保安全性和适用性预应力设计步骤及举例新技术与混凝土结构创新高性能混凝土装配式结构采用优质材料和先进工艺，具工厂预制、现场装配的建造方有高强度、高耐久性、高工作式，提高施工效率和质量，减性等特点，广泛应用于超高层少现场湿作业，符合绿色建造建筑和大跨度结构理念绿色低碳材料再生混凝土、地聚合物混凝土等新型材料，减少碳排放，实现可持续发展典型大体积与特殊混凝土结构大型桥梁结构超高层建筑特殊功能结构跨海大桥、斜拉桥等工程需要解决大体积超高层建筑混凝土结构面临高强混凝土泵核电站安全壳、储罐等特殊结构对混LNG混凝土的温度控制、高强混凝土的耐久性、送、大截面柱的设计、核心筒的抗震性能凝土的密封性、抗冲击性、耐久性有极高海洋环境的腐蚀防护等技术难题设计中等挑战需要采用高强高性能混凝土，优要求设计需要考虑特殊荷载工况和严格需要考虑风荷载、地震作用、温度效应等化结构布局，加强抗震设计的安全标准复杂荷载组合结构设计常见问题与对策裂缝渗漏问题钢筋锈蚀防护工程事故教训成因包括混凝土收缩、温度变化、荷载保证保护层厚度、提高混凝土密实度、分析典型事故案例，总结设计、施工、作用、施工缺陷等预防措施包括合理控制氯离子含量、采用阻锈剂等措施防使用阶段的经验教训，建立风险防控体配筋、控制施工质量、设置变形缝等止钢筋锈蚀系材料质量控制环境因素分析••施工工艺改进防护体系设计••构造措施加强定期检测维护••。