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13 混凝土结构设计原理
一、课程性质与目的
本课程属土木工程专业必修的专业基础课，是一门实践性很强与现行的规范、规程等有关的专业基础课。
通过本课程的学习，使学生掌握混凝土结构学科的基本理论和基本知识，为在校继续学习《混凝土结构设计》专业课以及毕业后在混凝土结构学科领域继续学习提供坚实的基础。
二、课程基本要求
(一)绪论
1．掌握混凝土结构的一般概念及特点。
2．了解混凝土结构在国内外土木工程中的发展与应用概况。
3．了解本课程的主要内容、要求和学习方法。
(二)混凝土结构材料的物理、力学性能
1．钢筋
(1)熟悉钢筋的品种和级别。
(2)掌握钢筋的应力一应变全曲线特性及其数学模型。
(3)了解钢筋的冷加工性能、重复荷载下钢筋的疲劳性能以及混凝土结构对钢筋性能的要求。
2．混凝土
(1)熟悉混凝土的立方体强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度及相互间的关系。
(2)掌握单轴向受压下混凝土的应力一应变全曲线及其数学模型。
(3)熟悉混凝土弹性模量、变形模量的概念。
(4)了解重复荷载下混凝土的疲劳性能以及复合应力状态下混凝土强度的概念。
(5)熟悉混凝土徐变、收缩与膨胀的概念。
(6)了解高强度、高性能混凝土的主要物理、力学性能。
3．钢筋与混凝土的粘结性能
(1)掌握粘结的定义、粘结力的组成、粘结应力的分布、粘结应力与相对滑移的关系等概念。
(2)掌握基本锚固长度的计算以及保证可靠粘结的构造要求。
(三)按概率理论的极限状态设计法
1．掌握工程结构极限状态的基本概念，包括结构上的作用、对结构的功能要求、设计基准期、两类极限状态等。
2．了解结构可靠度的基本原理。
3．熟悉近似概率极限状态设计法在混凝土结构设计中的应用。
(四)受弯构件正截面受弯承载力计算
1．熟练掌握适筋梁正截面受弯三个受力阶段的概念，包括截面上应力与应变的分布、破坏形态、纵向受拉钢筋配筋百分率对破坏形态的影响、三个工作阶段在混凝土结构设计中的应用等。
2．掌握混凝土构件正截面承载力计算的基本假定及其在受弯构件正截面受弯承载力计算中的应用。
3．熟练掌握单筋、双筋矩形与T形截面受弯构件正截面受弯承载力的计算方法，配置纵向受拉钢筋的主要构造要求。
(五)受弯构件斜截面承载力的计算
1．熟悉无腹筋梁斜裂缝出现前后的应力状态。
2．掌握剪跨比的概念、无腹筋梁斜截面受剪的三种破坏形态以及腹筋对斜截面受剪破坏形态的影响。
3．熟练掌握矩形、T形和I字形等截面受弯构件斜截面受剪承载力的计算模型、计算方法及限制条件。
4．掌握受弯构件钢筋的布置、梁内纵筋的弯起、截断及锚固等构造要求。
(六)受压构件承载力计算
1．掌握轴心受压构件的受力全过程、破坏形态、正截面受压承载力的计算方法及主要构造要求；了解螺旋箍筋柱的原理与应用。
2．熟练掌握偏心受压构件正截面两种破坏形态的特征及其正截面上应力的计算简图。
3．掌握偏心受压构件正截面受压承载力的一般计算公式的原理。
4．熟练掌握对称配筋矩形与I字形截面偏心受压构件正截面受压承载力的计算方法及纵向钢筋与箍筋的主要构造要求。
5．掌握Nu—Mu相关曲线的概念及其应用。
6．熟悉偏心受压构件斜截面受剪承载力的计算。
(七)受拉构件承载力计算
1．掌握轴心受拉构件的受力全过程、破坏形态、正截面受拉承载力的计算方法与配筋的主要构造要求。
2．掌握偏心受拉构件的受力全过程、两种破坏形态的特征以及对称配筋矩形截面偏心受拉构件正截面受拉承载力的计算方法与配筋的主要构造要求。
3．熟悉偏心受拉构件斜截面受剪承载力的计算。
(八)受扭构件扭曲截面受扭承载力的计算
1．掌握矩形截面受扭构件的破坏形态、变角空间桁架计算模型、受扭承戴力的计算方法、限制条件及配筋构造。
2．掌握弯剪扭构件的配筋计算方法及构造要求。
(九)钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性
1．掌握钢筋混凝土构件在第Ⅱ工作阶段中的基本品性，包括截面上与截面间的应力分布、裂缝开展的原理与过程、截面曲率的变化等以及影响这些品性的主要因素。
2．掌握裂缝宽度、截面受弯刚度的定义与计算原理以及裂缝宽度与构件挠度的验算方法。
3．熟悉截面延性的定义及受弯构件、偏心受压构件截面延性的计算原理。
4．熟悉混凝土结构耐久性的意义、主要影响因素、混凝土的碳化、钢筋的锈蚀以及耐久性设计的一般概念。
(十)预应力混凝土结构
1．熟练掌握预应力混凝土结构的基本概念、各项预应力损失值的意义和计算方法、预应力损失值的组合。
2．熟练掌握预应力轴心受拉构件各阶段的应力状态、设计计算方法和主要构造要求。
3．掌握预应力混凝土受弯构件各阶段的应力状态、设计计算方法和主要构造要求。
4．了解部分预应力混凝土构件及无粘结预应力混凝土构件的设计计算要点。
(十一)混凝土结构按我国《公路桥规》的设计原理
1．熟悉半概率法在混凝土公路桥结构设计中的应用。
2．掌握轴心受拉构件、轴心受压构件正截面强度按《公路桥规》的计算方法及主要构造要求。
3．熟练掌握受弯构件、偏心受压构件正截面强度按《公路桥规》的计算方法及主要构造要求。
4．熟练掌握矩形、T形、I字形等截面受弯构件斜截面受剪强度按《公路桥规》的计算方法、限制条件及配筋的主要构造要求。
5．熟悉钢筋混凝土构件的应力、裂缝与变形按《公路桥规》的验算方法。
6．掌握预应力混凝土轴心受拉构件与受弯构件按《公路桥规》的截面设计方法及主要构造要求。
三、课程教学基本内容
(一)绪论
1．混凝土结构的一般概念
(1)分类
(2)配筋的作用与要求
(3)主要优、缺点
2．混凝土结构的发展与应用概况
(1)发展概况
(2)在土木工程中的应用概况
(3)展望
3．学习本课程要注意的问题
(二)混凝土结构材料的物理、力学性能
1．钢筋
(1)钢筋的品种和级别
(2)钢筋的强度与变形
(3)钢筋应力一应变关系的数学模型
(4)冷加工钢筋的性能
(5)钢筋的疲劳性能
(6)混凝土结构对钢筋的要求
2．混凝土
(1)混凝土的基本强度指标(fcu、fc、ft)、单轴向受压时的应力一应变关系、轴向受压时的变形模量、轴向受拉时的应力一应变关系
(2)复合应力状态下混凝土的强度与变形(简述)
(3)混凝土的疲劳性能
(4)混凝土的徐变
(5)混凝土的收缩与膨胀
(6)高强度、高性能混凝土的主要物理、力学性能简介
3．混凝土与钢筋的粘结
(1)粘结的定义与重要性
(2)粘结力的组成
(3)保证可靠粘结的构造措施
(三)按概率理论的极限状态设计法
1．极限状态
(1)结构上的作用与荷载效应
(2)结构的抗力
(3)结构的功能要求
(4)设计基准期
(5)极限状态的概念与分类
(6)极限状态方程
2．按近似概率的极限状态设计法
(1)结构的可靠度
(2)可靠指标与失效概率
(3)目标可靠指标
3．实用设计表达式
(1)承载能力极限状态设计表达式
(2)正常使用极限状态设计表达式
(四)受弯构件正截面受弯承载力的计算
1．梁、板的一般构造
(1)梁、板的截面型式与尺寸
(2)混凝土强度等级的选择
(3)钢筋强度等级及常用直径
(4)混凝土最小保护层厚度
(5)纵向钢筋在梁截面内的布置
(6)纵向受拉钢筋的配筋百分率
2．梁的正截面受弯承载力试验结果
(1)适筋梁正截面受弯的三个受力阶段
(2)纵向受拉钢筋配筋百分率对正截面受弯破坏形态和受弯性能的影响
3．正截面承载力计算的基本假定及其应用
(1)正截面承载力计算的基本假定
(2)受压区混凝土应力的计算图形
(3)界限相对受压区高度
4．单筋矩形截面受弯构件的正截面受弯承载力计算
(1)基本计算公式
(2)基本计算公式的两个适用条件及其意义
(3)计算系数及其应用
(4)正截面受弯承载力计算的两类问题
5．双筋矩形截面梁的正截面受弯承载力计算
(1)双筋矩形截面的形成及纵向受压钢筋的强度设计值
(2)双筋矩形截面受弯承载力的基本计算公式
(3)双筋矩形截面梁正截面受弯承载力的截面设计方法
6．T形截面受弯构件的正截面受弯承载力计算
(1)T形截面的定义及翼缘计算宽度的取值
(2)T形截面受弯构件正截面受弯承载力的计算
(五)受弯构件斜截面承载力的计算
1．受弯构件斜截面承载力的一般概念
(1)斜裂缝的出现和开展
(2)斜截面受剪承载力与斜截面受弯承载力
(3)箍筋、配箍率及弯起钢筋
2．剪跨比及梁沿斜截面受剪的破坏形态
(1)剪跨比的概念
(2)斜截面的三种主要破坏形态
(3)保证斜截面受剪承载力的方法
3．斜截面受剪破坏的机理及主要影响因素
(1)斜截面受剪破坏的机理
(2)影响斜截面受剪承载力的主要因素
4．斜截面受剪承载力的计算公式与适用范围
(1)基本假定
(2)受压区混凝土承受的剪力
(3)箍筋与弯起钢筋承受的剪力
(4)斜截面受剪承载力的计算公式
(5)计算公式的适用范围
(6)连续梁斜截面受剪的性能与承载力计算
5．斜截面受剪承载力计算的方法和步骤
(1)计算截面的位置
(2)截面设计与截面复核两类问题的计算方法和步骤
6．保证斜截面受弯承载力的构造措施
(1)抵抗弯矩图的概念及绘制方法
(2)保证斜截面受弯承载力的构造措施
7．梁内钢筋的构造要求
(1)纵向钢筋的弯起、截断、锚固的构造要求
(2)箍筋的构造要求
(3)架立筋及纵向构造钢筋
(六)受压构件的承载力计算
1．受压构件的一般构造
(1)截面型式与尺寸
(2)材料的强度等级
(3)纵向钢筋的构造要求
(4)箍筋的构造要求
2．轴心受压构件正截面受压承载力计算
(1)轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算
(2)轴心受压螺旋箍筋柱的正截面受压承载力计算
3．偏心受压构件正截面的受力过程与破坏形态
(1)偏心受压构件正截面的受力过程
(2)偏心受压构件正截面的两种破坏形态
4．偏心受压构件的纵向弯曲影响
5．偏心受压构件正截面承载力的一般计算公式
(1)大、小偏心受压破坏形态的截面应力计算简图
(2)附加偏心距、初始偏心距、偏心距增大系数
(3)偏心受压构件正截面受压承载力的一般计算公式及其适用条件
6．不对称配筋矩形截面偏心受压构件正截面承载力的计算
7．对称配筋矩形截面偏心受压构件正截面承载力的计算
8．对称配筋I形截面偏心受压构件正截面承载力的计算
9．正截面承载力Nu-Mu相关曲线及其应用
10．双向偏心受压构件正截面承载力的计算
11．偏心受压构件斜截面受剪承载力的计算
(七)受拉构件承载力的计算
1．轴心受拉构件正截面承载力的计算
2．偏心受拉构件正截面承载力的计算
(1)大偏心受拉构件正截面承载力的计算
(2)小偏心受拉构件正截面承载力的计算
3．偏心受拉构件斜截面受剪承载力的计算
(八)受扭构件扭曲截面的受扭承载力计算
1．纯扭构件的试验研究
2．矩形截面纯扭构件的扭曲截面受扭承载力计算
(1)开裂扭矩的计算
(2)受扭承载力的计算
(3)配筋计算方法
3．弯剪扭构件的承载力计算
(1)试验研究与计算模型
(2)配筋计算方法、步骤
4．受扭构件的配筋构造要求
(1)箍筋的构造要求
(2)纵向钢筋的构造要求
(九)钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性
1．钢筋混凝土受弯构件的挠度验算
(1)截面受弯刚度的概念及我国《规范》给出的定义
(2)纵向受拉钢筋应变不均匀系数
(3)截面受弯刚度的计算公式
(4)影响截面受弯刚度的主要因素
(5)最小刚度原则与挠度验算
2．钢筋混凝土构件裂缝宽度验算
(1)垂直裂缝的出现、分布与开展
(2)平均裂缝间距
(3)平均裂缝宽度
(4)最大裂缝宽度及其验算
3．钢筋混凝土构件的截面延性
(1)延性的概念与意义
(2)受弯构件的截面曲率延性系数
(3)偏心受压构件截面曲率延性的分析
4．混凝土结构的耐久性
(1)耐久性的概念与主要影响因素
(2)混凝土的碳化
(3)钢筋的锈蚀
(4)耐久性设计
(十)预应力混凝土构件
1．预应力混凝土的基本概念
(1)预应力混凝土的原理
(2)预应力混凝土的分类
(3)张拉预应筋的方法
(4)预应力混凝土的材料
(5)锚、夹具与预应力设备概述
(6)先张法预应力锚固长度
2．张拉控制应力与预应力损失
(1)张拉控制应力
(2)各种预应力损失值
(3)预应力损失值的组合
3．后张法构件端部锚固区的局部承压验算
4．预应力混凝土轴心受拉构件的计算
(1)先张法轴心受拉构件各阶段的应力分析
(2)后张法轴心受拉构件各阶段的应力分析
(3)轴心受拉构件的承载力计算与抗裂度验算
(4)轴心受拉构件施工阶段的验算
5．预应力混凝土受弯构件的计算
(1)正截面受弯承载力计算
(2)正截面受弯抗裂度与裂缝宽度验算
(3)斜截面受剪承载力计算
(4)斜截面抗裂度验算
(5)挠度与反拱验算
(6)施工阶段的验算
6．部分预应力混凝土及无粘结预应力混凝土结构简述
7．预应力混凝土构件的构造要求
(1)一般要求
(2)先张法构件的构造要求
(3)后张法构件的构造要求
(十一)混凝土结构按我国《公路桥规》的设计原理
1．半概率极限状态设计法及其在《公路桥规》中的应用
(1)半概率法的概念。
(2)极限状态表达式
(3)材料的强度设计值
(4)荷载效应组合
2．《公路桥规》中的主要术语与符号
3．受弯构件正截面与斜截面强度的计算
(1)正截面受弯强度的计算
(2)斜截面受剪强度的计算
4．受压构件正截面强度计算
(1)轴心受压构件正截面强度计算
(2)不对称配筋矩形截面偏心受压构件正截面强度计算
5．受拉构件、正截面强度的计算
(1)轴心受拉构件正截面强度计算
(2)偏心受拉构件正截面强度计算
6．钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝与变形验算
(1)施工阶段的应力验算
(2)受弯构件的裂缝宽度验算
(3)受弯构件的挠度验算
7．预应力混凝土受弯构件的设计与计算
(1)概述
(2)预加力的计算与预应力损失值的估算
(3)预应力混凝土受弯构件的应力计算
(4)预应力混凝土受弯构件的强度计算
(5)端部锚固区计算
(6)变形验算
(7)预应力混凝土简支梁设计
四、实验内容
(一)矩形截面适筋梁的正截面承载力试验
(二)集中荷载下矩形截面简支梁的斜截面受剪承载力试验
(三)矩形截面偏心受压短柱的正截面承载力试验
五、前修课程要求
前修课程有：高等数学、概率论与数理统计、理论力学、材料力学、结构力学中的静定部分、土木工程材料等。
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