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1、电子教案湖南科技大学土木工程学院路桥系舒小娟 Tel:18975226551 QQ:254528003总 论 结构 设计 原理1. 什么叫结构,它包括哪些范畴？ 2. 设计是要作哪些工作？设计要达到怎样的要求？ 3. 原理，即结构设计依据的理论、遵循的原则 一般把构造物的承重骨架称为结构。 先修课程（1）材料力学单一材料杆件（2）建筑材料 0.1 结构分类按建筑材料分类 混凝土结构 素混凝土钢筋混凝土预应力混凝土钢结构 按受力情况分受弯构件（梁），受压构件（柱），受扭构件（扭杆），圬工结构 适用于中小跨径的拱桥、墩台、挡土墙、涵洞 、护坡等，以及低层房屋建筑中，木结构用作支架、临 时支护、模板
2、等构造。FRP混凝土圬工结构木结构组合结构混凝土结构 应用广泛，大 量应用于房屋、桥梁、水工 建筑中，约占现代结构的70 ，中国人人均年消耗混凝 土3t。钢结构材料 弹性模量大、强度高、可靠性好，便于机械化 施工；多应用于高层建筑、水工建筑、大跨径桥梁中组合受力构件 受拉构件（系杆、吊杆）受剪构件（深梁），节点构造（支座、 局部承压 区、铰结构），采用主体符号或带上、下标 的主体符号。如M， fs ， Ecf， fs主体符号：用斜体大、小写 字母；上、下标：用标号或小写正 体字母。 例外：l E力：N(牛顿) ，kN(千牛 )1kN=1000N ; 1kgf=10N 应力：N/mm2 或 MP
3、a(兆帕) 长度：mm , cm , m0.2 符号系统与计量单位* 1. 除应力单位外，有量纲的符号采用英文字母符号，主符号一般采用 相应英文首字母，如M-moment，Ttorsion, Hheight 2. 大多数无量纲的符号采用希腊字母标示，另外，应力符号采用希腊字 母。如 ， 0.3 学习中应注意的问题 本课程是一门专业技术基础课，是学习桥梁工程等课程的基础。 注重对结构分析设计中各种构件的理想特性的剖析，以求学者对结构 设计基本原理有清晰的概念理解。本课程重点内容是结构构件设计， 只要符合要求设计是可以多样化的； 有很多半经验半理论公式，须注意使用条件和适用范围； 要学会使用设计规
4、范；本书中涉及的部分我国现行规范: 1. 公路桥涵设计通用规范（ JTJ D60-2004） 交通部 2. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （JTG D62-2004 ）交通部3. 公路工程结构可靠度统一设计标准（GB/T 50283-1999）4. 普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T 50281-2002）5. 混凝土结构设计规范（GB500102002）第一章 钢筋混凝土结构概念及材 料钢筋混凝土结构的基本概念混凝土材料钢筋钢筋与混凝土之间的粘结1.1 混凝土结构的一般概念PP素混凝土梁承载 力小，破坏突然钢筋混凝土梁承载力大， 变形性能好，破坏有预告1.1.1 钢筋混凝土
5、梁PP钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋、钢筋网或钢筋 骨架的混凝土制成的结构。钢筋布置于受拉区在混 凝土开裂后代替混凝土 受拉.钢筋协助混凝土受压，减小构件断面尺寸，螺旋箍 筋使混凝土处于三向受压状态，提高其强度和延性。1.1.2 钢筋混凝土柱 可靠的粘结力PPPP无粘结，钢筋不能承载 ，不起作用思考题：两梁叠放，与两梁顶底相互完全粘结，那种情况承载力大？1.1.3 钢筋与混凝土柱共同工作机理 相近的温度线膨胀系数混凝土的温度膨胀系数约在(1.01.5) 10-5m/之间，钢筋的线膨胀系数为1.210 -5m /。 混凝土对钢筋的防腐蚀作用优点：耐久性好耐火性好整体性好可模性好就地取材节约
6、钢材阻止射线的穿透缺点：自重大易开裂耗模板施工受季节性影响隔热隔声性能差随着科学技术的不断发展 ，正逐渐被克服PP1.1.4 钢筋混凝土结构的优缺点1824年，英国人J. Aspdin 发明了波特兰水泥，有了混凝土； 1849年，法国人Joseph Louis Lambot 用水泥砂浆涂在钢丝网的两 面做成小船-最早的钢筋混凝土结构； 1861年，法国花匠J. Monier 用钢丝作为配筋制作了花盆并申请了专 利，后由申请了钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利-尽管他不懂钢 筋混凝土结构的受力原理，甚至将钢筋配置在板的中部，他却被认为 是钢筋混凝土结构的发明者； 1884年，德国人Wayss, Ba
7、uschingger和Koenen等提出了钢筋应配置 在构件中受拉力的部位和钢筋混凝土板的计算理论。后来，钢筋混凝 土结构逐渐得到了推广应用。1.钢筋混凝土结构的诞生1.1.5 钢筋混凝土结构的发展强度不断提高美国60年代混凝土抗压强度平均值：28MPa，70年代 ： 42Mpa，有特殊需要时： 40Mpa100Mpa，试验室中： 266 Mpa轻质混凝土的应用容重一般为：14kN/m318kN/m3(普通混凝土为24kN/m3)， 加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等无砂混凝土只有粗骨料，无细骨料FRP筋的应用用FRP筋代替钢筋2.材料的发展1.1.5 钢筋混凝土结构的发展3.
8、结构方面的发展PPPP预应力混凝土结构的应用在混凝土的受拉区施加预应力， 以提高混凝土结构的抗裂度，减轻构 件的自重结构体系的丰富不同用途、不同结构功能具有相 应的结构体系：混凝土结构、钢与混 凝土的组合结构、FRP混凝土及预应 力混凝土结构等1.1.5 钢筋混凝土结构的发展1.2 混凝土1.2.1 混凝土的强度承压 板试 块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于国标试验标准：标准试块尺寸（mm） ：150150 150标准试验方法：不涂润滑剂标准养护条件温度：20 2 湿度：95%试件龄期：28d压力试件裂缝 发展扩张整个体 系解体，丧失承载力另影响强度的因素 还有：龄期、加载速 率、试块尺寸等非
9、标准试块：100100 100 换算系数 0.95200200 200 换算系数 1.05标号（强度等级）：C15-C801. 立方体抗压强度fcu,k承压板试 块标准试块：150150 300 非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大 于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu (试验结果 )考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu 对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h=300），有fc=0.79fcu 圆柱体抗压强度2. 混凝土轴心抗压强度fc（棱柱体
10、抗压强度）1.2.1 混凝土的强度1.2.1 混凝土的强度直接受拉试验100100150150 500 试验结果：ft=0.395fcu 0.55考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速 度等的影响，取 ft=0.348fcu 0.55劈裂试验ftsddftsFFFF我国根据100mm立方体的 劈裂与抗压试验结果有：fts=0.19fcu 3/4ft=0.9 fts3.混凝土的抗拉强度ft4. 强度指标的确定强度随机变量强 度 标 准 值根据统计资料，运用数 理统计方法确定的具有 一定保证率（95%）的统 计特征值：强度标准值=强度平均值 -1.645均方差概率 密度材料强度强度 平均 值强度
11、 标准 值1.2.1 混凝土的强度5. 复合受力状态下混凝土的强度 双轴应力下的强度拉1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc压/fc/fc0.20.1-0.1 0.00.61.0单轴抗拉强度单轴抗压强度* 双向受压强度较单向受压有所提高，应力比约为2时强度提高最多，约25% 双向受拉，强度几乎较单向拉无变化；一向拉、一向压，强度下降。* 混凝土抗压强度随剪应力存在 而降低，抗剪强度因压应力水平 不同而变化1.2.1 混凝土的强度图- 法向应力和剪应力下的强度曲线图- 双向正应力下的强度曲线三向受压时的混凝土强度1=fcc1=fcc2= 3= fLfL-侧向约束压 应力（加液压
12、） 圆柱体 试验有侧向约 束时的抗 压强度无侧向约束时圆柱 体的单轴抗压强度6. 混凝土的疲劳强度图- 重复荷载下的应力-应变曲线破坏 fcf321疲劳强度 0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定加荷时混凝土的龄期，越 早，徐变越大水泥用量越多，水灰比 越大，徐变越大骨料越硬，徐变越小 影响徐变的因素0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)c0.5fc，线性徐变c0.8fc，非线性徐变creeecr1.2.2 混凝土的变形性能3. 混凝土的收缩混凝土的收缩-结硬过程中混凝土体积缩小的性质水泥品种：等级越高，收缩越大水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大骨料
13、：骨料越硬，收缩越小养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等1.2.2 混凝土的变形性能4. 混凝土的收缩徐变对结构的影响徐变 对混凝 土结构 的影响PAsPAs s1c1Ps2As s2P拆去，钢筋受压混 凝土受拉，可能会 引起混凝土开裂徐变：s， c收缩 对混凝 土结构 的影响AssAs s收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉As1.2.2 混凝土的变形性能1.2 钢筋上屈服点不稳定出现颈缩拉断ABBCDE下屈服点BC段为屈服平台CD段为强化段 0.2%0.2图- 有明显流幅的钢筋图- 无明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力- 应变曲线几乎相同* 明显流幅的钢筋：下 屈服点对应的强度作
14、为 设计强度的依据（钢筋 屈服后会产生大的塑性 变形，钢筋混凝土构件 会产生不可恢复的变形 和不可闭合的裂缝，以 至不能使用） * 无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强 度,随着冶金系统采用国际标准及质量的提高，在相应的产品标准中明确 规定屈服强度0.2不得小于极限抗拉强度b的85%（0.85b）。因此，实 际应用中可取极限抗拉强度b的85%作为条件屈服点 1.2.1 钢筋的强度与变形1.应力应变关系曲线2. 钢筋的力学参数指标弹性模量E屈服强度b变形指标* 伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值 * 冷弯要求：将直径为d的钢筋 绕直径为D的钢辊弯成一定的角 度而不发
15、生断裂 （见书图1-20 ）ABBCDEE：斜率屈服强度 ：下屈服 点0.2%0.2屈服强度： 条件屈服点1.2.1 钢筋的强度与变形3. 钢筋的成分、级别和品种 按化学成分碳素钢（铁、 碳、硅、锰、 硫、磷等元素 ）低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量0.250.6% ） 高碳钢（含碳量0.61.4% ）普通低合金钢 （另加硅、锰 、钛、钒、铬 等）锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系 按加工钢筋热轧钢筋：热轧光面钢筋HRB235，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400 ，余热处理钢筋RRB400冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成1.2.1 钢筋的强度与变形 按加工钢丝碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：若干根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成 按表面形状光圆钢筋变形钢筋l 钢筋的强度等级及应用范围非预应力钢筋：R235，HRB335，HRB400，KL400预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉 钢筋1.
