第1页：绪论章首与学习目标
本章主要讲述钢筋混凝土的一般概念和设计方法。通过本章学习，应达到以下目标：
- 掌握钢筋和混凝土的一般性能和它们共同工作的原因；
- 熟悉钢筋混凝土结构构件的设计方法；
- 理解本课程的特点和学习方法。
第2页：混凝土与钢筋的材料特性
1.1.1 混凝土和钢筋混凝土
- 混凝土（concrete）
- 非匀质、非连续、非弹性材料，抗压强度较高而抗拉强度很低（抗拉强度大致为相应抗压强度的 1/10），性能与石材类似，破坏呈脆性；由于水泥与水的化学-物理反应过程很长并受周围环境影响，其性能还与时间及温度、湿度等环境因素有关。
- 钢筋（steel bar）
- 较理想的匀质弹性材料，作为钢材的一种，材质均匀，抗拉强度和抗压强度都很高。
第3页：混凝土结构的三种类型
1.1.2 混凝土结构（concrete structure）包括：
- 钢筋混凝土结构（reinforced concrete structure）
- 预应力混凝土结构（prestressed concrete structure）
- 素混凝土结构（plain concrete structure）
一般的混凝土结构则由钢筋和混凝土组成。
第4页：钢筋与混凝土共同工作的原因
钢筋和混凝土共同工作原因：
- 混凝土结硬后能与钢筋牢固粘结在一起、相互传递应力，粘结力是这两种材料共同工作的基础；
- 钢筋和混凝土线膨胀系数相近，温度变化时不会产生较大的相对变形，粘结力不致因温度变化而破坏；
- 混凝土提供的碱性环境可保护钢筋免遭锈蚀，水泥与水反应生成的 Ca(OH)₂ 恰好提供了这种环境。
第5页：钢筋与混凝土的分工作用
在钢筋混凝土结构构件中，混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力（也可按需要承受构件受压区的部分压力），二者各自发挥其特长。
以配置钢筋后的钢筋混凝土梁为例：
- 承载力比素混凝土梁大大提高；
- 钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度均得到充分利用；
- 破坏过程有明显预兆。
第6页：构件受力类型与常见形式
1.1.3 混凝土结构构件的类型：按照构件的受力状态可分为受弯构件、受压构件、受拉构件、受扭构件。
图中标注的常见构件部位：柱下基础、楼板、柱、梁、墙、楼梯、墙下基础、地下室底板。
注：源文件本页以图示为主，构件名称与位置建议对照原课件图片核校。
第7页：受弯构件与受压构件
- 受弯构件
- 最基本的受力构件，如楼盖、屋盖、楼梯、挡土墙等，以梁或板的形式出现，承受荷载作用下产生的弯矩 M 和剪力 V。
- 受压构件
- 另一种最基本的受力构件，在房屋结构中通常竖向放置，以柱或墙的形式出现，主要承受轴向压力 N，同时还有弯矩 M 和剪力 V。
第8页：受拉构件与受扭构件
- 受拉构件
- 分为轴心受拉构件（仅承受轴心拉力，是受力最简单的构件）与偏心受拉构件（既承受轴心拉力又承受弯矩）。
- 受扭构件
- 扭矩 T 很少单独作用，往往和弯矩 M、剪力 V 等共同作用，如雨篷梁、螺旋楼梯等。
第9页：混凝土结构的优缺点
1.1.4 混凝土结构构件的优缺点
优点
缺点
- 自重较大
- 容易开裂
- 施工繁琐
- 工期受季节性影响
- 隔热隔声性能差
随着科学技术的不断发展，这些缺点正逐渐被克服。
第10页：钢筋混凝土结构的诞生
1.2 混凝土结构的发展——钢筋混凝土结构的诞生：
- 1824 年发明波特兰水泥，有了混凝土；
- 1849 年用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成小船，是最早的钢筋混凝土结构；
- 1884 年钢筋混凝土结构逐渐得到推广应用。
第11页：材料方面的发展
1）材料方面的发展
- 混凝土强度不断提高；
- 轻质混凝土的应用：容重一般为 14kN/m³~18kN/m³，如加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等；
- FRP 筋的应用：主要由碳素纤维制作而成，用 FRP 筋代替钢筋，具有高强、耐腐蚀等优点。
第12页：结构方面的发展
2）结构方面的发展
- 预应力混凝土结构的应用：在混凝土的受拉区施加预应力，以提高混凝土结构的抗裂度、减轻构件自重；
- 结构体系的丰富：不同用途、不同结构功能具有相应的结构体系，如混凝土结构、钢与混凝土的组合结构、FRP 混凝土及预应力混凝土结构等。
第13页：设计理论的发展脉络
3）理论研究方面的发展——设计方法的演进：
- 允许应力设计法
- 破坏阶段设计法
- 极限状态设计法
- 半经验半概率法
- 近似概率法
- 全概率法
- 生命全过程设计法
早期采用材料力学的方法，按经验法确定安全系数。
第14页：结构设计方法的发展
4）结构设计方法的发展
- 结构基本理论 → 设计方法 → 如何设计一个新结构；
- 荷载的确定方法；
- 结构的力学分析：线性和非线性；
- 构件的承载力计算、设计方法和构造措施。
未来方向：计算机的应用与发展，结构整体空间作用分析方法的完善与应用。
第15页：混凝土结构在房屋工程中的应用
1）房屋工程：我国超过 100m 高的高层建筑中，绝大多数是混凝土结构或混凝土与钢的组合结构。
图中构件包括：混凝土组合柱、组合楼板、钢柱、组合梁、组合桁架、钢筋混凝土筒体。
注：源文件本页以结构示意图为主，构件名称建议对照原课件图片核校。
第16页：交通工程中的应用
2）交通工程：隧道、桥梁、高速公路、城市高架公路、地铁大都采用混凝土结构。
- 1994 年建成的上海内环线浦西段高架公路，以及与之相连的南浦大桥、杨浦大桥的塔架；
- 1995 年建成的地铁一号线、延安东路隧道；
- 英吉利海峡隧道等。
第17页：水利工程中的应用
3）水利工程：大坝、拦海闸墩、渡槽、港口等多用混凝土结构。
- 瑞士大狄克桑斯坝，1962 年建成，高 285m，为世界最高的混凝土重力坝；
- 我国湖北宜昌的三峡大坝，高 186m，装机容量 1786 万千瓦。
注：源文件此处记为「装机容量1786千瓦」，与三峡电站的常规量级不符，疑漏「万」字；本页按「1786 万千瓦」呈现，建议对照原课件图片核实。
第18页：特种工程中的应用
4）特种工程：混凝土结构广泛用于以下工程：
- 核电站的安全壳
- 热电厂的冷却塔
- 储水池、储气罐
- 海洋石油平台
- 电视塔等
第19页：混凝土结构设计规范的修订要点
1.3 混凝土结构的设计原则和方法：新修订的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）主要有如下变动：
- 材料方面：混凝土强度最低等级提高为 C20；引入强度级别为 500MPa 级的热轧带肋钢筋，预应力钢筋以钢绞线和高强钢丝作为主导钢筋；
- 对承载力极限状态计算方法、正常使用极限状态验算方法进行了改进；
- 设计内容由以构件设计为主适当扩展到整体结构设计、结构抗倒塌设计和既有结构设计；
- 完善了耐久性设计方法；
- 对各类构件的构造措施进行了修订、补充和完善。
第20页：概率极限状态设计方法
最新颁布的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。
在本门课程学习前，对已学习的《荷载与结构设计方法》要点予以回顾，以便于本课程的学习和节省篇幅。
第21页：设计使用年限
1.3.1 设计使用年限和设计基准期
- 设计使用年限（design working life）
- 设计规定的一个时期。在这一规定时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护下，不需要进行大修就能按其预定目的使用。
设计应明确结构的用途；在设计使用年限内未经技术鉴定或设计许可，不得改变结构的用途和使用环境。
第22页：设计基准期
- 设计基准期（design reference period）
- 指在对荷载进行统计、以及对与时间有关的材料性能取值所选定的一个时间段。我国所采用的设计基准期为 50 年。
第23页：结构功能要求中的安全性
1.3.2 结构的功能要求：结构在规定的设计使用年限内，应满足安全性、适用性、耐久性等各项功能要求。
- 1. 安全性要求
- ① 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；② 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。所谓整体稳定性，是指偶然事件发生时和发生后建筑结构仅产生局部损坏而不致发生连续倒塌。
第24页：结构的适用性与耐久性
- 2. 适用性要求
- 结构在正常使用时具有良好的工作性能，如受弯构件在正常使用时不出现过大的挠度等。
- 3. 耐久性要求
- 结构在正常维护下具有足够的耐久性能，即在正常维护条件（不需花费过高维修费用）下，在预定的设计使用年限内、预定的工作环境中，结构能够正常使用。
第25页：结构的可靠度
1.3.3 结构的可靠度
- 结构的可靠度（degree of reliability）
- 对结构可靠性的定量描述，指结构在规定的时间内（设计使用年限）、规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用等，不考虑人为过失的影响），完成预定功能的概率。
第26页：承载能力极限状态
1.3.4 极限状态设计方法
- 1. 承载能力极限状态（ultimate limit state）
- 结构或结构构件达到最大承载力，出现疲劳破坏、发生不适于继续承载的变形，或因结构局部破坏引发连续倒塌。
出现下列状态之一即认为超过了承载能力极限状态：
- 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如雨篷倾覆、烟囱在风力下整体倾覆、挡土墙整体滑移）；
- 构件或其连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形不适于继续承载（如轴压柱混凝土压碎、吊车梁疲劳破坏）；
- 结构转变为机动体系；
- 结构或构件丧失稳定（如压屈）；
- 地基丧失承载能力而破坏（如失稳）。
第27页：正常使用极限状态
- 2. 正常使用极限状态
- 对应于结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值或耐久性能的某种规定状态。
出现下列状态之一即认为超过了正常使用（serviceability）极限状态：
- 影响正常使用或外观的变形；
- 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；
- 影响正常使用的振动；
- 影响正常使用的其他特定状态。
第28页：承载能力极限状态的计算内容
3. 承载能力极限状态计算应包括下列内容：
- 结构构件应进行承载力（包括失稳）计算；
- 直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算；
- 有抗震设防要求时，应进行抗震承载力计算；
- 必要时尚应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算；
- 对可能遭受偶然作用且倒塌可能引起严重后果的重要结构，宜进行防连续倒塌设计。
第29页：承载力极限状态设计表达式
对持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况，当用内力的形式表达时，结构构件应采用下列承载能力极限状态设计表达式：
γ₀S ≤ R
注：源文件本页仅提取到表达式文本，公式符号与下标建议对照原课件图片核校。
第30页：基本组合的荷载效应组合
3）基本组合的荷载效应组合设计值
- （1）由可变荷载效应控制的组合；
- （2）由永久荷载效应控制的组合：γG 意义同前，但取值为 1.35；当永久荷载为竖向荷载时（一般情形），参与组合的也仅限于竖向荷载。
注：源文件本页公式排版未完整提取，具体组合表达式建议对照原课件图片补全。
第31页：基本组合的简化规则
（3）基本组合的简化规则：对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并按下列组合值中取最不利值确定。
- 1）由可变荷载效应控制的组合：S = γG·SGK + γQ1·SQ1K
- 2）由永久荷载效应控制的组合：仍按式（1.2b）确定
注：源文件本页公式文本残缺（如「S=γGSGK+O.9」），已按规范常见写法整理，建议对照原课件图片核校。
第32页：正常使用极限状态验算
4. 正常使用极限状态设计：混凝土结构构件正常使用极限状态的验算应包括：
- 对需要控制变形的构件，应进行变形验算；
- 对不允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；
- 对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算；
- 对有舒适度要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算。
钢筋混凝土构件按荷载准永久组合并考虑长期作用影响，预应力混凝土构件按标准组合并考虑长期作用影响，采用极限状态设计表达式 S ≤ C 验算。
- S
- 荷载组合效应的设计值
- C
- 结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度和应力等的限值
第33页：荷载组合的两种形式
1）荷载组合（load combination）
- （1）标准组合（characteristic/nominal combination）
- 主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况，荷载效应组合的设计值 S = SGK + SQ1K + …
- （2）准永久组合（quasi-permanent combination）
- 按荷载准永久值计入的效应组合，用于长期效应验算。
注：源文件本页公式仅提取到部分文本，建议对照原课件图片补全。
第34页：裂缝控制验算
2）具体设计内容：混凝土结构构件按承载能力极限状态设计后，尚应按规范进行裂缝控制验算以及受弯构件的挠度验算。
（1）裂缝控制验算
- 严格要求不出现受力裂缝的构件：按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；
- 一般要求不出现受力裂缝的构件：按标准组合计算时，受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度标准值；
- 允许出现受力裂缝的构件：按准永久组合并考虑长期作用影响计算时，最大裂缝宽度不应超过规范规定的最大裂缝宽度限值。
第35页：受弯构件的挠度验算
（2）受弯构件的挠度验算：混凝土受弯构件的挠度不应影响其使用功能和外观要求。
- 钢筋混凝土受弯构件的最大挠度应按荷载效应的准永久组合计算；
- 预应力混凝土受弯构件的最大挠度应按荷载效应的标准组合计算。
二者均应考虑荷载长期作用的影响。
第36页：课程特点与学习方法
1.4 本课程的特点和学习方法：注意课程的下述特点：
- 材料的特殊性
- 公式的实验性
- 公式的适用性
- 解答的多样性
- 设计的规范性
《混凝土结构设计原理》是土木工程专业的学科基础课，先介绍钢筋和混凝土材料的力学性能，再具体讲述各种混凝土结构构件的设计，每一种构件都包括工程应用、受力性能与破坏特征、公式应用、构造要求等几个方面。
第37页：主要符号与计量单位
1.5 本书的主要符号和计量单位
- 1. 主要符号
- 采用主体符号带上、下标的书写方法，主体符号用斜体，上、下标用正体（i、j、L 除外），主要有材料性能符号、荷载和内力符号、几何参数符号等。
- 2. 计量单位
- 本书采用以 N-mm（牛顿-毫米）制为标准的法定计量单位。
第38页：第一章结束页
本章内容讲授完毕。
