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》吕西林、蒋欢军、李培振
同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所
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)
主要教材及参考书
R. Park and T. Pauley. Reinforced Concrete Structures. 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, Ned H. 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.
主要教材及参考书(c.)
James G. MacGregor, Reinforced Concrete --- Mechanics & Design, 2nd Edition, 1992, Prentice-hall •18 Chapters
•Basic theory and bending (5 chapters)
•Shear, torsion and anchorage (3 chapters) •Serviceability (1 chapter)
•Slabs: one-way and two-way (4 chapters) •Columns: combined axial load & bending, slender columns (2 chapters)
•Seismic design, footing & others (3 chapters)
研究生阶段与本科生阶段学习内容的区别：
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
第一章绪论
1.1 混凝土结构的定义及种类
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。

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。

1.2 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。

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
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。

1.3 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Joseph Aspdin发明了波特兰水泥；
✓1854年，法国人Joseph Louis Lambot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Joseph Monier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。

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。

✓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。

✓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
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。

✓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。

●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）
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Trump International Hotel & 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)
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
✓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
✓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)。

✓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(Grande Dixence Dam，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。

1.4 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（high performance concrete，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
●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56 d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
✓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
300~1200 kg/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
凝土已在实验室中配置成功，今后会进一步得到应用；
●目前在建筑物的内外墙体、屋面、楼面、立柱等构件中
采用该种材料。

●轻质混凝土优点：
☐自重小，有利于结构抗震；
☐具有低的弹性模量，对冲击载荷具有良好的吸收和分散作用；
☐保温隔热性能好；
☐隔音性能好；
☐对于利用工业废料的轻质混凝土可以变废为用，减少占用农田，减轻环境污染。

✓纤维(增强)混凝土
●改善了混凝土的抗裂性、耐磨性和延性，在混凝土中掺加
纤维，目前研究较多的有钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维混凝土等；
●目前发展较快、应用较广的是钢纤维混凝土，钢纤维主要
有用于土木建筑工程的碳素钢纤维和用于耐火材料工业中的不锈钢纤维；
●当纤维长度及长径比在常用范围，钢纤维混凝土的抗拉强
度可提高40%~80%，抗弯强度提高50%~120%，抗剪强度提高50%~100%，抗压强度提高0~25%之间，可大幅度提高韧性，纤维掺量在1%到2%（体积分数）的范围内，；
●国内外正在研究一种钢纤维掺量达5%～27%的简称为
SIFCON的砂浆渗浇钢纤维混凝土，抗压强度有大幅度提高，可达100~200MPa，其抗拉、抗弯、抗剪强度以及延性、韧
✓自密实混凝土（self-compacting concrete）
●自密实混凝土不需机械振捣，而是依靠自重使混凝土密实；
●混凝土的流动度虽然高，但仍可以防止离析；
●优点：
☐在施工现场无振动噪音；
☐可进行夜间施工，不扰民；
☐混凝土质量均匀、耐久；
☐钢筋布置较密或构件体型复杂时也易于浇筑；
☐施工速度快，现场劳动量小。

在高层建筑的泵送混凝土中，有相当一部分是自密实混
凝土。

✓碾压混凝土
●近年发展较快，可用于大体积混凝土结构（如水工大坝、
大型基础）、工业厂房地面、公路路面及机场道面等；
●用于大体积混凝土的碾压混凝土的浇筑机具与普通混凝土
不同，其平整使用推土机，振实用碾压机，层间处理用刷毛机，切缝用切缝机；
●在碾压混凝土中再加入钢纤缝，成为钢纤维碾压混凝土，
则其力学性能及耐久性还可进一步改善；
●优点：整个施工过程的机械化程度高，施工效率高，劳动
条件好，可大量掺用粉煤灰，与普通棍凝土相比，浇筑工期可缩短1/3~1/2，用水量可减少20%，水泥用量可减少
30%~60% 。

✓聚合物混凝土
●颗粒型有机－无机复合材料的统称。

这类材料在近30年来
有显著的发展；
●按其组成和制作工艺可分为：聚合物浸渍混凝土；聚合物
水泥混凝土，也称聚合物改性混凝土（polymer modified
concrete，PMC）；聚合物胶结混凝土（polymer concrete，PC），又称树脂混凝土(resin concrete，RC)。

●与普通水泥混凝土相比，具有高强、耐蚀、耐磨、粘结力
强等优点；
●可作为高效能结构材料应用于特种工程，例如腐蚀介质中
的管、桩、柱、地面砖、海洋构筑物和路面、桥面板，以及水利工程中对抗冲、耐磨、抗冻要求高的部位。

也可应用于现场修补构筑物的表面和缺陷，以提高其使用性能。

✓其他混凝土
●再生(骨料)混凝土；
●活性微粉混凝土（reactive powder concrete， RPC）：
☐一种超高强的混凝土，其立方体抗压强度可达200-
800MPa，抗拉强度可达25～150MPa；
☐使用微粉及极微粉材料；
☐增放钢纤维；
☐减少混凝土用水量，水灰比可低到0.15；
☐其骨料粒径很小，接近于水泥颗粒的尺寸；
☐加入大量的超塑化剂，以改善其工作度
●智能混凝土（Intelligent concrete）：在混凝土原有组分基
础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆、自适应、自修复特性的多功能材料。

光纤机敏混凝土结构
•将光纤材料及光纤传感器直接埋入混凝土结构中可制作机敏混凝土结构。

•当结构因受力和温度变化产生变形或裂缝时，就会引起埋入其中的光纤产生变形，导致通过光纤内的光在光强、相位、波长或偏振方面发生变化。

•根据这些变化就可以确定结构的应力、变形或裂缝，实现结构应力、变形和裂缝的自监测和自诊断。

碳纤维机敏混凝土结构
•碳纤维混凝土是在普通混凝土中分散均匀地加入碳纤维而构成。

•由于碳纤维是导电的，随着压应力的变化，碳纤维混凝土的电阻率也会变化，根据电阻率的变化就可以知道碳纤维混凝土的应力水平和损伤状态。

•由于碳纤维对温度变化比较敏感，利用这一特性可以实现混凝土结构温度分布自诊断。

已应用于大坝，桥梁和重要的建筑结构。

裂缝自愈合碳纤维机敏混凝土结构
•根据人体伤口由“破裂-流血-凝结-愈合”的全过程可知，如果在混凝土中沿受拉方向分层布置一些注入缩聚高分子溶液的玻璃空心纤维，当混凝土受拉开裂时，这些玻璃纤维管就会破裂，其中的溶液就会流至裂缝处结硬，实现混凝土裂缝的自愈合。

•在恶劣环境下工作的混凝土一旦开裂，有害的环境就会使钢筋锈蚀，影响结构安全。

因此，使用裂缝自愈合的机敏混凝土是十分必要的。

1.4.2 结构方面
✓钢和混凝土组合结构是值得注意的发展方向
●是钢部件和混凝土或钢筋混凝土部件组合成为整体
而共同工作的一种结构，兼具钢结构和钢筋混凝土结构的一些特性；
●组合构件：
☐组合梁
☐组合柱：钢管混凝土柱、型钢混凝土柱
☐组合剪力墙：型钢混凝土剪力墙、钢板混凝土剪力墙
☐组合桁架
☐组合楼板
●钢-混凝土混合结构：由钢构件、钢-混凝土组合构件和混凝土构件组成的结构；
●典型的钢-混凝土混合结构：钢框架(框筒)、型钢混凝土框架(框筒)、钢管混凝土框架(框筒)与钢筋混凝土核心筒所组成的结构；
●混合结构优点：
☐相对于钢筋混凝土结构，具有结构构件尺寸小，占用建筑面积和净高小、结构自重轻，降低基础造价、施工速度快和抗震性能好等优势；
☐相对于钢结构，用钢量相对较小、整体刚度好、结构防火、防腐性能好。

●钢和混凝土组合结构的发展概况
☐钢和混凝土组合结构的雏形最早于1894 年出现于北美，当时出于防火的需要，匹兹堡的一栋建筑采用了外包混凝土的钢梁；☐具有现代意义的钢和混凝土组合结构出现在20 世纪20 年代，从20世纪50年代开始，钢和混凝土组合结构在许多实际工程中得到了应用，尤其是最近20年来已在高层和超高层结构、工业厂房、构筑物、大跨度桥梁等工程中得到了广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益，目前世界上最高的10幢建筑中有9幢为混合结构；
☐20世纪60年代初，国内将钢与混凝土组合梁应用于工业与民用建筑及桥梁中， 20 世纪80 年代以来，在我国各地相继建成
了一批钢-混凝土混合结构高层建筑；
☐这种结构体系适合我国基本建设的国情，已成为结构体系的重要发展的方向之一，被住房和城乡建设部列为要大力推广的
●上海中心大厦简介
☐建筑高度：632m
☐结构高度：574.6m ☐层数：主楼地上124层，裙房地上7层，地下5层
☐主要用途：办公、酒店、商业、观光等
☐竖向分区：9个
巨型框架-核心筒-外伸臂结构体系
核心筒
巨柱环形桁架
径向桁架
核心筒
巨柱环形桁架外伸臂
1-4区5区6区
✓预应力技术在将来还会有大的发展
●预应力混凝土的定义：通过张拉钢筋(索)，使钢筋混凝土结
构在承受外荷载之前，受拉区的混凝土预先受到一定压应力的混凝土；
●目的：预压应力用来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力，从而将结构构件的拉应力控制在较小范围，甚至处于受压状态,以推迟混凝土裂缝的出现和开展，从而提高构件的抗裂性能和刚度；
●张拉方法：现在已经有先张法、后张法、无粘结预应力技术、体外张拉预应力索技术；
●对于预应力技术，不论在张拉方法、形式还是在锚夹具的改进等方面，还会有进一步的发展；
●预应力材料也将有进一步的发展，例如高强纤维筋等。

✓预制混凝土结构在将来会有大的发展
●预制混凝土构件在工厂制作，机械化程度高，质量易于控制；
●现场施工少，对环境影响小，有可能减少污染；
●材料用量也可以减少，节省资源；
●用于住宅时，可以与墙体保温一并考虑，可以做到节能；
●施工速度快，质量易与控制或监测；
●运输成本较高，而且对城市交通可能有影响；
●在现阶段总体成本较高，不易推广应用；
●在现阶段施工有一定难度，人们对连接不放心；
●重点是连接性能的改进和构件的标准化；
●技术标准和法规的完善，以利推广应用。

✓许多大型、巨型工程都将应用混凝土结构
●人口增长，城市发展：
☐土建工程会向空间发展，如超高层建筑、大跨结构等；
☐向地下发展，如地下交通(地铁、隧道)、地下商场等；
☐向海洋发展，如填海造地、人工岛等；
☐这些工程的建设必将扩大混凝土的应用
●混凝土结构在未来的工程建设中会发挥更大的作用。

1.4.3 计算理论
✓钢筋混凝土有限元分析中有以下几个问题需要进行深入研究：
☐混凝土的破坏准则：在不同比例三向应力作用下；在三轴应力下破坏曲线的走向还有不同观点；
☐混凝土的本构关系：在不同应力比下加载时各应力之间的相互作用；非比例加载下不同应力路径的本构关系；
☐钢筋的本构关系：屈服后如何表述或简化；
☐钢筋与混凝土间的粘结关系：试验精确测试困难；三维有限元建模困难；
☐裂缝处理：裂缝出现有随机性；裂缝分布不规则；
☐时效处理：收缩和徐变
✓钢筋混凝土基本构件的计算：
☐变形计算；
☐在复合受力或反复荷载下的计算理论
✓可靠度：
☐设计、施工和使用维护的全过程的可靠度(全寿命周期)；
☐影响结构可靠度的不确定因素：随机性、模糊性和信息不完全性；
☐动力可靠度、疲劳可靠度
1.4.4 施工技术
✓在模板方面：模板目前的作用仅限于混凝土成型，今后会向多功能发展；
✓在浇筑混凝土工艺方面：不同的搅拌法；施工缝的处理；
✓在钢筋绑扎和成型方面：各种钢筋成型机械及绑扎机具；钢筋的加工成型自动化；
✓在养护方面：远红外热养护；养护液。