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21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理 主 编 许成祥 何培玲 副主编 张国栋 陈卫华 参 编 阖宝善 巩天真 闫肖武 主 审 彭少民 程 云 军 参 编 李 磊 张 军 内 容 简 介 本书根据全国高等院校土木工程专业指导委员会对土木工程专业学生的基本要求和审定的教学大纲 编写而成。全书分为 10 章，包括绪论；混凝土结构材料的物理和力学性能；混凝土结构设计的基本原 则；受弯构件正截面承载力的计算；受弯构件斜截面承载力的计算；受压构件承载力的计算；受拉构件承 载力的计算；受扭构件承载力的计算；钢筋混凝土构件变形、裂缝和耐久性；预应力混凝土结构构件。为 便于教学使用，各章开头均有教学提示和教学要求，章后附有思考题和习题。 本书可作为高等院校土木工程及相关专业的教学用书，也可用作继续教育的教材和土建设计、工程 技术人员的参考书。 图书在版编目CIP数据 混凝土结构设计原理/许成祥，何培玲主编. 北京北京大学出版社，2006.1 21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 ISBN 7-301-10449-9 Ⅰ. 混 Ⅱ. ①许 ②何 Ⅲ. 混凝土结构结构设计高等学校教材 Ⅳ. TU370.4 中国版本图书馆 CIP 数据核字2005第 160564 号 书 名混凝土结构设计原理 著作责任者许成祥 何培玲 主编 策 划 编 辑吴 迪 李昱涛 责 任 编 辑吴 迪 标 准 书 号ISBN 7-301-10449-9/TU0026 出 版 者北京大学出版社 地 址北京市海淀区成府路 205 号 100871 网 址 电 话邮购部 62752015 发行部 62750672 编辑部 62750667 邮购部 62752015 电 子 信 箱pup_6 排 版 者北京东方人华北大彩印中心 电话62754190 印 刷 者 发 行 者北京大学出版社 经 销 者新华书店 787 毫米1092 毫米 16 开本 20 印张 459 千字 2006 年 1 月第 1 版 2006 年 1 月第 1 次印刷 定 价28.00 元 21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 专家编审委员会 主 任 彭少民 副主任 按拼音顺序排名 陈伯望 金康宁 李 忱 李 杰 罗迎社 彭 刚 许成祥 杨 勤 俞 晓 袁海庆 周先雁 委 员 按拼音顺序排名 邓寿昌 付晓灵 何放龙 何培玲 李晓目 李学罡 刘 杰 刘建军 刘文生 罗 章 石建军 许 明 严 兵 张泽平 张仲先 21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 参编学校名单 21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 参编学校名单（按拼音排序，覆盖（按拼音排序，覆盖 26 个省市自治区）个省市自治区） 1 安徽理工大学 2 北京建筑工程学院 3 北京联合大学 4 长春工程学院 5 长江大学 6 长沙理工大学 7 东南大学 8 广州大学 9 贵州大学 10 桂林工学院 11 合肥工业大学 12 河北工业大学 13 河北建筑工程学院 14 河南大学 15 黑龙江科技学院 16 湖南城市学院 17 湖南大学 18 湖南工程学院 19 湖南工学院 20 湖南科技大学 21 华北电力大学 22 华北水利水电学院 23 华东交通大学 24 华中科技大学 25 淮阴工学院 26 黄石理工学院 27 江汉大学 28 江苏大学 29 江西科技师范学院 30 九江学院 31 昆明理工大学 32 丽水学院 33 辽宁工程技术大学 34 内蒙古科技大学 35 南昌工程学院 36 南昌航空工业学院 37 南华大学 38 南京工程学院 39 南京林业大学 40 南阳理工学院 41 宁波工程学院 42 三峡大学 43 山东交通学院 44 山西大学 45 上海大学 46 石河子大学 47 石家庄铁道学院 48 四川理工学院 49 太原理工大学 50 天津工业大学 51 天津商学院 52 武汉大学 53 武汉工程大学 54 武汉工业学院 55 武汉科技大学 56 武汉科技学院 57 武汉理工大学 58 西安建筑科技大学 59 西安科技大学 60 西北农林科技大学 61 西南交通大学 62 西南林学院 63 湘潭大学 64 孝感学院 65 浙江科技学院 66 中国地质大学 67 中南大学 68 中南林学院 69 重庆大学 70 株洲工学院 丛书总序丛书总序 我国高等教育发展迅速，全日制高等学校招生人数至 2004 年达到 420 万人，毛入学率 19，步入国际公认的高等教育“大众化”阶段。面临这大规模的扩招，教育事业的发展 与改革坚持以人为本的两个主体一是学生，一是教师。教学质量的提高是在这两个主体 上的反映，教材则是两个主体的媒介，属于教学的载体。 教育部曾在第三次新建本科院校教学工作研讨会上指出 “一些高校办学定位不明，盲 目追求上层次、上规格，导致人才培养规格盲目拔高，培养模式趋同。高校学生中‘升本 热’ 、 ‘考硕热’ 、 ‘考博热’持续升温，应试学习倾向仍然比较普遍，导致各层次人才培养 目标难于全面实现，大学生知识结构不够合理，动手能力弱，实际工作能力不强。 ”而作为 知识传承载体的教材，在高等教育的发展过程中起着至关重要的作用，但目前教材建设却 远远滞后于应用型人才培养的步伐，许多应用型本科院校一直沿用偏重于研究型的教材， 缺乏针对性强的实用教材。 近年来，我国房地产行业已经成为国民经济的支柱行业之一，随着 21 世纪我国城市化 的大趋势，土木建筑行业对实用型人才的需求还将持续增加。为了满足相关应用型本科院 校培养应用型人才的教学需求，从 2004 年 10 月北京大学出版社第六事业部就开始策划本 套丛书，并派出 10 多位编辑分赴全国近 30 个省份调研了两百多所院校的课程改革与教材 建设的情况。在此基础上，规划出了涵盖“大土建”六个专业土木工程、工程管理、 建筑学、城市规划、给排水、建筑环境与设备工程的基础课程及专业主干课程的系列教材。 通过 2005 年 1 月份在湖南大学的组稿会和 2005 年 4 月份在三峡大学的审纲会，在来自全 国各地几十所高校的知名专家教授的共同努力下，不但成立了本丛书的编审委员会，还规 划出了首批包括土木工程、工程管理及建筑环境与设备工程等专业方向的 40 多个选题，再 经过各位主编老师和参编老师的艰苦努力，并在北京大学出版社各级领导的关心和第六事 业部的各位编辑的辛勤劳动下，首批教材终于 2006 年春季学期前夕陆续出版发行了。 在首批教材的编写出版过程中，得到了众多的来自全国各地相关兄弟院校的领导和专 家的大力支持。于是，在顺利运作第一批土建教材的鼓舞下，北京大学出版社联合全国七 十多家开设有土木建筑相关专业的高校， 于 2005 年11月 26日在长沙中南林学院召开了 21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 （第二批） 组稿会， 规划了①建筑学专业； ②城市规划专业；③建筑环境与设备工程专业；④给排水工程专业；⑤土木工程专业道路、 桥梁、地下、岩土、矿山课群组近 60 多个选题。至此，北京大学出版社规划的“大土木建 筑系列教材”已经涵盖了“大土建”的 6 个专业，是近年全国高等教育出版界来唯一一套 完全覆盖“大土建”六个专业方向的系列教材，并会于 2007 年全部出版发行。 我国高等学校土木建筑专业的教育，在国家教育部和建设部的指导下，经土木建筑专 业指导委员会六年来的研讨，已经形成了宽口径“大土建”的专业发展模式，明确了土木 建筑专业教育的培养目标、培养方案和毕业生基本规格，从宽口径的视角，要求毕业生能 从事土木工程的设计、施工与管理工作。业务范围涉及房屋建筑、隧道与地下建筑、公路 II 与城市道路、铁道工程与桥梁、矿山建筑等，并且制定一整套课程教学大纲。本系列教材 就是根据最新的培养方案和课程教学大纲，由一批长期在教学第一线从事教学并有过多年 工程经验和丰富教学经验的教师担任主编，以定位“应用型人才培养”为目标而编撰，具 有以下特点 1 按照宽口径土木工程专业培养方案，注重提高学生综合素质和创新能力，注重加 强学生专业基础知识和优化基本理论知识结构，不刻意追求理论研究型教材深度，内容取 舍少而精，向培养土木工程师从事设计、施工与管理的应用方向拓展。 2 在理解土木工程相关学科的基础上，深入研究各课程之间的相互关系，各课程教 材既要反映本学科发展水平，保证教材自身体系的完整性，又要尽量避免内容的重复。 3 培养学生，单靠专门的设计技巧训练和运用现成的方法，要取得专门实践的成功 是不够的，因为这些方法随科学技术的发展经常在改变。为了了解并和这些迅速发展的方 法同步，教材的编撰侧重培养学生透析理解教材中的基本理论、基本特性和性能，又同时 熟悉现行设计方法的理论依据和工程背景，以不变应万变，这是本系列教材力图涵盖的两 个方面。 4 我国颁发的现行有关土木工程类的规范及规程，系 1999～2002 年完成的修订，内 容有较大的取舍和更新，反映了我国土木工程设计与施工技术的发展。作为应用型教材， 为培养学生毕业后获得注册执业资格，在内容上涉及不少相关规范条文和算例。但并不是 规范条文的释绎。 5 当代土木工程设计，越来越多地使用计算机程序或采用通用性的商业软件，有些 结构特殊要求，则由工程师自行编写程序。本系列的相关工程结构课程的教材中，在阐述 真实结构、简化计算模型、数学表达式之间的关系的基础上，给出了设计方法的详细步骤， 这些步骤均可容易地转换成工程结构的流程图，有助于培养学生编写计算机程序。 6 按照科学发展观，从可持续发展的观念，根据课程特点，反映学科现代新理论、 新技术、新材料、新工艺，以社会发展和科技进步的新近成果充实。更新教材内容，尽最 大可能在教材中增加了这方面的信息量。同时考虑开发音像、电子、网络等多媒体教学形 式，以提高教学效果和效率。 衷心感谢本套系列教材的各位编著者，没有他们在教学第一线的教改和工程第一线的 辛勤实践，要出版如此规模的系列实用教材是不可能的。同时感谢北京大学出版社为我们 广大编著者提供了广阔的平台，为我们进一步提高本专业领域的教学质量和教学水平提供 了很好的条件。 我们真诚希望使用本系列教材的教师和学生，不吝指正，随时给我们提出宝贵的意见， 以期进一步对本系列教材进行修订、完善。 本系列教材配套的 PPT 电子教案在出版社相关网站上提供下载。 21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 专家编审委员会 2006 年 1 月 目 录 第 1 章 绪论.......................................................1 1.1 混凝土结构的一般概念.........................1 1.2 钢筋和混凝土共同工作的可能性.........2 1.3 钢筋混凝土结构的分类.........................3 1.4 钢筋混凝土结构的特点.........................4 1.5 混凝土结构的发展概况 及工程应用............................................5 1.5.1 混凝土结构发展的 3 个 历史阶段 ....................................5 1.5.2 混凝土结构发展的概况及其 在工程中的应用.........................7 1.6 导学......................................................14 1.7 思考题..................................................16 第 2 章 混凝土结构材料的物理 和力学性能.......................................17 2.1 混凝土..................................................17 2.1.1 混凝土的强度...........................17 2.1.2 混凝土的变形...........................22 2.1.3 混凝土的选用原则...................29 2.2 钢筋......................................................29 2.2.1 钢筋的品种和级别...................29 2.2.2 钢筋的强度与变形...................31 2.2.3 钢筋的冷加工及塑性性能.......32 2.2.4 钢筋的疲劳特性.......................34 2.2.5 选用钢筋的原则.......................35 2.3 钢筋与混凝土之间的黏结...................35 2.3.1 黏结力 ......................................35 2.3.2 黏结机理 ..................................36 2.3.3 影响黏结性能的因素...............36 2.4 钢筋锚固与接头构造...........................37 2.4.1 钢筋锚固与搭接的意义...........37 2.4.2 钢筋锚固的长度.......................38 2.4.3 钢筋的连接 ..............................39 2.5 思考题 ..................................................40 2.6 习题 ......................................................41 第 3 章 混凝土结构设计的基本原则.......42 3.1 结构的功能要求和极限状态...............42 3.1.1 结构上的作用与作用效应.......42 3.1.2 结构的功能要求.......................43 3.1.3 设计基准期...............................43 3.1.4 结构的极限状态.......................44 3.1.5 结构的设计状况.......................45 3.1.6 极限状态方程...........................45 3.2 概率极限状态设计方法.......................46 3.2.1 结构可靠度...............................46 3.2.2 失效概率与可靠指标...............46 3.2.3 结构的安全等级.......................47 3.2.4 目标可靠指标...........................47 3.3 荷载的代表值.......................................48 3.3.1 荷载标准值...............................48 3.3.2 荷载准永久值...........................48 3.3.3 荷载频遇值...............................49 3.3.4 荷载组合值...............................49 3.4 材料强度的标准值和设计值...............49 3.4.1 钢筋强度的标准值 和设计值...................................49 3.4.2 混凝土强度的标准值 和设计值...................................49 3.5 概率极限状态实用设计表达式...........50 3.5.1 分项系数...................................50 3.5.2 承载能力极限状态 设计表达式...............................52 3.5.3 正常使用极限状态 设计表达式...............................54 3.6 思考题 ..................................................54 3.7 习题 ......................................................55 混凝土结构设计原理 VI VI 第 4 章 受弯构件正截面承 载力的计算.......................................56 4.1 梁板构造..............................................56 4.1.1 截面形状及尺寸.......................56 4.1.2 钢筋布置 ..................................58 4.2 试验研究分析 ......................................60 4.2.1 正截面工作的 3 个阶段...........60 4.2.2 正截面破坏的 3 种形态...........62 4.3 受弯构件正截面承载力 计算的原则 .........................................63 4.3.1 基本假定 ..................................63 4.3.2 基本方程 ..................................64 4.3.3 适筋和超筋破坏 的界限条件 ..............................66 4.3.4 适筋和少筋破坏 的界限条件 ..............................67 4.4 单筋矩形截面正截面承载力计算.......67 4.4.1 基本公式及适用条件...............67 4.4.2 截面设计 ..................................68 4.4.3 截面复核 ..................................70 4.4.4 计算表格的编制与应用...........72 4.5 双筋矩形截面正截面承载力计算.......74 4.5.1 基本公式及适用条件...............74 4.5.2 截面设计 ..................................75 4.5.3 截面复核 ..................................78 4.6 T 形截面正截面承载力计算...............79 4.6.1 概述 ..........................................79 4.6.2 计算公式及适用条件...............81 4.6.3 截面设计 ..................................82 4.6.4 截面复核 ..................................84 4.7 影响受弯构件正截面承载力 的因素分析..........................................85 4.8 深受弯构件正截面承载力 计算与构造要求..................................86 4.8.1 深受弯构件的特点及其 受力性能 ..................................86 4.8.2 深受弯构件正截面 承载力的计算...........................88 4.8.3 深受弯构件的构造要求...........89 4.9 思考题 ..................................................92 4.10 习题 ....................................................93 第 5 章 受弯构件斜截面承 载力的计算.......................................95 5.1 斜截面开裂前的受力分析...................95 5.2 无腹筋梁受剪性能...............................97 5.2.1 斜截面开裂后梁中 的应力状态...............................97 5.2.2 无腹筋梁剪切破坏形态...........98 5.2.3 影响无腹筋梁受剪 承载力的因素...........................99 5.2.4 无腹筋梁受剪承载力 的计算公式.............................100 5.3 有腹筋梁的受剪性能.........................101 5.3.1 箍筋的作用.............................101 5.3.2 有腹筋梁的受剪破坏形态.....101 5.3.3 仅配箍筋梁的斜截面 承载力计算公式.....................102 5.3.4 弯起钢筋.................................105 5.4 斜截面承载力计算 的方法和步骤....................................107 5.4.1 计算截面的位置.....................107 5.4.2 截面设计.................................107 5.4.3 截面复核.................................110 5.5 保证斜截面受弯承载力 的构造措施........................................111 5.5.1 抵抗弯矩图及绘制方法.........111 5.5.2 保证斜截面受弯承载力 的构造措施.............................113 5.6 梁内钢筋的构造要求.........................115 5.6.1 纵向钢筋的弯起、截断、 锚固的构造要求.....................115 5.6.2 箍筋的构造要求.....................118 5.6.3 架立钢筋及纵向 构造钢筋.................................119 5.7 连续梁受剪性能及其 承载力计算........................................119 5.8 思考题 ................................................123 目 录 VII VII 5.9 习题....................................................124 第 6 章 受压构件承载力的计算..............125 6.1 概述....................................................125 6.2 轴心受压柱正截面承载力计算.........126 6.2.1 配有纵筋和箍筋柱承 载力的计算 ............................127 6.2.2 配有纵筋和螺旋式钢筋柱 承载力的计算.........................135 6.3 偏心受压构件正截面 承载力的计算 ...................................139 6.3.1 偏心受压构件正截面 的破坏特征 ............................139 6.3.2 偏心受压构件 N-M 相关曲线 ................................143 6.3.3 偏心受压构件偏心距 增大系数 η .............................144 6.3.4 偏心受压构件正截面承载力 的计算原则 ............................148 6.3.5 不对称配筋矩形截面偏心 受压构件正截面承载力 的计算 ....................................154 6.3.6 对称配筋矩形截面偏心 受压构件正截面承载力 的计算 ....................................163 6.4 T 形和工字形截面偏心受压构件 正截面承载力的计算.........................165 6.4.1 不对称配筋偏心受压构件.....165 6.4.2 对称配筋偏心受压构件.........167 6.5 环形和圆形截面偏心受压构件.........170 6.6 双向偏心受压构件正截面 承载力的计算 ...................................173 6.6.1 基本计算公式.........................174 6.6.2 倪克勤简化计算公式.............176 6.6.3 直接设计的计算方法.............176 6.7 偏心受压构件斜截面 承载力的计算 ...................................181 6.8 受压构件的一般构造要求.................183 6.9 思考题................................................187 6.10 习题 ..................................................188 第 7 章 受拉构件承载力的计算..............190 7.1 概述 ....................................................190 7.2 轴心受拉构件正截面 受拉承载力........................................191 7.2.1 轴心受拉构件的受力 特征.........................................191 7.2.2 轴心受拉构件正截面受拉 承载力计算.............................192 7.3 偏心受拉构件正截面受拉 承载力 ...............................................192 7.3.1 小偏心受拉构件 的受力特征.............................193 7.3.2 小偏心受拉构件正截面 受拉承载力的计算.................193 7.3.3 大偏心受拉构件 的受力特征.............................194 7.3.4 大偏心受拉构件正截面受拉 承载力的计算.........................195 7.4 偏心受拉构件斜截面承载力.............196 7.5 思考题 ................................................197 7.6 习题 ....................................................197 第 8 章 受扭构件承载力的计算..............199 8.1 概述 ....................................................199 8.2 试验研究分析.....................................200 8.2.1 无腹筋构件.............................200 8.2.2 有腹筋构件.............................200 8.2.3 配筋箍量的影响..................201 8.3 纯扭构件承载力的计算.....................201 8.3.1 开裂扭矩的计算.....................201 8.3.2 纯扭构件的承载力.................202 8.3.3 计算公式的适用条件.............206 8.4 弯剪扭构件承载力的计算.................207 8.4.1 破坏形式.................................207 8.4.2 弯剪扭构件的承载力.............208 8.5 构造要求 ............................................210 8.6 协调扭转的设计.................................215 混凝土结构设计原理 VIII VIII 8.6.1 结构的扭转类型.....................215 8.6.2 协调扭转的简化 计算方法 ................................215 8.7 思考题................................................215 8.8 习题....................................................216 第 9 章 钢筋混凝土构件变形、 裂缝和耐久性................................217 9.1 变形和裂缝的计算要求.....................217 9.2 变形验算............................................217 9.2.1 钢筋混凝土受弯构件刚度.....218 9.2.2 受弯构件挠度验算.................223 9.3 裂缝宽度验算 ....................................226 9.4 混凝土结构的耐久性.........................234 9.4.1 混凝土结构耐久性的概念.....234 9.4.2 影响混凝土结构 耐久性的因素.........................234 9.4.3 提高混凝土耐久性的措施.....235 9.4.4 耐久性设计目的 和基本原则 ............................237 9.5 思考题................................................238 9.6 习题....................................................238 第 10 章 预应力混凝土结构构件...........239 10.1 预应力混凝土结构的基本 原理与计算规定 .............................239 10.1.1 预应力混凝土的概念...........239 10.1.2 预应力混凝土的分类...........240 10.1.3 预应力混凝土的材料...........243 10.1.4 锚具和夹具...........................244 10.1.5 预应力混凝土结构 的计算规定...........................247 10.1.6 预应力钢筋的传递长度 和锚固长度...........................255 10.2 预应力混凝土轴心受拉构件...........256 10.2.1 预应力混凝土轴心受拉 构件截面应力分析...............256 10.2.2 预应力轴心受拉构件 的设计...................................262 10.3 预应力混凝土受弯构件...................270 10.3.1 预应力混凝土受弯构件 的应力分析...........................270 10.3.2 预应力混凝土受弯构件 的承载力计算.......................277 10.3.3 预应力受弯构件的裂缝 控制验算...............................280 10.3.4 预应力混凝土受弯构件 的挠度验算...........................283 10.3.5 预应力混凝土受弯构件施工 阶段的验算...........................284 10.4 预应力混凝土的构造要求...............288 10.4.1 一般规定...............................288 10.4.2 先张法构件的构造要求.......289 10.4.3 后张法构件的构造要求.......290 10.5 思考题 ..............................................291 10.6 习题 ..................................................292 附录.....................................................................294 参考文献............................................................303 前 言 “混凝土结构
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