混凝土結構設計原理(第二版)（簡體書）

本書為高等院校土木工程專業的學科基礎課教材，介紹混凝土結構構件的受力性能，房屋建筑工程、公路及橋涵工程

混凝土結構設計方法。本書主要依據我國國家標準《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）（2015年版）編寫而成，主要內容包括： 緒論，材料的基本性能，以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，鋼筋混凝土受彎構件、受壓構件、受拉構件、受扭構件性能分析、設計計算和構造措施，鋼筋混凝土構件裂縫及變形驗算，預應力混凝土軸心受拉構件、受彎構件的力學性能及設計方法。

本書對混凝土結構構件的性能及分析有充分的論述，概念清楚； 有明確的計算方法和詳細的設計步驟，以及相當數量的計算例題，有利于理解結構構件的受力性能和具體的設計計算方法。每章有內容提要、思考題或習題等內容； 文字通俗易懂，論述由淺入深，循序漸進，便于自學理解，鞏固深入。書中還編排了近年注冊結構工程師專業考試真題的相關內容，便于讀者學習。

本書可作為高等院校土木工程專業的教材，也可供有關的設計、施工和科研人員使用。

李斌，男，博士，教授，工程力學學會包頭市理事，中國冶金建設委員會委員，土木工程學會會員, 內蒙古自治區建筑節能協會副理事長，結構委員會主任。內蒙古科技大學黨委常委、副校長，教授、碩士生導師。

研究方向包括：鋼與混凝土組合結構、在役結構可靠性及剩余壽命研究。

作為學科領導人和帶頭人，近年來主持完成或參與國家*、省部級、地市級等縱向課題20多項，企業委托的橫向課題40多項，獲科技進步獎3項，創新獎1項，教學成果獎2項，發表論文40余篇，其中被EI收入論文20多篇。2001年獲寶鋼教育基金理事會優秀教師獎，2010年被評為內蒙古自治區 “321”人才二層次人才。

目錄

第1章緒論

1.1混凝土結構的基本概念

1.2混凝土結構的應用與發展概況

1.2.1混凝土結構的發展概況

1.2.2混凝土結構的工程應用

1.2.3我國混凝土結構設計規范發展概況

1.3混凝土結構發展展望

1.3.1材料方面

1.3.2結構方面

1.3.3施工技術

1.3.4試驗技術

1.4本課程的主要內容及特點

1.4.1主要內容

1.4.2課程特點及學習方法

第2章鋼筋和混凝土的基本性能

2.1鋼筋的基本性能

2.1.1鋼筋的品種和級別

2.1.2鋼筋的力學性能

2.1.3鋼筋應力應變關系的數學模型

2.1.4鋼筋的松弛和疲勞

2.1.5混凝土結構對鋼筋性能的要求

2.1.6鋼筋的選用

2.2混凝土的基本性能

2.2.1單軸應力狀態下混凝土的強度

2.2.2復合應力狀態下混凝土的強度

2.2.3混凝土短期加載下的變形性能

2.2.4混凝土的徐變

2.2.5混凝土的疲勞性能

2.2.6混凝土的收縮、膨脹和溫度變形

2.3鋼筋與混凝土的粘結

2.3.1基本概念

2.3.2粘結力的組成及其影響因素

2.3.3保證可靠粘結的構造措施

2.4鋼筋混凝土的一般構造規定

2.4.1混凝土保護層

2.4.2鋼筋的錨固長度

2.4.3機械錨固

2.4.4鋼筋的連接

2.4.5并筋

2.5公路橋涵工程混凝土結構材料

2.5.1混凝土與鋼筋

2.5.2公路橋涵工程混凝土結構的一般構造

思考題

第3章混凝土結構設計的基本原則

3.1結構極限狀態設計方法

3.1.1結構的功能要求

3.1.2結構功能的極限狀態

3.1.3結構上的作用及結構抗力

3.2荷載和材料強度的取值

3.2.1荷載標準值的確定

3.2.2材料強度標準值的確定

3.2.3材料強度設計值

3.3結構可靠度、可靠指標和目標可靠指標

3.4極限狀態實用設計表達式

3.4.1承載能力極限狀態設計表達式

3.4.2正常使用極限狀態設計表達式

3.5既有結構和防連續倒塌的設計原則

3.5.1既有結構設計原則

3.5.2防連續倒塌設計原則

3.6公路橋涵工程混凝土結構設計的基本原則

3.6.1主要區別及造成兩者區別的主要原因

3.6.2極限狀態設計表達式

思考題

第4章受彎構件的正截面受彎承載力

4.1概述

4.2受彎構件正截面的受力性能

4.2.1梁的一般構造

4.2.2板的一般構造

4.2.3適筋梁正截面受彎的三個受力階段

4.2.4受彎構件沿正截面的破壞形態

4.3受彎構件正截面承載力計算方法

4.3.1基本假定

4.3.2等效矩形應力圖形

4.3.3適筋破壞和超筋破壞的界限條件

4.3.4適筋破壞與少筋破壞的界限條件

4.4單筋矩形截面受彎構件正截面承載力計算

4.4.1基本計算公式及適用條件

4.4.2受彎構件正截面承載力計算的兩類問題

4.4.3計算系數及其使用

4.5雙筋矩形截面受彎構件正截面承載力計算

4.5.1概述

4.5.2受壓鋼筋的應力

4.5.3計算公式和適用條件

4.5.4基本公式的應用

4.6T形截面受彎構件正截面受彎承載力計算

4.6.1概述

4.6.2計算公式及適用條件

4.7公路橋涵工程受彎構件的正截面設計

4.7.1基本假定

4.7.2相對界限受壓區高度

4.7.3雙筋矩形截面的正截面抗彎承載力計算

4.7.4T形與I形截面的正截面抗彎承載力計算

思考題

習題

第5章受彎構件斜截面承載力計算

5.1概述

5.2受彎構件斜截面受力特點與破壞機理

5.2.1斜截面開裂前后受力分析

5.2.2無腹筋梁斜截面的受力特點和破壞形態

5.2.3有腹筋梁斜截面的受力特點和破壞形態

5.3受彎構件斜截面受剪承載力計算

5.3.1影響梁斜截面受剪承載力的主要因素

5.3.2受彎構件斜截面受剪承載力計算公式

5.4受彎構件斜截面受剪承載力的設計計算

5.4.1截面設計

5.4.2截面復核

5.5保證斜截面受彎承載力的構造措施

5.5.1材料抵抗彎矩圖

5.5.2縱筋的彎起

5.5.3縱筋的截斷

5.5.4縱筋的錨固

5.5.5箍筋的構造要求

5.6公路橋涵工程受彎構件的斜截面設計

5.6.1斜截面抗剪承載力的計算位置

5.6.2斜截面抗剪承載力的計算公式及其適用條件

5.6.3斜截面抗剪承載力的配筋設計方法

5.6.4斜截面抗彎承載力

思考題

習題

第6章受壓構件截面承載力計算

6.1概述

6.2受壓構件的一般構造要求

6.2.1材料強度等級

6.2.2截面形式和尺寸

6.2.3縱向鋼筋

6.2.4箍筋

6.3軸心受壓構件正截面承載力計算

6.3.1軸心受壓普通箍筋柱的正截面承載力計算

6.3.2軸心受壓螺旋箍筋柱的正截面承載力計算

6.4偏心受壓構件正截面承載力計算原理

6.4.1偏心受壓短柱的破壞形態

6.4.2偏心受壓長柱的破壞形態

6.4.3偏心受壓長柱考慮二階效應的設計彎矩計算

6.4.4偏心受壓構件正截面承載力計算的基本假定

6.4.5附加偏心距

6.4.6小偏心受壓構件中遠離縱向偏心力一側的鋼筋應力

6.5矩形截面不對稱配筋偏心受壓構件正截面承載力計算

6.5.1區分大、小偏心受壓破壞形態的界限

6.5.2矩形截面大偏心受壓構件正截面承載力計算

6.5.3矩形截面小偏心受壓構件正截面承載力計算

6.5.4截面設計

6.5.5截面承載力復核

6.6矩形截面對稱配筋偏心受壓構件正截面承載力計算

6.6.1基本公式及適用條件

6.6.2截面設計

6.6.3截面復核

6.7I形截面對稱配筋偏心受壓構件正截面承載力計算

6.7.1基本公式及適用條件

6.7.2截面設計

6.8偏心受壓構件NM相關曲線

6.9雙向偏心受壓構件正截面承載力計算

6.10偏心受壓構件斜截面受剪承載力計算

6.11公路橋涵工程受壓構件的設計

6.11.1軸心受壓構件

6.11.2矩形截面偏心受壓構件

6.11.3T形和I形截面偏心受壓構件

思考題

習題

第7章受拉構件的正截面承載力計算

7.1軸心受拉構件的截面承載力計算

7.2矩形截面偏心受拉構件正截面受拉承載力計算

7.2.1偏心受拉構件正截面的破壞形態

7.2.2矩形截面大偏心受拉構件正截面的承載力計算

7.2.3矩形截面小偏心受拉構件正截面的承載力計算

7.3偏心受拉構件斜截面受剪承載力計算

7.4公路橋涵工程受拉構件的設計

7.4.1軸心受拉構件正截面承載力計算

7.4.2偏心受拉構件正截面承載力計算

思考題

習題

第8章受扭構件的扭曲截面承載力

8.1概述

8.2受扭構件的破壞特征

8.3截面開裂扭矩

8.4純扭構件變角度空間桁架模型計算理論

8.5受扭構件配筋計算方法

8.5.1純扭構件的配筋計算方法

8.5.2彎剪扭構件的配筋計算方法

8.6壓、彎、剪、扭矩共同作用下鋼筋混凝土矩形截面框架柱剪扭承載力計算

8.7構造要求

8.8公路橋涵工程受扭構件的設計

8.8.1矩形和箱形截面純扭構件承載力計算

8.8.2矩形和箱形截面剪扭構件承載力計算

8.8.3T形、I形和帶翼緣箱形截面剪扭構件承載力計算

8.8.4矩形、T形、I形和箱形截面彎剪扭構件承載力計算

8.8.5受扭構件承載力計算公式的適用條件與鋼筋的構造規定

思考題

習題

第9章鋼筋混凝土構件的變形、裂縫及混凝土結構的耐久性

9.1概述

9.2鋼筋混凝土受彎構件的撓度驗算

9.2.1截面彎曲剛度

9.2.2縱向受拉鋼筋應變不均勻系數

9.2.3截面彎曲剛度的計算公式

9.2.4影響截面受彎剛度的主要因素

9.2.5最小剛度原則與撓度驗算

9.3鋼筋混凝土構件裂縫寬度驗算

9.3.1裂縫的出現、分布與開展

9.3.2平均裂縫間距

9.3.3平均裂縫寬度

9.3.4最大裂縫寬度及其驗算

9.4鋼筋混凝土構件的截面延性

9.4.1延性的概念

9.4.2受彎構件的截面曲率延性系數

9.4.3偏心受壓構件截面曲率延性的分析

9.5混凝土結構的耐久性

9.5.1耐久性的概念與結構耐久性劣化現象

9.5.2耐久性設計

9.6公路橋涵工程混凝土構件的裂縫寬度、變形驗算

9.6.1公路橋涵工程裂縫寬度驗算

9.6.2公路橋涵工程受彎構件變形驗算

思考題

習題

第10章預應力混凝土構件

10.1概述

10.1.1預應力混凝土的概念

10.1.2預應力結構在國內外的發展簡史

10.1.3預應力混凝土的分類

10.1.4張拉預應力鋼筋的方法

10.1.5錨具與孔道成型材料

10.1.6預應力混凝土材料

10.2張拉控制應力與預應力損失

10.2.1張拉控制應力σcon

10.2.2預應力損失的分類

10.2.3預應力損失值的組合

10.3預應力鋼筋的傳遞長度和構件端部錨固區局部受壓承載力計算

10.3.1預應力鋼筋的傳遞長度ltr

10.3.2后張法構件端部錨固區的局部承壓承載力計算

10.4預應力混凝土軸心受拉構件的計算

10.4.1軸心受拉構件各階段的應力分析

10.4.2預應力混凝土軸心受拉構件的計算和驗算

10.5預應力混凝土受彎構件的計算

10.5.1各階段應力分析

10.5.2受彎構件正截面破壞形態及基本假定

10.5.3預應力混凝土受彎構件正截面承載力計算

10.5.4預應力混凝土受彎構件斜截面承載力計算

10.5.5受彎構件使用階段正截面抗裂度驗算

10.5.6受彎構件使用階段斜截面抗裂度驗算

10.5.7受彎構件使用階段變形驗算

10.5.8受彎構件施工階段的驗算

10.6預應力混凝土構件的構造要求

10.7公路橋涵工程中預應力混凝土構件的設計

10.7.1張拉控制應力和預應力損失

10.7.2預應力混凝土受彎構件的承載力計算

10.7.3預應力混凝土受彎構件應力計算和應力控制

10.7.4預應力混凝土受彎構件抗裂驗算

10.7.5預應力混凝土受彎構件撓度驗算

10.7.6預應力混凝土受彎構件端部錨固區計算

思考題

習題

附錄A材料力學指標

附錄B鋼筋的計算截面面積及公稱質量

附錄C基本規定

附錄D術語

參考文獻

第3章混凝土結構設計的基本原則

本章介紹混凝土結構設計時應遵循的基本原則，主要包括作用在結構上的荷載大小如何確定； 所用結構材料強度如何取值； 結構應具有的功能； 結構安全可靠的標準； 概率極限狀態實用設計表達式等。

3.1結構極限狀態設計方法

3.1.1結構的功能要求

1. 結構的安全等級

建筑物的重要程度是根據其用途決定的。例如，設計一個大型體育館和設計一個普通倉庫是有差異的，因為大型體育館一旦發生破壞，造成的生命財產損失要比普通倉庫大得多，所以對它們安全度的要求應該不同，進行建筑結構設計時應按不同的安全等級進行設計。建筑結構設計時，應根據結構破壞可能產生的后果，如危及人的生命、造成經濟損失、產生社會影響等的嚴重性，采用不同的安全等級。建筑結構安全等級的劃分應符合表31的要求。對人員比較集中、使用頻繁的影劇院、體育館等，安全等級宜按一級設計。對特殊的建筑物，其設計安全等級可視具體情況確定。還有，建筑物中梁、柱等各類構件的安全等級一般應與整個建筑物的安全等級相同，對部分特殊構件可根據其重要程度作適當調整。

表31建筑結構的安全等級

安 全 等 級

破壞后果

建筑物類型

一級

很嚴重

重要的建筑物

二級

嚴重

一般的建筑物

三級

不嚴重

次要的建筑物

注： (1) 對特殊的建筑物，其安全等級應根據具體情況另行確定；

(2) 地基基礎設計安全等級及按抗震要求設計時建筑結構的安全等級，尚應符合國家現行有關規范的規定。

2. 結構的設計使用年限與設計基準期

計算結構可靠度所依據的年限稱為結構的設計使用年限。結構的設計使用年限，是指設計規定的結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期。設計使用年限按《建筑結構可靠度設計統一標準》(GB 50068—2001)確定，就總體而言，橋梁應比房屋的設計使用年限長，大壩的設計使用年限更長。結構的設計使用年限應按表32采用。

表32設計使用年限分類

類別設計使用年限/年示例

15臨時性結構

225易于替換的結構構件

350普通房屋和構筑物

4100紀念性建筑和特別重要的建筑物

設計基準期是為確定可變作用代表值與時間有關的材料性能而選用的時間參數。

設計使用年限與設計基準期既有聯系又有不同。設計基準期可根據結構設計使用年限的要求適當選定。結構的設計使用年限雖與其使用壽命有聯系，但不等同。超過設計使用年限的結構并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。

3. 建筑結構的功能

根據《建筑結構可靠度設計統一標準》(GB 50068—2001)，結構在規定的設計使用年限內應滿足下列功能要求：

(1) 在正常施工和正常使用時，能承受可能出現的各種作用；

(2) 在正常使用時具有良好的工作性能；

(3) 在正常維護下有足夠的耐久性能；

(4) 在設計規定的偶然事件發生時及發生后，仍能保持必需的整體穩定性。

上述(1)、(4)兩項屬于結構的安全性，結構應能承受正常施工和正常使用時可能出現的各種荷載和變形，在偶然事件(如地震、爆炸等)發生時和發生后保持必需的整體穩定性，不致發生倒塌。紐約世界貿易中心雙子大廈遭恐怖分子劫持飛機撞擊，產生爆炸、燃燒而最終導致整體倒塌，是一個非常典型的偶然事例。第(2)項關系到結構的適用性，如不產生影響使用的過大變形或振幅，不發生足以讓使用者不安的過寬裂縫等。第(3)項為結構的耐久性，如結構在正常維護條件下在設計規定的年限內混凝土不發生嚴重風化、腐蝕、脫落，鋼筋不發生銹蝕等。安全性、適用性和耐久性總稱為結構的可靠性。

3.1.2結構功能的極限狀態

整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計指定的某一功能要求，這個特定狀態稱為該功能的極限狀態，如構件即將開裂、傾覆、滑移、壓屈、失穩等。也就是說，能完成預定的各項功能時，結構處于有效狀態，反之，則處于失效狀態。有效狀態和失效狀態的分界，稱為極限狀態，是結構開始失效的標志。極限狀態可分為兩類。

1. 承載能力極限狀態

結構或結構構件達到最大承載能力或不適于繼續承載的變形及裂縫寬度，稱為承載能力極限狀態。例如，當結構或構件由于材料強度不夠而破壞，或因疲勞而破壞，或因漂浮而破壞，或產生過度的變形而不能繼續承載，結構或結構構件喪失穩定（如壓屈），或結構在偶然作用下連續倒塌或大范圍破壞等； 結構轉變為機動體系時，結構或構件就超過了承載能力極限狀態。超過承載能力極限狀態后，結構或構件就不能滿足安全性的要求。

2. 正常使用極限狀態

結構或結構構件達到正常使用的某項限值或產生影響耐久性能的局部損壞，這種狀態稱為正常使用極限狀態。例如，當結構或結構構件出現影響正常使用或外觀的變形、過寬裂縫、局部損壞和振動時，可認為結構或構件超過了正常使用極限狀態。超過了正常使用極限狀態，結構或構件就不能保證適用性和耐久性的功能要求。

結構或構件按承載能力極限狀態進行計算后，還應該按正常使用極限狀態進行驗算。

為了提高使用質量，正常使用極限狀態中對跨度較大的樓板及業主有要求時，增加了舒適度要求，需控制樓蓋豎向自振頻率達到舒適度設計要求。

結構的極限狀態可以用極限狀態函數來表達。承載能力極限狀態函數可表示為

Z＝R-S(31)

……