结构设计原理

聂云靖

目录

  • 1 钢筋混凝土结构的概念及材料的物理力学性能
    • 1.1 概述
    • 1.2 钢筋混凝土结构的基本概念
    • 1.3 混凝土
    • 1.4 钢筋
    • 1.5 钢筋与混凝土之间的粘结
    • 1.6 本章学习指导与练习
    • 1.7 本章测验
  • 2 结构按极限状态法设计计算的方法
    • 2.1 概率极限状态设计法的概念
    • 2.2 我国《公路桥规》的计算方法
    • 2.3 作用、作用的代表值和作用组合
    • 2.4 材料强度的取值
    • 2.5 阅读材料:《公路工程结构可靠性设计统一标准》
    • 2.6 本章学习指导与练习
  • 3 受弯构件正截面承载能力计算
    • 3.1 受弯构件截面形式与构造
    • 3.2 阅读材料:《公路桥涵通用设计规范》
    • 3.3 受弯构件正截面受力全过程与破坏形态
    • 3.4 阅读材料:《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵通用设计规范》
    • 3.5 受弯构件正截面承载力计算原理
    • 3.6 单筋矩形截面受弯构件
    • 3.7 双筋矩形截面受弯构件
    • 3.8 T形截面受弯构件
    • 3.9 本章学习指导与练习
  • 4 受弯构件斜截面承载能力计算
    • 4.1 受弯构件斜截面的受力特点和破坏形态
    • 4.2 影响受弯构件斜截面抗剪承载力的主要因素
    • 4.3 受弯构件的斜截面抗剪承载力
    • 4.4 受弯构件的斜截面抗弯承载力
    • 4.5 全梁承载能力校核与构造要求
    • 4.6 本章学习指导与练习
    • 4.7 大作业
    • 4.8 大作业设计进度安排
  • 5 受扭构件承载能力计算
    • 5.1 纯扭构件的破坏特征和强度计算
    • 5.2 在弯、剪、扭共同作用下矩形截面构件的强度计算
    • 5.3 T形、箱形截面受扭构件及构造要求
    • 5.4 本章小结与测验
  • 6 轴心受压构件正截面承载能力计算
    • 6.1 配有纵向钢筋和普通箍筋的轴心受压构件
    • 6.2 配有纵向钢筋和螺旋箍筋的轴心受压构件
    • 6.3 本章小结与测验
  • 7 偏心受压构件正截面承载能力计算
    • 7.1 内容与要求
    • 7.2 偏心受压构件正截面受力特点和破坏形态
    • 7.3 偏心受压构件的纵向弯曲
    • 7.4 矩形截面偏心受压构件
    • 7.5 圆形截面偏心受压构件
    • 7.6 本章小结与测验
  • 8 受拉构件承载能力计算
    • 8.1 概述
    • 8.2 轴心受拉构件
    • 8.3 偏心受拉构件
    • 8.4 本章小结与测验
  • 9 钢筋混凝土受弯构件应力、裂缝和变形计算
    • 9.1 概述
    • 9.2 换算截面
    • 9.3 应力计算
    • 9.4 受弯构件的裂缝及最大裂缝宽度验算
    • 9.5 受弯构件的变形(挠度)验算
    • 9.6 混凝土结构的耐久性
    • 9.7 本章小结与测验
  • 10 局部承压计算
    • 10.1 局部承压的破坏形态和破坏机理
    • 10.2 混凝土局部承压强度提高系数
    • 10.3 局部承压区的计算
    • 10.4 本章小结与测验
  • 11 深受弯构件
    • 11.1 深受弯构件破坏形态
    • 11.2 深受弯构件设计计算方法
    • 11.3 桥梁墩台盖梁按深受弯构件的计算
    • 11.4 本章学习指导与练习
  • 12 预应力混凝土结构的概念及材料
    • 12.1 概述
    • 12.2 预加力的方法与设备
    • 12.3 预应力混凝土结构的材料
    • 12.4 预应力混凝土结构的三种概念
    • 12.5 本章小结与测验
  • 13 预应力混凝土受弯构件设计与计算
    • 13.1 受力阶段与设计计算方法
    • 13.2 预应力混凝土受弯构件承载能力计算
    • 13.3 预加力的计算与预应力损失的估算
    • 13.4 预应力混凝土受弯构件的应力计算
    • 13.5 预应力混凝土构件的抗裂验算
    • 13.6 变形计算
    • 13.7 端部锚固区计算
    • 13.8 预应力混凝土简支梁设计
    • 13.9 预应力混凝土简支梁计算示例
    • 13.10 阅读材料:30m预应力混凝土简支T梁桥标准图
    • 13.11 本章小结与测验
  • 14 部分预应力混凝土受弯构件
    • 14.1 部分预应力混凝土受弯结构受力特性
    • 14.2 允许开裂的部分预应力混凝土受弯构件的计算
    • 14.3 允许开裂的部分预应力混凝土受弯构件的设计
    • 14.4 构造要求
    • 14.5 本章学习指导与练习
  • 15 圬工结构的概念与材料
    • 15.1 圬工结构的概念
    • 15.2 圬工材料
    • 15.3 砌体强度与变形
  • 16 圬工结构构件承载力计算
    • 16.1 计算方法
    • 16.2 受压构件承载力计算
    • 16.3 局部承压以及受弯、受剪构件承载力计算
  • 17 课程实验
    • 17.1 课程实验大纲
    • 17.2 实验指导书
    • 17.3 实验视频
    • 17.4 实验阅读材料
    • 17.5 实验报告
    • 17.6 材料实测数据
    • 17.7 实验前准备工作
  • 18 基于桥梁博士的预制装配式钢筋混凝土简支梁的计算分析
    • 18.1 桥梁博士简介
    • 18.2 桥梁博士单梁建模流程
    • 18.3 桥梁博士基础操作
本章学习指导与练习

一、本章主要内容及学习要求

1、受弯构件的截面形式与构造

掌握受弯构件的主要构造,熟练掌握魂您图保护层厚度和纵向受力钢筋之间净距的要求。

理解和掌握划分单向板和双向板的方法,特别要搞清楚单向板的受力方向,这关系到受力钢筋的布置方位,如果在板截面配筋图中把受力主钢筋和分布钢筋的方位表示反了,将会导致板的抗弯承载力不足。

 2、受弯构件正截面受力全过程和破坏形态

受弯构件正截面承载力计算理论是建立在试验研究基础上的,因此应深刻理解正截面受弯的试验结果。通过试验得到两个重要结果,一是适筋梁正截面受弯的荷载-挠度曲线,二是梁正截面上的混凝土应变分布规律。

根据适筋梁正截面受弯的荷载-挠度曲线将其受力过程分为三个阶段,各阶段的受力特征包括梁的裂缝、挠度、钢度、钢筋应力的发展变化等等,对我们了解受弯构件正截面受力性能和后续的设计计算是至关重要的,因此学习中要求能正确绘制荷载-挠度曲线并能进行深入分析,概括出其变化规律。

 梁正截面上的混凝土平均应变沿高度的分布近似符合平截面假定,这一结论很重要,它是推导梁正截面上应力分布的前提,有了梁正截面上的应力分布,才能进一步推导出受弯构件正截面承载力计算的基本公式。

应深刻理解受弯构件三种破坏形态的特征和破坏性质,并分析得出设计时应控制设计适筋梁、尽量避免采用超筋梁、不允许采用少筋梁的重要结论。

3、受弯构件正截面承载力计算的基本原则

 正截面承载力计算的基本假定是推导出正截面承载力计算公式的前提条件。受压区混凝土等效矩形应力图是为了简化设计计算引入的。要搞清楚受压区实际高度 、受压区计算高度、受压区相对高度ξ的不同和三者之间的换算关系。

正截面承载力计算公式是根据正截面承载力计算图式推导得来的。在计算中用到基本公式时,并不需要死记硬背,要学会分析截面的受力情况,绘出计算简图,然后根据力和力矩的平衡方程自行推导出计算公式。掌握了这种方法,将有助于今后进行复杂受力构件的承载力计算。

  梁最小配筋率的确定原则是:采用最小配筋率的钢筋混凝土梁正截面承载力等于同样截面尺寸、同样材料的素混凝土梁正截面的开裂弯矩。

 4、单筋矩形截面受弯构件计算

 熟练掌握单筋矩形截面受弯构件的正截面承载力计算方法,包括截面设计与截面复核的方法;要掌握在计算中不满足某个使用条件时应采取何种措施进行处理。要注意设计计算完成后应选配钢筋并按比例绘制配筋图,这一过程中要考虑的因素较多,如保护层厚度,钢筋的净距要求等,对于初学者来说需要一个熟悉的过程,随着练习次数的增多,会越来越得心应手。

另外要注意的是,进行截面设计时,在满足设计要求的前提下可以有多种设计方案,如所选截面尺寸偏大,则配筋率偏小;截面尺寸偏小,则配筋率偏大。此时为了优化设计,可参考经济配筋率指标,即当纵配筋率控制在经济配筋率范围内时,构件的造价较低。

 5、双筋矩形截面受弯构件计算

  双筋截面的使用场合主要有两个:一是在截面承受的弯矩组合设计值较大,采用单筋截面出现,而梁截面尺寸受到使用条件限制或混凝土强度又不宜提高的情况下;二是当截面承受异号弯矩时。虽然配置受压钢筋协助混凝土受压不经济,但是双筋截面具有延性较好的优点,对构件抗震有利。另外,受压钢筋可以抑制混凝土的徐变,使构件的长期变形较小。

  双筋截面的设计计算与单筋截面类似,其中要重点理解的是正截面破坏时受压钢筋的应力取值,其值与受压区高度x有关。因此在计算中要根据受压区高度x判断受压钢筋的应力是否能达到屈服,对未能达到屈服的情况采取相应措施。

 6、T形截面受弯构件计算

 实际工程中各种复杂或异形截面都可等效为T形截面进行设计,应熟练掌握T形截面受弯构件的正截面承载力计算方法,包括截面设计与截面复核的方法及适用条件。理解T形截面翼缘板有效宽度的含义及其确定方法。

二、本章难点及学习指导

 1、受弯构件是指主要承受弯矩和剪力作用的构件。根据第2章所述钢筋混凝土结构设计原则,受弯构件必须满足安全性要求,即进行承载能力极限状态计算,其中包括两个内容:一是在弯矩作用下产生正截面破坏,需进行正截面承载力计算;二是在弯矩和剪力共同作用下产生斜截面破坏,需进行斜截面承载力计算。本章学习第一部分内容,第二部分内容将在下一章学习。

    受弯构件除了满足安全性要求外,同时还必须满足适用性和耐久性要求,即进行正常使用极限状态计算,这一内容将在第9章中讨论。

  2、除了第1点中所述的各项计算必须通过以外,受弯构件还必须满足一系列构造要求,对这些构造要求处理不当是导致工程事故的一个重要原因。因此,采取合理的构造措施是至关重要的,它是使构件能安全承载和具有实用性及耐久性的可靠保证,在学习中要引起足够重视。在学习这一部分时,因为是第一次接触类似内容,所以会让人产生内容繁杂是印象,学习中重在理解规定各种构造要求的原因,具体的构造要求在今后的例题和习题中应用次数多了,自然会慢慢熟悉和掌握,掌握了这些知识对今后的工作也大有裨益。

   3、受弯构件正截面上各阶段的应力分布图是根据平截面假定和材料的应力-应变关系推导出来的,它反映了梁各阶段正截面受拉区、受压区混凝土的应力,钢筋应力,受压区高度的变化规律,其中第Ⅰ阶段末的应力分布图是计算梁开裂弯矩的依据;第Ⅱ阶段的应力分布图是计算梁的裂缝宽度和挠度的依据;第Ⅲa阶段的应力分布图是计算梁正截面承载力的依据。

  4、适筋梁和超筋梁的判别条件。在适筋、超筋、界限破坏时的截面应变分布图中,直观地展示出了三种破坏间的几何关系。截面受弯破坏时受拉钢筋的应变大小与受压区高度直接相关,受压区高度越小,则受拉钢筋的应变越大,受拉钢筋可能达到屈服,发生适筋破坏的可能性越大,因此可由受压区高度直接判断截面发生何种破坏。

 5、双筋截面中的受压钢筋应力取值。钢材本身受拉和受压时的屈服点是一样的,当用作受压钢筋时,截面破坏时钢筋的应力取决于其应变的大小。根据变形协调条件,受压钢筋的应变与距中性轴同一高度处混凝土的应变相同,因此可由截面上的应变关系图求出,其值与受压区高度x有关。当x大于等于两倍的受压钢筋重心到梁顶的距离,受压钢筋的压应变等于0.002,则HPB300、HRB400和RRB400级钢筋均能达到屈服。对于屈服点大于400MPa的钢材,由于应变的限制,其应力达不到材料的屈服点,即材料自身强度不能得到充分发挥,抗压设计强度只能取为压应变为0.002时的压应力

    对于上述问题应深刻理解,今后在受压构件和预应力构件的学习中还将遇到这一问题,其中的道理是一样的。