混凝土结构设计原理答案

第2章-思考题2.1混凝土立方体抗压强度fcu,k、轴心抗压强度标准值fck和抗拉强度标准值ftk是如何确定的？为什么fck低于fcu,k？ftk与fcu,k有何关系？fck与fcu,k有何关系？答：混凝土立方体抗压强度fcu,k：以边长为150mm的立方体为标准试件，标准立方体试件在（20±3）℃的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土立方体抗压强度标准值。轴心抗压强度标准值fck：以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件，棱柱体试件与立方体试件的制作条件与养护条件相同，按照标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度作为混凝土轴心抗压强度标准值。轴心抗拉强度标准值ftk：以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗拉强度试验的标准试件，棱柱体试件与立方体试件的制作条件与养护条件相同，按照标准试验方法测得的具有95%保证率的抗拉强度作为混凝土轴心抗拉强度标准值。（我国轴心抗拉强度标准值是以轴拉试验确定，美国和加拿大是以劈拉实验确定）为什么fck低于fcu,k：我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的，试件在加载过程中横向变形就会受到加载板的约束（即“套箍作用”），而这种横向约束对于立方体试件而言可以到达试件的中部；由于棱柱体试件的高度较大，试验机压板与试件之间摩擦力对试件高度中部的横向变形的约束影响较小，所以棱柱体试件的抗压强度标准值fck都比立方体抗压强度标准值fcu,k小，并且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。ftk与fcu,k的关系：0.450.55,20.880.39511.645tkcukcff2c高强砼的脆性折减系数；变异系数。fck与fcu,k的关系：12,0.88ckcccukff1c棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比。2.2混凝土的强度等级是根据什么确定的？我国《混凝土结构设计规范》规定的混凝土强度等级有哪些？什么样的混凝土强度等级属于高强混凝土范畴？答：混凝土强度等级是根据立方体抗压强度标准值fcu,k确定的。我国《砼规》规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75以及C80共14个等级。其中C50~C80属于高强砼范畴。2.3某方形钢筋混凝土短柱浇筑后发现混凝土强度不足，根据约束混凝土原理如何加固该柱？答：通过沿该短柱全高密排箍筋、焊接环筋或者螺旋箍筋，然后在外围浇筑混凝土作为保护层。在柱子受轴向力产生侧向膨胀时，通过箍筋的约束作用对柱子侧向产生约束，以改善核心区混凝土的的受力性能。2.4单向受力状态下，混凝土的强度与哪些因素有关？混凝土轴心受压应力-应变曲线有何特点？常用的表示应力-应变关系的数学模型有哪几种？答：单向受力状态下，砼强度与试件大小、形状、试验方法、加载速率、养护条件以及是否涂润滑剂有关。砼轴心受压应力-应变曲线特点：分为上升段和下降段两个部分。上升段分为三个阶段，从加载至应力约为（0.3~0.4）0cf为第一阶段，由于此时应力较小，砼的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形；当应力再增大，则进入裂缝稳定扩展的第二阶段，至临界点，临界点的应力可以作为长期抗压强度的依据；此后，试件中所积蓄的弹性应变能保持大于裂缝发展所需要的能量，从而进入第三阶段，此阶段形成裂缝快速发展的不稳定状态直至峰值点，峰值应力通常作为砼棱柱体抗压强度的实验值0cf。下降段可分为两个阶段，第一阶段为峰值点至“拐点”，此时裂缝继续扩展、贯通，内部结构的整体受到越来越严重的破坏，赖以传递荷载的传力路线不断减少，试件的平均应力强度下降；超过“拐点”，则进入第二阶段，曲线开始凸向应变轴，此时只靠骨料间的咬合力以及摩擦力与残余承压面来承受荷载；当达到曲线中最大曲率点（即“收敛点”）时，贯通裂缝已经很宽，内聚力几乎耗尽，标指着砼试件已经破坏。常用的表示应力-应变关系的数学模型有：①美国E.Hognestad建议的模型：模型上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。②德国Rüsch建议的模型：模型上升段采用二次抛物线，下降段采用水平直线。2.5混凝土变形模量和弹性模量是怎么确定的？答：弹性模量：砼棱柱体受压时，在应力-应变曲线的原点作一切线，其斜率为混凝土的弹性模量。变形模量：连接应力-应变曲线中原点至曲线上任一点的割线的斜率称为变形模量。2.6什么是混凝土的疲劳破坏？疲劳破坏时应力-应变曲线有何特点？答：砼的疲劳破坏就是砼在重复荷载作用下发生的突然的、脆性的破坏。疲劳破坏时应力-应变曲线的特点：开始，砼应力-应变曲线凸向应力轴，在重复荷载作用过程中逐渐变成直线，再经过多次重复加载、卸载后，其应力-应变曲线由凸向应力轴而逐渐凸向应变轴，以致加载、卸载不能形成封闭环，随着重复荷载次数的增加，应力-应变曲线倾角不断减小，直至破坏。2.7什么是混凝土的徐变？徐变对混凝土构件有何影响？通常认为影响徐变的主要因素有哪些？如何减少徐变？答：结构或材料承受的应力不变，而应变随时间增长的现象称为徐变。徐变会使构件变形增加，刚度减小；在钢筋混凝土截面中引起应力重分布；在预应力混凝土结构中会造成预应力损失。影响徐变的因素主要有时间、加载应力、龄期、水泥用量、水灰比、骨料的弹模、养护条件、使用环境、形状、尺寸以及有无钢筋的存在。减小徐变的措施：避免构件处于高应力状态、增长养护的时间、减少水泥用量、控制水灰比、使用坚硬的骨料、保持养护和使用时高温高湿条件等。2.8混凝土收缩对钢筋混凝土构件有何影响？收缩与哪些因素有关？如何减小收缩？答：养护不好以及混凝土构件的四周受约束从而阻止混凝土收缩时，会使混凝土构件表面或水泥地面上出现收缩裂缝。影响收缩的因素：水泥的品种、水泥的用量、水灰比、骨料的性质、养护条件、混凝土的制作方法、使用环境以及构件的比表面积。减小收缩的措施：使用低强度水泥、减少水泥用量、控制水灰比、使用坚硬的骨料、保持养护和使用时高温高湿条件、浇筑混凝土时注意振捣密实、增大构件比表面积等。2.9软钢和硬钢的应力-应变曲线有何不同？二者的强度取值有何不同？我国《混凝土结构设计规范》中讲热轧钢筋按强度分为几级？钢筋的应力-应变曲线由哪些数学模型？答：软钢的应力-应变曲线由明显的屈服点和流幅，断裂时有颈缩现象，伸长率较大；硬钢没有明显屈服点和流幅。软钢在计算承载力时以下屈服点作为钢筋的强度，硬钢一般取残余应变0.2%所对应的应力（条件/名义屈服点）作为屈服强度标准值。《砼规》中热轧钢筋分为四级（300Mpa、335Mpa、400Mpa、500Mpa）。描述钢筋应力-应变曲线的模型：描述完全弹塑性的双直线模型、描述完全弹塑性加硬化的三折线模型以及描述弹塑性的双斜线模型。2.10国产普通钢筋有哪几个强度等级？牌号HRB400钢筋是指什么钢筋，它的抗拉、抗压强度设计值是多少？答：国产普通钢筋有300Mpa、335Mpa、400Mpa、500Mpa四个强度等级。牌号HRB400钢筋是指强度等级为400Mpa的普通热轧带肋钢筋，它的抗拉与抗压强度设计值均为360Mpa。2.11钢筋混凝土结构对钢筋的性能有哪些要求？答：足够的强度、良好的塑性、良好的可焊性、良好的机械连接性能、良好的施工适应性以及与混凝土有足够的粘结力。2.12光圆钢筋与混凝土的粘结作用是由哪几部分组成的，变形钢筋的粘结机理与光圆钢筋的有什么不同？光圆钢筋和变形钢筋的τ-s关系曲线各是怎么样的？答：光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由一下三部分组成：⑴钢筋与混凝土接触面上的胶结力；⑵混凝土收缩握裹钢筋产生的摩阻力；⑶钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。光圆钢筋的粘结力主要来自胶结力和摩阻力；变形钢筋粘结力主要来自机械咬合力。光圆钢筋的τ-s关系曲线大致分为三个阶段：第一阶段是无滑移阶段，此时钢筋与混凝土之间是靠胶结力作用，当钢筋与混凝土接触面发生相对滑移即消失；然后进入第二阶段，此时主要依靠钢筋与混凝土之间的摩阻力作用，随着作用在钢筋上拉力的增大，钢筋滑移量逐渐增大，刚度也随之减小，与之对应的是τ-s曲线斜率逐渐减小，钢筋表面的小晶粒在滑移过程中也发生剥落，粘结应力达到最大值；第三阶段是τ-s曲线的下降段，此时接触面上的混凝土细颗粒已磨平，摩阻力减小，滑移急剧增大，钢筋徐徐被拔出，标志着粘结已经失效。变形钢筋的τ-s关系曲线大致分为五个阶段：第一阶段仍然是无滑移阶段，产生滑移进入第二阶段，此时摩阻力与机械咬合力共同作用，钢筋的横肋会对肋间砼产生斜向挤压作用，至产生撕裂裂缝（后藤裂缝）即进入第三阶段，此时横肋的前锋面局部的一个区域砼被压碎成粉末，使得钢筋对砼的压应力方向更向外倾斜，该压力的环向分量会将未配置箍筋或保护层厚度不大的砼拉裂，产生环向裂缝，发生粘结劈裂而失效；若配筋以及保护层厚度足够，则进入第四阶段，此时横肋间的砼会被继续压碎，还可能形成次生裂缝，粘结应力达到最大值；继续前拉钢筋，横肋间的砼已经被完全压碎，仅靠砼与钢筋之间滑动摩擦力提供粘结力，随着拔出量增加，截面上砼已经被磨光滑，摩擦力逐渐减小，最后因滑移过大而失效。（τ-s曲线略）2.13受拉钢筋的基本锚固长度是指什么？它是怎样确定的？受拉钢筋的锚固长度是怎样计算的？答：受拉钢筋的基本锚固长度是保证受拉钢筋在达到屈服前不被拔出或者产生过大滑移而买入砼中的长度。基本锚固长度：yabtfldf锚固钢筋的外形系数；yf钢筋抗拉强度设计值；tf混凝土抗拉强度设计值；d受拉钢筋直径。锚固长度：aaabll-a锚固长度修正系数。第三章-思考题3.1混凝土弯曲受压时的极限压应变cu取为多少？答：混凝土弯曲受压时的极限压应变cu取为：因混凝土为弯曲受压，正截面处于非均匀受压，即存在应力梯度，cu的取值随混凝土的强度等级不同而不同，取为5,=0.0033(50)100.0033cucukf。3.2什么叫“界限破坏”？“界限破坏”时的s和cu各等于多少？答：“界限破坏”就是正截面上钢筋应力达到屈服的同时，受压区边缘纤维应变也恰好达到混凝土受弯时的极限压应变值；“界限破坏”时受拉钢筋拉应变为=/sysfE，受压区混凝土边缘纤维极限压应变为5,=0.0033(50)100.0033cucukf。3.3适筋梁的受弯全过程经历了哪几个阶段？各阶段的主要特点是什么？与计算或验算有何联系？答：适筋梁的受弯全过程经历了未裂阶段、裂缝阶段以及破坏阶段；未裂阶段：①混凝土没有开裂；②受压区混凝土的应力图形是直线，受拉区混凝土的应力图形在第I阶段前期是直线，后期是曲线；③弯矩与截面曲率基本上是直线关系；裂缝阶段：①在裂缝截面处，受拉区大部分混凝土退出工作，拉力主要由纵向受拉钢筋承担，但钢筋没有屈服；②受压区混凝土已有塑性变形，但不充分，压应力图形为只有上升段的曲线；③弯矩与截面曲率是曲线关系，截面曲率与挠度的增长加快；破坏阶段：①纵向受拉钢筋屈服，拉力保持为常值；裂缝截面处，受拉区大部分混凝土已经退出工作，受压区混凝土压应力曲线图形比较丰满，有上升段曲线，也有下降段曲线；②由于受压区混凝土合压力作用点外移使内力臂增大，故弯矩还略有增加；③受压区边缘混凝土压应变达到其极限压应变实验值0cu时，混凝土被压碎，截面破坏；④弯矩和截面曲率关系为接近水平的曲线；未裂阶段可作为受弯构件抗裂度的计算依据；裂缝阶段可作为正常使用阶段验算变形和裂缝开展宽度的依据；破坏阶段可作为正截面受弯承载力计算的依据。3.4正截面承载力计算的基本假定有哪些？单筋矩形截面受弯构件的正截面受弯承载力计算简图是怎样的？它是怎样得到的？答：正截面承载力计算的基本假定：①截面应变保持平面，即平均应变平截面假定；②不考虑混凝土的抗拉强度；③混凝土受压的应力与应变关系曲线按下列规定取用：当0c时（上升段）011/ncccf当0ccu时（水平段）ccf式中，参数n、0