桥梁结构设计原理ppt课件

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1、 结构设计原理 课程简介 本课程是土木工程 道路与桥梁工程方向 专业的主干专业基础理论课 必修 本课程主要介绍钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构和圬工结构的各种基本构件受力特性 设计原理 计算方法和构造设计 1 知识目标 掌握钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构和圬工结构概念 构造及计算原理和计算方法 2 能力目标 能够应用所学知识进行简单构件截面设计 承载力计算及校核 能对简单的钢筋混凝土构件进行配筋计算 GENERALINSTRUCTIONALOBJECTIVE 总体教学目标 1 课堂教学 以选用的孙元桃主编的 结构设计原理 为首选教材 采用多媒体教学为主 结合板书的教学手段 2 课堂讨论 对知

2、识重点以及难点进行课堂讨论 3 课程设计 针对重点内容的课程设计 大作业 拟采用的教学方法 课前预习是关键 在学习本门课程之前同学们最好提前浏览教材 对即将要进行的课程有所熟悉 学习各环节要积极主动 听课 课堂讨论 课后作业 课程设计都要积极主动并且认真完成 勤奋学习的精神 学习本门课程以及今后事业成败的关键 学习方法 LEARNINGMETHOD 1 先行课程 建筑力学 道路建筑材料 本门课程必须是在学习了以上两门课程的基础之上进行的 2 后续课程 桥梁工程 学习本门课程是为了今后学习桥梁工程打下基础 桥梁工程是道桥专业非常重要的一门专业课 因此本课程的重要性可见一斑 与本门课程有关课程 主

3、要内容 COURSEMATERIALS 0总论 第一章钢筋混凝土材料的力学性能 第二章结构按极限状态法设计的原则 第三章钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算 第四章钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力计算 第五章钢筋混凝土受弯构件在施工阶段应力计算 第六章钢筋混凝土构件的变形与裂缝验算 第七章轴心受压构件承载力计算 第八章偏心受压构件承载力计算 第九章预应力混凝土结构的基本概念及材料 第十章受弯构件按承载能力极限状态设计计算 第十一章受弯构件按正常使用极限状态设计计算 第十二章预应力混凝土简支梁设计 第十三章圬工结构设计计算简介 课时分配 SCORINGSYSTEM 成绩评定 叶见曙主编 结构设计原理

4、 人民交通出版社 2005年12月中华人民共和国行业标准 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTGD62 2004 2004年 北京 人民交通出版社 中华人民共和国行业标准 圬工桥涵设计规范 2004年 北京 人民交通出版社 中华人民共和国行业标准 公路桥涵设计通用规范 JTGD60 2004 2004年 北京 人民交通出版社 REFERENCES 参考书目 学期第一课 课堂三不许 三必须 不许睡觉不许玩儿手机 听音乐不许说话必须按时上下课必须按时完成作业必须养成良好的生活习惯 课前提问 请问中国的 桥梁之都 是那个城市 这座城市是那年被评为中国的 桥梁之都 的 茅以升桥梁委员会200

5、5年年会认定 重庆是中国惟一的 桥都 重庆现有各类桥梁4500多座 主城嘉陵江和长江上已有大桥14座 数量和密度远远超过中国其他城市 建设密度和施工难度世所罕见 总论 结构设计原理三大学习任务 1 学会设计构件 确定合理截面尺寸 如 构件截面形状 大小等 了解构件的具体构造 为施工打基础 2 验算所设计构件可靠度 根据所设计构件的截面尺寸 在外部荷载已知的情况下 验算其承载力 稳定性 刚度 裂缝 3 为学习桥梁工程打好基础 结构组成及其分类 结构 建筑物中承受作用和传递作用的各个部件的总和称为结构 因此 结构是由若干基本构件组成 基本构件按受力特点分为 受拉构件受压构件受弯构件受扭构件 构件承

6、载力 承载力 构件抵抗破坏和抵抗变形的能力 影响承载力的因素有 1 组成材料的性质2 截面的几何形状3 截面尺寸4 受力特点及工作条件5 施工因素等 结构的分类 结构按照组成材料的分类 钢筋混凝土结构预应力混凝土结构圬工结构钢结构木结构结构设计原理的研究对象 就是组成桥梁结构的基本构件 梁 板 柱 各结构的特点及适用范围 国内外桥梁发展趋势 轻型化 标准化 机械化 三种结构特点对比 1 结构质量 预应力混凝土结构适用于大跨度结构 2 使用性能 延性 耐久性 耐火性钢筋混凝土结构好 钢结构强度高 3 建筑速度钢结构建筑速度最快 各种结构的适用范围 钢筋混凝土结构 应用最广泛 桥梁 涵洞 挡土墙

7、路面 房屋建筑 水工结构等预应力混凝土结构 多用于大跨度桥梁结构中圬工结构 砌筑拱圈 墩台 基础 挡土墙等结构 结构设计的原则及基本要求 设计原则 安全 适用 经济 美观设计要求 具有足够的可靠度 承载力 设计使用期内各构件有足够安全储备稳定性 结构及其构件在荷载作用下处于稳定的平衡状态 刚度 变形控制在运行范围内 耐久性 结构在设计基准期内不得过早发生破坏 第一章 钢筋混凝土材料的基本概念及力学性能 定义 钢筋混凝土是由两种力学性能不同的材料 钢筋和混凝土结合成整体 共同发挥作用的一种建筑材料 第一节钢筋混凝土结构的基本概念 一 素混凝土构件和钢筋混凝土构件受力和破坏形态比较 现将素混凝土梁

8、和配置钢筋的梁进行荷载试验 a 素砼梁极限荷载P 8kN由砼抗拉强度控制破坏形态 脆性 b 钢筋砼梁极限荷载P 36kN由钢筋受拉 砼受压而破坏破坏形态 延性 由此得出钢筋和混凝土结合的有效性 大大提高结构的承载力 结构的受力性能得到改善 荷载试验结果表明 例 一跨度为4m 跨中作用集中荷载的简支梁 梁截面尺寸200 300mm 混凝土为C20 如图所示 钢筋与混凝土合理的组合原则 钢筋混凝土结构不是钢筋和混凝土之间的任意组合 其组合的原则 发挥钢筋抗拉 抗压强度高的特点 发挥混凝土抗压强度高 而避免抗拉强度低的弱点 钢筋与混凝土长期共同工作的原因 1 混凝土结硬后 能与钢筋牢固地粘结在一起

9、传递应力 2 二者具有相近的线胀系数 不会由于温度变化产生较大的温度应力和相对变形而破坏粘结力 钢筋 st 1 2 10 5 混凝土 ct 1 0 1 5 10 5 3 呈碱性的混凝土可以保护钢筋 使钢筋混凝土结构具有较好的耐久性 钢筋混凝土结构的主要优缺点 优点 1 就地取材 节约钢筋 2 耐久性好 耐火性好 3 可模性好 便于结构型式的实现 4 现浇或装配整体式结构的整体性好 刚大 缺点 1 自重大g 25kN m3 轻骨料砼 2 抗裂性差 施加预应力 第二节混凝土 混凝土的组份 水泥 石 砂 水按一定的配合比制成不同等级的砼 骨料 水泥结晶体 水泥凝胶体 弹性变形的基础 塑性变形的基础

10、砼的强度及变形随时间 随环境的变化而变化 一 混凝土的强度 1 立方体抗压强度fcu 影响立方体强度的因素 试件尺寸 温度 湿度 试验方法 由于尺寸效应的影响 fcu 150 0 95fcu 100 fcu 150 1 05fcu 200 混凝土强度等级 用标准制作方式制成的150 150mm的立方体试块 在标准养护条件下养护28天 用标准试验方法测得具有95 保证率的抗压强度 常用等级 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C55 C60 C65 C70 C75 C80 2 轴心抗压强度fck 真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度 为消除端部约束的影响 用立方体强度

11、反映 考虑实际情况 施工状况 养护条件等 混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多 为抗压强度 3 轴心抗拉强度ftk 直接测试方法 间接测试方法 弯折 劈裂 考虑施工因素 取 二 混凝土的变形 混凝土的变形 体积变形 收缩 膨胀 受力变形 由荷载引起 一 混凝土的受力变形 1 混凝土在一次短期荷载作用下的的受力变形 曲线中最大应力值及其对应的应变值 应力 应变曲线形状 破坏时的极限应变值 A 0 cu a fcd C c c max 混凝土一次短期加荷时的应力 应变曲线 混凝土棱柱体一次短期加荷轴心受压应力 应变曲线 c 0 0008 0 003 计算时取0 002 0 max 上升段 max C

12、下降段 cu 0 002 0 006 有时可达0 008 规范取 cu 0 0033 几点说明 影响混凝土塑性变形大小的因素 加荷速度 荷载持续的时间 少于0 001s时变形为直线 混凝土短期受拉曲线特征 类似于受压曲线 区别在于曲率变化小 c 0 0001 0 00015 仅为受压极限应变的1 20 1 15 混凝土受拉易开裂 2 混凝土在多次重复荷载作用下的变形 如果我们将混凝土棱柱体试块加荷使其压应力达到某个数值 然后卸荷至零 并把这一循环多次重复下去 就称为多次重复荷载 我们通常把能使试件循环200万次或次数稍多时发生破坏的压应力称为混凝土的疲劳强度 用符号fp表示 0 5fcd BB

13、 弹性后效 OB 残余应变 3 混凝土在长期荷载作用下的变形 徐变 混凝土在长期荷载作用下 在荷载 应力 不变的情况下 变形 应变 随时间不断增长的现象 徐变规律 1 徐变与混凝土应力大小有关 应力越大 徐变越大 线性徐变初应力 c 0 5fcd 非线性徐变 c 0 5fcd 当 c 0 8fc 徐变发展最终导致破坏 0 8fc 作为混凝土的长期抗压强度 2 混凝土的徐变与时间参数有关 3 加荷龄期对混凝土徐变有重要影响 混凝土加载龄期越短 即混凝土越年轻 徐变越大 4 水泥用量越多 水灰比越大 徐变越大 5 混凝土集料愈坚硬 养护时相对湿度越高 徐变越小 受荷后3 4个月徐变发展最 45 5

14、0 全部徐变完成需要4 5年的时间 注意 徐变对结构的影响 使构件的变形增加 在截面中引起应力重分布 在预应力混凝土结构中引起预应力损失 4 混凝土的弹性模量 k c c ce cp h 原点弹性模量 1 7 1 6 割线模量 1 9 切线模量 弹性系数0 1 0 1 10 剪切模量 c ce cp 1 8 G 0 4Ec 二 混凝土的体积变形 混凝土在空气中结硬体积减小的现象 收缩 收缩的原因 凝缩 干缩 砼凝结硬化时化学反应产生 砼自由水蒸发产生 收缩的影响因素 水泥用量 集料质量 水泥强度等级 水灰比 混凝土振捣 养护湿度 收缩的危害 裂缝 第三节钢筋 一 钢筋的种类 按外形分 光圆钢筋

15、 带肋钢筋 钢丝 钢绞线 按钢料品种分 碳素钢 合金钢 低碳钢 软钢 中碳钢 高碳钢 硬钢 强度高可焊性差脆性大 碳素钢中添加少量的合金元素 从而改善了硬钢的不足 钢筋按照钢料品种分类 按生产工艺和加工条件分类 热轧光圆钢筋 热轧带肋钢筋 余热处理钢筋 冷轧带肋钢筋 钢丝 Q235 HRB335 HRB400 HRB500 KL400 CRB550 CBB650 CRB800 CRB970 CRB1170 按外形 光圆P 螺旋肋H 刻痕I 按加工状态 冷拉钢丝 消除应力钢丝 低松弛钢丝 普通松弛钢丝 二 钢筋的主要力学性能 钢筋的 曲线 比例极限 屈服强度 极限强度 fy ft e d 流幅

16、a b c oa 弹性阶段 a 比例极限 b 屈服强度 cd 强化阶段 0 2 0 2 d 极限强度 de 颈缩阶段 0 2 条件屈服强度 钢筋力学性能指标 对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度fy作为强度设计依据 对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度 0 2作为强度设计依据 屈服强度 极限强度 伸长率 冷弯性能 冷加工的方法 冷拉 冷拔 冷轧 冷加工的目的 改变钢材内部结构 提高钢材强度 节约钢筋 冷加工对钢材性能的影响 热处理是对某些特定型号的热轧钢进行淬火和回火处理 钢筋的冷加工和热处理 o 冷拉控制应力 N mm2 冷拉率 o a b c c d d 冷拉无时效 冷拉经时效 a b a 为冷拉 可采用冷拉控制应力和冷拉率控制 冷拉后可提高钢材的抗拉强度 但其屈服台阶变短 b 为冷拔 可同时提高钢材的抗拉和抗压强度 塑性降低很多 冷轧后 钢筋表面轧成带肋 强度与冷拔低碳丝接近 塑性要好一些 三 钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求 1 强度 屈服强度 极限强度 屈强比是衡量结构可靠性潜力的重要指标 屈强比小则可靠性高 但过小的屈强比使钢筋的有效利用率过低 故要适宜 2 塑性 防止结构脆