1、1 混 凝 土 结 构 课 程电 子 教 案编 写 人 ： *建 筑 工 程 系 力 学 与 结 构 教 研 室2第 1 章 绪 论（一）本章教学基本要求（1）掌握钢筋混凝土的基本概念、优缺点、课程特点；（2）了解本课程的内容、任务和学习方法，了解其在国内外应用和发展情况。（二）重点与难点重点：钢筋混凝土的概念、优缺点，本课程的特点及要解决的问题；难点：本课程的特点及要解决的问题。1.1 混凝土结构的一般概念教学内容：混凝土结构的定义与分类；配筋的作用与要求；钢筋混凝土结构的优缺点1.2 混凝土结构的发展概况教学内容：混凝土结构的发展与应用概况1.3 学习本课程要注意的问题教学内容：学习本课程
2、时应注意的三个方面的问题 1.1 混 凝 土 结 构 的 一 般 概 念1.1.1 混 凝 土 结 构 的 定 义 和 分 类1.定义:以混凝土为主制作的结构统称为混凝土结1. 定 义 :以 混 凝 土 为 主 制 成 的 结 构 称 为 混 凝 土 结 构 。 2. 分 类 ： 钢 筋 混 凝 土 结 构 、 预 应 力 混 凝 土 结 构 、 素 混 凝 土 结 构 。 钢筋混凝土结构由配置受力的普通钢 筋 、钢 筋 网或钢筋骨架的混凝土制成的结构称为钢筋混凝土结构；预 应 力 混 凝 土 结 构 由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土制成的结构称为预应力混凝土结构；
3、素混凝土结构由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构称为素混凝土结构。3图 1-1 简 支 梁 受 力 破 坏 示 意 图1.1.2 配 筋 的 作 用 与 要 求1. 试 验 介 绍 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 。(1) 素 混 凝 土 简 支 梁 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
4、 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 。(2) 钢筋混凝土简支梁为 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4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
5、 ， 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
6、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 ，
7、 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 1.510-5 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
8、 ， 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
9、 比 ， 可 以 降 低 造 价 。5(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
10、 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
11、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
12、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。6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
13、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
14、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
15、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。7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
16、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 （GB 50068） 、 建筑结构荷载规范 （GB 50009-2001） 、 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
17、、 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
18、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 。
19、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
20、 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 。本章小结：本章主要学习了钢筋混凝土的基本概念、优缺点、课程特点以及本课程的内容、任务和学习方法，并了解钢筋混凝土结构在国内外应用和发展情况。其中重点要求8掌握钢筋混凝土的概念、优缺点，本课程的特点及要解决的问题；难点是本课程的特点及要解决的问题。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
21、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 ？9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
22、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
23、、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10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
24、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(203)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
25、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，C50C80 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 C40o4) 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
