结构设计原理

1结构设计原理第一章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能1、钢筋混凝土结构的概念钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制成的结构。2、钢筋混凝土结构的优缺点①较好的耐久性，刚度大，变形小；②既可以整体现浇也可以预制装配，并且可根据需要浇制成各种形状与尺寸；③就地取材，降低建筑成本。3、混凝土的强度⑴混凝土立方体抗压强度以每边边长为150mm的立方体标准试件，在20℃±2℃的温度和相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28d，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值（以MPa为单位）作为混凝土的立方体抗压强度，用符号fcu表示。⑵混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）以150mm×150mm×300mm的标准试件，在20℃±2℃的温度和相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28d，依照标准制作方法和试验方法测得的棱柱体试件抗压强度值（以MPa为单位）作为混凝土的轴心抗压强度，用符号fc表示。⑶混凝土抗拉强度通过劈裂试验得到，比抗压强度低得多，用符号ft表示。4、一次单调加载试验测试的混凝土应力—应变曲线p13三个特征值：最大应力值fc及相应的应变值co以及D点的应变值5、有明显流幅的钢筋应力—应变曲线p216、粘结机理①光圆钢筋与混凝土之间的粘结力主要由摩擦力和咬合力提供；②带肋钢筋与混凝土之间的粘结力主要由钢筋表面凸起的肋纹与混凝土的机械咬合作用。第二章结构按极限状态法设计计算的原则1、结构的可靠度与可靠性结构可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。（安全性、适用性、耐久性）结构可靠度是结构可靠性的度量，指在规定的时间内，在规定的条件下，完成预期功能要求的概率。22、设计使用年限设计使用年限是设计规定的结构或结构构件不需要大修即可按预定目的使用的年限。3、结构的极限状态⑴承载能力极限状态：对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形或变位的状态。⑵正常使用极限状态：对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某些限值的状态。4、三种设计状况①持久状况②短暂状况③偶然状况5、结构上作用的分类①永久作用②可变作用③偶然作用6、正常使用极限状态计算时作用效应组合作用短期效应组合是永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合；作用长期效应组合是永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合。第三章受弯构件正截面承载力计算1、受弯构件的钢筋构造⑴截面配筋率是指所配置的钢筋截面面积与规定的混凝土截面面积的比值（化为百分数表达）。对于矩形截面和T形截面，其纵向受拉钢筋的截面配筋率（%）表示为=As/bh0箍筋配筋率为sv=Asv/bsv（bsv为沿梁长度方向的为箍筋间距）⑵混凝土保护层厚度是具有足够厚度的混凝土层，取钢筋边缘至构件截面表面之间的最短距离。2、梁内钢筋的种类与作用①纵向受拉钢筋：受拉或受压②弯起钢筋或斜钢筋：抗剪③箍筋：固定主钢筋、抗剪；使受拉钢筋与受压混凝土连成一体④架立钢筋：固定箍筋，形成钢筋骨架⑤水平纵向钢筋：形成牢固的钢筋骨架，抵抗混凝土收缩徐变3、梁内钢筋骨架及净距p52梁内钢筋常常采用骨架形式，一般分为绑扎钢筋骨架和焊接钢筋骨架两种形式。对于绑扎钢筋，当受力筋为三层及以下时，不小于30mm，同时不小于钢筋直径。若受力筋为三层以上时应不小于40mm及1.25倍的钢筋直径。3焊接钢筋，水平方向的净距同样应不小于40mm及1.25倍的钢筋直径。4、受弯构件正截面工作的三个阶段p54第Ⅰ阶段：没有裂缝；第Ⅱ阶段：带裂缝工作；第Ⅲ阶段：裂缝急剧开展，纵向钢筋应力维持在屈服强度不变。5、受弯构件正截面破坏形态p56①适筋梁破坏——塑性破坏受拉钢筋先屈服，受压区混凝土后压坏，破坏前有明显预兆——由于钢筋要经历较大的塑性变形，随之引起裂缝急剧开展和梁挠度的激增，为“塑性破坏”。②超筋梁破坏——脆性破坏超筋梁破坏始自混凝土受压区先压碎，即纵向受拉钢筋没有达到屈服，压区混凝土就压坏，表现为没有明显预兆的受压脆性破坏的特征。③少筋梁破坏——脆性破坏少筋梁破坏是受拉区混凝土一裂就坏。破坏始自受拉区混凝土拉裂，梁破坏时的极限弯矩Mu小于开裂弯矩Mcr。6、受弯构件正截面承载力计算的基本假定①截面假定②不考虑混凝土的抗拉强度③材料应力—应变物理关系7、单筋矩形截面承载力计算p62双筋矩形截面受弯构件计算p688、采用受压钢筋来承受截面的部分压力的特点是：不经济但变形性能好9、T形截面受弯构件⑴翼板位于受压区的T形梁截面，称为T形截面。⑵翼板的有效宽度bf’：（三者中取最小）p74①简支梁计算跨径的1/3；②相邻两梁的平均间距；③b+2bh+12hf’。当hh/bh时，取b+6hh+12hf’。⑶T形截面受弯构件计算p75第四章受弯构件斜截面承载力计算1、腹筋梁与无腹筋梁一般把箍筋和弯起（斜）钢筋统称为梁的腹筋。把配有纵向受力钢筋和腹筋的梁称为有腹筋梁；而把仅有4纵向受力钢筋而不设腹筋的梁称为无腹筋梁。2、无腹筋简支梁斜截面的三种破坏状态①斜拉破坏（m＞3）②剪压破坏（1≤m≤3）③斜压破坏（m1）3、剪跨比剪跨比是一个无量纲常数，用m=M/Vh0来表示，此处M和V分别为剪弯区段中某个竖直截面的弯矩和剪力，h0为截面有效高度。一般把这个表达式称为“广义剪跨比”。而集中荷载作用下，称m=a/h0为“狭义剪跨比”。4、影响受弯构件斜截面承载力的主要因素①剪跨比m②混凝土的抗压强度fcu③纵向受拉钢筋配筋率④配筋率和箍筋强度5、斜截面抗剪承载力⑴抗剪承载力Vu是由剪压区混凝土抗剪力Vc，箍筋所能承受的剪力Vsv和弯起钢筋所能承受的剪力Vsb所组成，即Vu=Vc+Vsv+Vsb。用Vcs来表达混凝土和箍筋的综合抗剪承载能力，则Vu=Vcs+Vsb⑵适用范围①上限值—截面最小尺寸设定上限值的目的在于防止斜压破坏。②下限值—按构造要求配置箍筋为了防止梁截面发生斜拉破坏，需保证箍筋必须满足构造要求。6、斜截面抗弯承载力弯起钢筋的弯起点至弯起钢筋强度充分利用截面的距离（S1）满足S1≥0.5h0，并且满足《公路桥规》关于弯起钢筋规定的构造要求，则可不进行斜截面抗弯承载力的计算7、弯矩包络图与抵抗包络图弯矩包络图沿梁长度各截面上弯矩组合设计值Md的分布图。抵抗包络图（又称抵抗承载力图），就是沿梁长各个正截面按实际配置的总受拉钢筋面积能产生的抵抗弯矩图，即表示各正截面缩具有的抗弯承载力。8、斜截面抗弯承载力复核的选择①距支座中心h/2（梁高一半）处的截面；②受拉区弯起钢筋处的截面，以及锚于受拉区的纵向钢筋开始不受力处的截面；③箍筋数量或间距有改变处的截面；④梁的肋板宽度改变处的截面。5第六章轴心受压构件的正截面承载能力计算1、钢筋混凝土轴心受压构件按照箍筋的功能和配置方式被不同分为两种：普通箍筋柱、螺旋箍筋柱。螺旋箍筋柱的作用是使截面中间部分（核心）混凝土成为横向可约束混凝土（约束混凝土），从而提高构件的承载力和延性。2、稳定系数钢筋混凝土轴心受压构件计算中，考虑构件长细比增大的附加效应使构件承载力降低的计算系数称为轴心受压构件的稳定系数，用符号表示。3、正截面承载力计算p142构造要求：普通箍筋柱中的箍筋必须做成封闭式，箍筋的直径应不小于钢筋直径的1/4，且不小于8mm。箍筋的间距应不大于纵向受力钢筋直径的15倍，且不大于构件截面的较小尺寸（圆形截面采用0.8倍直径）并不大于400mm。4、轴心受压柱的轴力—应变曲线p146第七章偏心受压构件的正截面承载力计算1、偏心受压构件当轴向压力N的作用线偏离受压构件的轴线时，称为偏心受压构件。2、偏心受压构件的破坏形态⑴受拉破坏——大偏心受压破坏当偏心距较大，且受拉钢筋配筋率不高时，偏心受压构件的破坏是受拉钢筋首先到达屈服强度，然后受压混凝土压坏，称为受拉破坏。⑵受压破坏——小偏心受压破坏p154受压区边缘混凝土的应变达到极限压应变，受压区混凝土被压碎；同一侧的钢筋压应力达到屈服强度，而另一侧的钢筋，不论是受拉还是受压，其应力均达不到屈服强度，破坏前构件横向变形无明显的急剧增长，这种破坏称为“受压破坏”。当≤b时，截面为大偏心受压破坏；当b时，截面为小偏心受压破坏。63、偏心受压构件的M-N曲线图p156图中a点表示纯弯构件的情况，c点代表轴心受压构件的情况。曲线上任一点d的坐标代表截面承载力的一种M和N的组合。如任意点e位于图中曲线的内侧，即未达到承载能力极限状态，构件安全；反之，承载力不足。3、附加弯矩或二阶弯矩一般把偏心受压构件截面弯矩中的Ne0称为初始弯矩或一阶弯矩（不考虑构件侧向变形时的弯矩），江Nu或Ny称为附加弯矩或二阶弯矩。4、偏心距增大系数ηη称为偏心受压构件考虑纵向挠曲影响（二阶效应）的轴向力偏心距增大系数。η=1+u/e05、偏心受压构件的正截面承载力计算的基本假定①截面应变分布符合平截面假定②不考虑混凝土的抗拉强度③受压混凝土的极限压应变cu=0.0033~0.003④混凝土压应力图形为矩形，应力集度为fcd，矩形应力图的高度x等于按平截面确定的受压区高度xc乘以系数，即x=xc6、初步判定大、小偏心受压当η≤0.3h0，可先按小偏心受压构件进行设计计算；当η0.3h0时，则可按大偏心受压构件进行设计计算7、对称配筋对称配筋是指截面的两侧用相同的钢筋等级和数量的配筋，即As=As’，fsd=fsd’，as=as’第九章钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形计算1、换算截面p202将钢筋和受压区混凝土两种材料组成实际截面换算成一种抗压性能相同的假想材料组成的匀质截面换算系数Es等于钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值，Es=Es/Ec2、截面应力验算①受压区混凝土边缘②受拉钢筋的面积重心处73、钢筋混凝土结构的裂缝产生的原因分类①由作用效应引起的裂缝（M、V、T以及拉力等）②由外加变形或约束变形引起的裂缝③钢筋锈蚀裂缝4、最大裂缝宽度计算方法和裂缝宽度限值p2115、变形（挠度）验算p212长期挠度的限值：①梁式桥主梁的最大挠度处l/600②梁式桥主梁的悬臂端l1/300（l为计算跨径，l1为悬臂长度）6、预拱度的设置p214当由作用（或荷载）短期效应组合并考虑作用（或荷载）长期效应影响产生的长期挠度不超过计算跨径L的1／1600时，可不设预拱度；反之，需设置预拱度。7、混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性是混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，长期保持材料性能以及安全使用和外观要求的能力。混凝土耐久性损伤现象主要是钢筋锈蚀和混凝土的劣化；产生的原因：混凝土碳化、氯离子侵蚀、混凝土冻融破坏第十章局部承压1、局部承压定义局部承压是指在构件的表面上仅有部分面积承受压力的受力状态。2、混凝土局部承压的特点①构件表面受压面积小于构件截面积；②局部承压面积部分的混凝土抗压强度比全面积受压时混凝土抗压强度高；③在局部承压区的中部有横向拉应力，这种横向拉应力可使混凝土产生裂缝。3、局部承压的三种破坏形态①先开裂后破坏（一般A/Al≤9）②一开裂即破坏（一般9＜A/Al≤36）③局部混凝土下陷（一般A/Al36）4、混凝土局部承压提高系数P23285、配置间接钢筋时的砼局部承压强度提高系数cor⑴当间接钢筋为方格钢筋网时，…不应少于4层钢筋网；⑵当间接钢筋为螺旋形钢筋时，…不应小于4圈。6、局部承压区的计算p234局部承压区的承载力计算；局部承压区截面尺寸验算第十二章预应力混凝土结构的概念及其材料1、预应力混凝土结构的概念这种由配置预应力钢筋再通过张拉或其他方法建立预应力的混凝土结构，称为预应力混凝土结构。基本原理：这种应力的大小和分布规律，能有利于抵消使用荷载作用下产生的拉应力，因而是混凝土构件在使用荷载作用下不致开裂，或推迟开裂，或者使裂缝宽度减小。P248图12-12、国内配筋混凝土结构的分类①全预应力混凝土构件——在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘不容许出现拉应力（不许消压），即≥1；②部分预应力混凝土构件——在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘出现拉