钢筋混凝土课件

课程：钢筋混凝土结构(应和教材同名) 教材：水工混凝土结构
第1章 绪论
主讲教师：张玉峰 mail：yufzhang@ Tel:18627065242
本章主要内容
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 混凝土结构的基本概念 混凝土结构的优点和缺点 混凝土结构的应用与发展 混凝土结构设计规范的发展 本课程的主要授课内容及特点
1.3 混凝土结构的应用与发展
3.材料方面的发展 (1) 混凝土强度不断提高：20世纪60年代混凝土的抗压强度 平均约为30MPa；20世纪70年代初已提高到40MPa；到20世纪 80年代初，在发达国家C60级混凝土已经普遍采用；近年来国 内外采用附加减水剂的方法可制成抗压强度最高到300MPa的 混凝土。 (2) 纤维混凝土的应用(纤维：钢纤维、合成纤维、玻璃纤 维、碳纤维等)改善了混凝土的性能(提高抗裂、抗冲击、抗疲 劳等)。钢纤维混凝土广泛应用于公路路面、机场跑道、桥面 等。 (3) 轻质混凝土的应用：加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩 混凝土、碎砖混凝土等，其容重约为：(14－18)kN/m3 (普通 混凝土为24kN/m3)。有利于保温、隔热、隔音、吸能抗震。
本书重点讲述钢筋混凝土结构的材料性能、设计原则、计算方法和 构造措施，对于预应力混凝土结构，将在本书的第十章中介绍。
1.1 混凝土结构的基本概念
3. 钢筋混凝土的本质 钢筋混凝土是由钢筋和混凝土这两种力学性能完全不同 的材料结合成一个整体，共同受力、共同变形的一种块体 材料。 混凝土是由水泥、石子、砂和水按一定比例混合拌和 后凝固而成的非匀质、非弹性的人工石材。 混凝土是一种抗压强度高而抗拉强度比较低的材料，其 抗拉强度/抗压强度≈1/10，且其变形能力比较差，是一种 脆性材料。
规范6-55《钢筋混凝土结构设计暂行规范》 GBJ21-1966 TJ 10-74 SDJ 20-1978 GBJ 10-89 DL/T 5057-1996 GB 50010-2002 SL 191-2008 DL/T 5057-2009 多系数表达的极限状态设计法 多系数分析单一安全系数表达的 极限状态法(半经验、半概率法) 分项系数表达的极限状态 设计法(近似概率法) 分项系数表达的极限状态 设计法(近似概率法) 多系数分析的安全系数表达式 分项系数表达式
(1) 混凝土凝结硬化后，能与钢筋牢固地粘结在一起， 相互传递内力，可保证两种材料变形协调，共同受力，不 致产生相对滑移。粘结力是钢筋和混凝土共同工作的基 础； (2) 钢筋的线膨胀系数为1.2×10-5/℃，混凝土的为(1.0～ 1.5)×10-5/℃，二者比较相近。因此，当环境温度变化 时，钢筋与混凝土之间不会产生较大的相对变形和温度应 力而使它们之间的粘结力破坏。 (3) 混凝土包裹在钢筋外部，可使钢筋免遭腐蚀或高温 软化。
(4) 智能混凝土的研发：在混凝土中添加智能修复材料和智 能传感材料，使其具有损伤修复愈合和损伤预警功能。 (5) 特种混凝土的应用：膨胀混凝土、自密实混凝土、聚合 物混凝土、耐腐蚀混凝土和水下不分散混凝土等。 (6) 钢筋：强度由低向高发展，延性大幅度改善；目前在工 程上已出现采用型钢、碳(玻璃)纤维棒材或纤维增强聚合物 （简称FRP）筋代替钢筋进行配筋的情况。 4.结构形式的发展 (1) 预应力混凝土结构的应用：在大跨度桥梁、空间结构中 施加预应力以提高结构的抗裂度和减轻自重。 (2) 结构体系丰富：不同用途、不同结构功能具有相应的结 构体系：混凝土结构、钢-混凝土组合结构、FRP混凝土及预 应力混凝土结构等。
1.1 混凝土结构的基本概念
钢筋混凝土结构——一般意义上是指用圆钢筋作为配筋的 普通混凝土结构，是由钢筋和混凝土这两种材料组成的结 构。
1.1 混凝土结构的基本概念
钢筋混凝土结构——Reinforced Concrete Structure，直 译“加强混凝土结构”，如果用“加强”的概念来定义
K P≤[p]
20世纪50年代
极限状态设计方法
考虑材料和荷载的变异性 应用概率理论，融可靠度于 多个系数中的实用设计表达式: γ0 S≤R
全概率法
生命全过程设计法
1.4 混凝土结构设计规范的发展
1949年以前 1955年 1966年 1974年 1978年 1989年 1996年 2002年 2008年 2009年 我国规范几乎一片空白 照搬前苏联设计规范 采用破坏阶段设计法
1.1 混凝土结构的基本概念
(4) 破坏性质 素混凝土梁：破坏是突然的，没有明显的预兆，属于 脆性破坏。 钢筋混凝土梁：发生破坏时，其变形和裂缝都发展得 很充分，呈现出明显的破坏预兆，属于延性破坏。 4. 配筋的作用 （1）提高结构构件的承载能力； （2）调整结构的破坏形态。
1.1 混凝土结构的基本概念
1.2 混凝土结构的优点和缺点
1. 钢筋混凝土结构的优点 与砖结构和木结构相比，混凝土结构的发展历史并不 长，但发展迅速，迄今为止已在建筑、水利、道路、桥梁 和港口工程中得以广泛地应用，主要是由于钢筋混凝土结 构具有下列优点。 ①易于就地取材；②材料利用合理； ③整体性好； ④可模性好； ⑤耐久性好；⑥耐火性好； ⑦节约钢材；⑧阻止射线的穿透。
水工混凝土结构
课程性质： 1.是我校水利水电工程、农业水利工程专业的专业 基础必修课，是水文与水资源工程、港口海岸及 治河工程专业的专业基础选修课； 2.是一门关键的学位课程； 3.今后报考“注册结构工程师”的一门难度较大的重要 科目。
1.1 混凝土结构的基本概念
1.定义：以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝土结 构(体积含量＞60%)。 2.混凝土结构的分类： 素混凝土结构 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 素混凝土结构——是指不配置任何钢材的混凝土结 构，如：混凝土重力坝。素混凝土结构由于承载力 低、性质脆，很少用来作为土木工程的受力结构；
1.3 混凝土结构的应用与发展
1. 混凝土结构的应用 (1)建筑工程 我国超过100m高的高层建筑 中绝大多数是混凝土结构或为 钢-混凝土组合结构。
(2) 交通工程 隧道、桥梁、高速公 路、轻轨、地铁等大都采 用混凝土结构。
1.3 混凝土结构的应用与发展
(3) 水利水电工程、港口工程 大坝、水电站厂房、蜗壳、尾水管、闸墩、调压塔、渡 槽、码头等一般都采用混凝土结构。
1.3 混凝土结构的应用与发展
(4) 特种工程 核电站的安全壳、热电厂的冷却塔、烟囱、储水池、 储气灌、海洋石油平台、电视塔等多采用混凝土结构。
2. 混凝土结构的早期发展 1824年，英国人约瑟夫·阿斯匹丁(Joseph Aspdin)发明了波 特兰水泥，有了混凝土； 1850年，法国人蓝波特(Joseph Louis Lambot)用铁丝网作 为配筋制成了钢筋混凝土的小船——最早的钢筋混凝土结 构； 1854年，英国学者威尔金森 (W.B.Wilkinson)制作出了第 一个钢筋混凝土板，并取得了专利； 1861年，法国巴黎花匠约瑟夫·莫尼埃(Joseph Monier)用钢 丝作为配筋制作了花盆并获得了专利，后又申请了钢筋混凝 土梁、板、管、拱桥等专利—尽管他不懂钢筋混凝土结构的 受力原理，甚至将钢筋配置在板的中部，他却被认为是钢筋 混凝土结构的发明者；
1.2 混凝土结构的优点和缺点
2. 钢筋混凝土结构的缺点 ① 自重大。对建造大跨度结构、超高层结构和抗震结构极 为不利——采用轻质高强混凝土； ② 易开裂。抗裂性差，对水工混凝土结构尤为不利——采 用预应力混凝土结构； ③ 承载力有限。高层底部易于肥梁胖柱，减少有效空间— —采用钢结构； ④ 施工复杂。工序多、工期较长、受气候环境的影响较 大，需要较多的脚手架、模板——可采用预制构件在现场 装配，加快施工进度。 ⑤ 隔热隔声性能差。
1866年，德国学者Wayss, Bauschingger（包辛格）和 Koenen（克内恩）等发表了相的计算理论和计算方法， 1887年又发表了试验结果，并提出了钢筋应配置在受拉区的 概念和板的计算方法。之后，钢筋混凝土的推广应用才有了 较快的发展。 1872年，美国人在纽约建造了第一座钢筋混凝土房屋； 1928年，法国学者尤金·弗雷赛纳特(Eugene Freyssinet)发 明了预应力混凝土结构； 1931年，法国人建造了第一座预应力钢筋混凝土桥梁；
如： 钢-混凝土组合结构方面： •钢板-混凝土组合结构——用于地下结构； •压型钢板-混凝土板——用于楼板结构； •型钢-混凝土组合梁——用于桥梁结构； •型钢-混凝土重载柱——用于超高层建筑； •钢管混凝土（钢管约束核心混凝土处于三向受压状态，提高 了混凝土的抗压强度、极限应变、承载力和延性）——用于 超高层建筑。 FRP混凝土结构方面： FRP管混凝土柱、 FRP-混凝土组合桥面板，因FRP耐腐蚀、 强度高等优点，适合广泛应用于沿海和近海工程、桥梁结 构。
1.1 混凝土结构的基本概念
（3）开裂以后的破坏形态 对于素混凝土梁来说，由于混凝土的变形能力较差， 受拉区边缘混凝土一旦开裂，裂缝沿截面高度方向迅速裂 穿，试件随即发生断裂破坏； 对于钢筋混凝土梁来说，由于钢筋的存在，可限止裂缝 的开展，试件不会因混凝土的开裂而发生断裂破坏。混凝 土开裂后，裂缝截面处的拉应力转交给钢筋承担，受压区 的应力由混凝土承担，故荷载还可进一步增加。直到受拉 钢筋的应力达到屈服强度，受压区混凝土被压坏，钢筋混 凝土梁才破坏。两种材料的力学性能都得到充分发挥。
1.1 混凝土结构的基本概念
P P P P
素混凝土梁承载力小，破坏突然
钢筋混凝土梁承载力大，变形性 能好，破坏有预告
图0-2
素混凝土梁与钢筋混凝土梁的破坏情况比较
试验结果表明： 素砼梁与钢筋砼梁 (1) 当荷载较小时，截面上的应力和应变则同弹性材料的 梁一样，沿截面高度呈直线分布； (2) 随着荷载P的增加，截面上的应力和应变也逐渐增 加，由于混凝土的抗拉强度较低，当荷载P增大到一定数 值，受拉区边缘混凝土的应力达到其极限抗拉强度时该处的 混凝土被拉裂。