高混-2013.2.26-第一章绪论-高等混凝土-同济大学课件

研究生课程《高等混凝土结构理论》同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所吕西林、蒋欢军、李培振2教学内容及课时分配第一章：绪论(3学时)第二章：混凝土结构材料的性能和本构关系(6学时)第三章：混凝土构件正截面特性和分析(6学时)第四章：混凝土构件斜截面特性和分析(6学时)第五章：混凝土构件受扭的特性和分析(3学时)第六章：粘结和锚固的特性和分析(3学时)第七章：钢筋混凝土板的特性和分析(6学时)第八章：预应力混凝土结构的特性和分析(3学时)第九章：混凝土结构的使用性能(6学时)第十章：混凝土结构抵抗地震、火灾等灾害的性能(6学时)第十一章：混凝土结构的设计方法和理念(3学时)3主要教材及参考书R.ParkandT.Pauley.ReinforcedConcreteStructures.John-Wiley&Sons,1975.(或中译本：钢筋混凝土结构，重庆大学出版社，1985)派克,根勃尔著,黄国桢,成源华译.钢筋混凝土板.同济大学出版社,1992.林同炎,NedH.Burns著,路湛沁,黄棠,马誉美译.预应力混凝土结构设计(第三版).中国铁道出版社,1983.江见鲸,李杰,金伟良主编.高等混凝土结构理论(第一版).中国建筑工业出版社,2007.顾祥林主编.混凝土结构基本原理(第二版).同济大学出版社,2011.赵国藩主编.高等钢筋混凝土结构学.机械工业出版社,2005.JamesG.MacGregor,ReinforcedConcrete---Mechanics&Design,2ndEdition,1992,Prentice-hall•18Chapters•Basictheoryandbending(5chapters)•Shear,torsionandanchorage(3chapters)•Serviceability(1chapter)•Slabs:one-wayandtwo-way(4chapters)•Columns:combinedaxialload&bending,slendercolumns(2chapters)•Seismicdesign,footing&others(3chapters)4主要教材及参考书(c.)研究生阶段与本科生阶段学习内容的区别：5内容深化和扩展：机理---设计---问题与改进基本构件---结构体系简单受力状态---复杂受力状态，例如灾害作用等；混凝土结构材料的拓展，例如预应力材料，纤维增强材料等；国内外研究和应用现状的介绍各种学术观点和设计理论的介绍，不局限于理解和应用中国规范学习方式：自学与课堂学习相结合6第一章绪论定义：以混凝土为主要材料建造的工程结构。种类：素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构等。混凝土：是以水泥为主要胶结材料，拌合一定比例的砂、石子和水，有时还加入少量的各种添加剂，经过搅拌、注模、振捣、养护等工序后，逐渐凝固硬化而成的人工混合材料，简称为砼(音tóng)，各组成材料的成分、性质和相互比例，以及制备和硬化过程中的各种条件和环境因素，都对混凝土的力学性能有不同程度的影响。1.1混凝土结构的定义及种类8素混凝土结构：具有较高的抗压强度，而抗拉强度却很低(一般仅为抗压强度的1/10左右)，一般在以受压为主的结构构件中采用，如柱墩、基础墙等，或用于路面等。钢筋混凝土结构：由钢筋和混凝土共同组成，利用钢筋抗拉，利用混凝土抗压，两种材料各司其职、相得益彰，在建筑结构、桥梁及其他土木工程中得到了广泛应用。预应力混凝土结构：配置了预应力钢筋的混凝土结构，适合于大跨度结构、水工结构等。近20年来发展了配“纤维筋”(FRP筋)的混凝土结构。91.2混凝土结构的特点优点：整体性好，可灌筑成为一个整体，对抗震、抗爆有利；可模性好，可灌筑成各种形状和尺寸的结构；耐久性好，钢筋受混凝土保护不宜锈蚀，混凝土强度随时间增长会有所增长；耐火性好，混凝土是热的不良导体，钢筋因有混凝土包裹耐火性增强;工程造价低，混凝土原材料易于就地取材，用钢量小。10缺点：自重大，对于建造大跨结构和抗震结构不利；抗裂性差，开裂过早，在防渗、防漏结构中的应用有一定限制；施工较复杂，室外施工受气候和季节的限制，工序多，工期长；补强修复有一定难度，新旧混凝土不易连接；隔热隔声性能较差11钢筋与混凝土两种材料共同工作的原因：混凝土与钢筋之间有良好的粘结性能，二者在荷载作用下能协调变形，共同受力；混凝土和钢筋的温度线膨胀系数接近，混凝土为1.0~1.5X10-5，钢筋为1.2X10-5，避免温度变化时产生过大的相对变形而破坏二者间的粘结力；混凝土对钢筋的保护：混凝土包裹在钢筋外部，使钢筋免于过早腐蚀或高温软化。121.3混凝土结构的发展简况1.3.1混凝土结构的诞生1824年，英国人JosephAspdin发明了波特兰水泥；1854年，法国人JosephLouisLambot将铁丝网放入混凝土中制成了小船，并于第二年在巴黎博览会上展出，标志着混凝土结构的诞生；1867年，法国人JosephMonier取得了用格子状配筋制作桥面板的专利，RC工艺迅速地向前发展，1867这一年，是全世界公认为最早的RC桥梁建设的一年。1872年，在美国纽约第一幢钢筋混凝土结构房屋建成。131.3.2混凝土结构在世界范围内的发展第一阶段：19世纪50年代至19世纪末所采用的钢筋和混凝土的强度都比较低，主要用来建造中小跨度的楼板、梁、拱和基础等构件；计算理论则采用弹性理论，设计则采用容许应力法；设计计算理论比较粗略，所以发展比较缓慢。14第二阶段：20世纪初到第二次世界大战前混凝土和钢筋材料强度有所提高，被用来建造大跨度空间结构；预应力混凝土的发明和应用(1928年法国工程师E.Freyssinet发明)；在计算理论上，已开始考虑材料的塑性，如板的塑性铰线理论，设计采用破损内力设计理论；随着生产的发展，以及试验工作的开展、计算理论的研究、材料及施工技术的改进，这一技术得到了较快的发展。15第三阶段：第二次世界大战后至现在高强混凝土和高强钢筋的出现及其广泛应用；建筑工业化：预制混凝土构件、装配式及装配整体式结构的出现，采用工具式模板，采用泵送商品混凝土生产混凝土结构，加快建设速度、降低建筑造价、保证施工质量；计算理论上已经过渡到充分考虑混凝土和钢筋塑性的极限状态设计理论，在设计方法上已经过渡到以概率论为基础的多系数表达的设计公式；由于轻质、高强混凝土材料的发展以及结构设计理论水平的提高，使得混凝土结构应用跨度和高度都不断地增大。161.3.3混凝土结构在国内的发展19世纪末，混凝土传入中国，1890年，上海第一次在铺设马路时采用混凝土，上海第一家混凝土制品厂建成投产；19世纪末20世纪初，我国开始有了钢筋混凝土建筑物，如上海市的外滩建筑群、广州市的沙面建筑群等，但工程规模小，建筑数量也少；解放以后，我国进行了大规模的工程建设，混凝土结构在我国各项工程建设中得到迅速的发展和广泛的应用，20世纪50年代开始应用预应力混凝土结构。17改革开放后，混凝土高层建筑在我国也有了较大的发展。80年代，高层建筑的发展加快了步伐，结构体系更为多样化，层数增多，高度加大，已逐步在世界上占据领先地位；作为反映我国混凝土结构学科水平的混凝土结构设计规范也随着工程建设经验的积累、科研工作的成果和世界范围技术的进步而不断改进：1955年制定《钢筋混凝土结构设计暂行规范》（结规6—55），采用了前苏联规范中的按破坏阶段设计法。181966年颁布了我国第一本《钢筋混凝土结构设计规范》（BJG2l—66），采用了当时较为先进的以多系数表达的极限状态设计法。1974年颁布了《钢筋混凝土结构设计规范》（TJ10—74），采用了单一安全系数表达的极限状态设计法1989年颁布了《混凝土结构设计规范》（GBJ10—89），采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法2002年颁布了《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）2010年颁布了《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）191.3.4混凝土结构的应用在房屋建筑中，混凝土结构占有相当大的比例；目前最高的混凝土结构建筑为位于芝加哥的TrumpInternationalHotel&Tower(423m，98层，2009年竣工，世界排名11名)；国内最高的混凝土结构建筑为位于广州的中信广场(390m，80层，1996年竣工，世界排名16名)20悉尼歌剧院：耗时16年，于1973年建成，主体结构由三组巨大的壳片组成，由2194块每块重15.3吨的弯曲形混凝土预制件，用钢缆拉紧拼成(实为组合拱)，耸立在南北长186米、东西最宽处为97米的现浇钢筋混凝土结构的基座上21桥梁工程中小跨度桥梁中很大一部分采用混凝土结构，结构形式有梁、拱、桁架等；有些大跨度桥梁虽然采用钢悬索或钢制斜拉索，但其桥面结构、桥塔常采用混凝土结构香港青马大桥：全长2160m，主桥跨度1377m，两座吊塔，每座高206米，离海面62米，是全世界最长的行车、铁路两用悬索桥。22特殊结构与高耸结构混凝土结构在道路、港口工程中有大量应用，储水池、储仓、电线杆、下水道等均可采用混凝土结构；由于滑模施工方法的发展，许多高耸结构采用混凝土结构，如加拿大多伦多电视塔(1975年建成，高553.3m)，我国的东方明珠电视塔(1994年建成，高467.9m)、天津电视塔(高415.2m)、北京中央电视塔(高405m)。23水利及其他工程大坝(因混凝土自重大，砂石比例大，易于就地取材)，如瑞士大迪克桑斯坝(GrandeDixenceDam，世界最高的混凝土重力坝，1962年建成，高285m，坝顶宽15m，坝底宽225m，长695m，库容量4亿m3)；核电站的安全壳、海上采油平台、渡槽、隧道、地铁车站等。241.4混凝土结构的发展展望1.4.1材料方面：主要发展方向是高强、轻质、耐久（抗磨损、抗冻融、抗渗）、抗灾（地震、风、火）、抗爆、易于成型等。高性能混凝土（highperformanceconcrete，HPC）：具有高强度、高耐久性、高流动性等多方面的优越性能。高强混凝土是用水泥、砂、石原材料外加减水剂或同时外加粉煤灰、F矿粉、矿渣、硅粉等混合料，经常规工艺生产而获得高强的混凝土；混凝土强度高可减小断面，减轻自重，提高空间利用率。目前国内常用混凝土强度为20~40N/mm2（MPa），国外常用的强度等级在C60以上；25不同国家采用不同定义：美国将混凝土抗压强度等级为C100及以上的混凝土定义为高强混凝土，在日本定义为C80及以上混凝土，在前苏联定义为C90及以上的混凝土，在挪威定义为C70及以上的混凝土；结合我国当前的混凝土材料研究和应用水平，行业内的专家一般认为抗压强度等级C60及以上的混凝土为高强混凝土；在实验室内，我国已经制成C100以上的混凝土，国外在试验室高温、高压的条件下，已制成抗压强度达到662MPa的混凝土。在实际工程中，美国西雅图双联广场泵送混凝土56d抗压强度达133.5MPa。在不远的将来，常用的混凝土强度可达100MPa以上；高强混凝土的塑性不如普通强度混凝土，研制出塑性好的高强混凝土仍然是当今要研究的问题。26轻质混凝土轻质混凝土的密度小于1800kg/m3；轻质混凝土主要采用轻质骨料。轻质骨料主要有天然轻骨料（如浮石、凝灰岩等）、人造轻骨料（页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等）和工业废料（如炉渣、矿渣、粉煤灰等）；另一类为泡沫混凝土，常用泡沫混凝土的密度等级为300~1200kg/m3，是通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质材料；轻质混凝土强度等级一般为LC15~LC20，高强度轻质混凝土