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1、结构设计原理部分第一章 钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能第一节 钢筋混凝土结构的基本概念一、工作机理1、钢筋与混凝土粘结力强，能很好地共同变形。2、温度线膨胀系数较接近。3、混凝土保护层可防止钢筋锈蚀。二、特点1、优点：耐久性好，刚度大，受荷变形小。可浇筑成任意任意形状，可预制也可现浇。主要材料为砂石，易就地取材，降低造价。2、缺点：截面尺寸较钢结构大，自重大，对大跨度不利。抗裂性差，带裂缝工件。施工受气候影响较大，耗木材较多。修补和拆除较困难。三、用途可用于桥梁、隧道、房屋、铁路、水工结构、海洋结构等。第二节 混凝土一、混凝土的强度1、混凝土的立方体抗压强度fcu,k以边长为15
2、0mm的立方体试件，在标准条件下（温度203，相对湿度为90%以上），养护28天，按标准试验方法测得的具有95%强度保证率的抗压强度值。（MPa）。混凝土立方体抗压强度与试验方法和试验尺寸有关。如涂润滑剂，强度降低；试验试件尺寸越小，强度越高。混凝土立方体抗压强度标准值又称强度等级。公路桥梁等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。对钢筋混凝土结构，混凝土C20，预应力混凝土结构，混凝土C40。2、混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）fc d、fc k 以边长为150mm150mm450mm的标准试件，按标准试验方法测
3、得的抗压强度值。3、轴心抗拉强度ft d、ft k轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的1/81/18。测定方法：直接测定法：两端预埋钢筋的长方体试件，施加拉力，试件破坏时的平均拉应力。间接测定法（如劈裂试验）立方体或圆柱体试件放在压力机上，通过垫条施加线荷载P，破坏时，在裂面上产生与该面垂直且均匀分布的拉应力。4、混凝土轴心抗压抗拉强度标准值与设计值（见表11）二、混凝土的变形混凝土的变形分受力变形和体积变形（一）混凝土的受力变形1、混凝土在一次短期荷载作用下的变形（应力应变曲线见右图） c0.2%m a x：应力应变曲线近似成线性关系。混凝土的变形主要取决于集料和水泥受压后的弹性变形。 0.2%
4、m a xc 0.75%m a x：塑性变形明显，混凝土中已产生微裂缝，并不断扩展。0.75%m a x c m a x：微裂缝继续扩展并相互贯通，塑性变形急剧增加。 c m a x：贯通裂缝扩展为纵向裂缝，混凝土抗力下降。fcu,k=m a x；cu=0.0020.006混凝土的塑性变形与加荷速度、持续时间有关。加荷速度越快，塑性变形越明显，持续时间越长，试件变形越大。2、混凝土在重复作用下的变形一次加载、卸载的应力应变曲线 多次重复荷载作用 疲劳强度fp指经受两百万次反复变形而破坏的应力。大小约为0.5 fcd，重复荷载越大，达疲劳破坏所需的循环次数越少。3、混凝土在长期荷载作用下的变形混
5、凝土的徐变指混凝土在长期荷载作用下（压力不变），应变随时间继续增长的现象。徐变的规律：徐变与混凝土的应力大小有关。应力越大，徐变越大。徐变与时间有关。 总变形=瞬变+徐变受荷后的前34个月，徐变发展最快，可达45%50%，徐变完成需45年。加载龄期的影响：龄期越短，徐变越大。水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大。集料越坚硬，养护时相对湿度越高，徐变越小。4、混凝土的弹性模量EcEc指应力应变曲线在原点处的切线斜率。（查表12）混凝土的剪切模量Gc=0.425Ec0.4Ec(二)混凝土的体积变形指混凝土的收缩与膨胀。混凝土的收缩容易产生裂缝。混凝土的收缩与水泥用量、水泥强度、水灰比有关，并与集料、
6、密实度、养护湿度有关。混凝土的收缩在最初半年内最大（约80%90%），有时收缩可延续一二十年。第三节 钢 筋一、钢筋的种类1、按钢筋外形可分为光圆钢筋、变形钢筋（螺纹、人字纹）、钢丝和钢绞线。2、按品种分为普通碳素钢、普通低合金钢。3、按生产工艺、机械性能和加工条件分为热轧带肋钢筋、热轧光圆钢筋、冷轧带肋钢筋、余热处理钢筋、钢丝五类。二、钢筋的主要力学性能（一）钢筋拉伸的应力应变曲线1、低碳钢（软钢）弹性阶段（OA段）应力与应变成比例增加，呈线性关系。A比例极限弹性模量Es=tana屈服阶段（AB 段）流幅或屈服台阶B B，低碳钢流幅长b屈服强度强化阶段（BC段）通过B点后，钢筋应力与应变值又
7、开始上升，钢筋开始强化。c抗拉极限强度。破坏阶段（CD段）通过C点后，钢筋应变急剧增加，产生颈缩现象，至D点钢筋断裂。在设计时，取屈服强度为设计强度。2、硬钢（中、高碳钢） 取残余应变为0.2%时的应力为屈服强度0.2 。 桥规规定：取0.2 =0.85b （二）钢筋的弹性模量（见表13）（三）钢筋的冷作硬化冷作硬化指对钢筋施加一个大于屈服强度而小于极限强度的应力，使钢筋屈服强度和抗拉极限强度都有所提高，但塑性和弹性模量降低。时效指将冷加工钢筋放置一段时间而逐渐硬化。时效：自然时效指冷加工钢筋在常温下放置1520天。 人工时效指冷加工钢筋加热至100200，保持12小时。（四）钢筋的标准强度和
8、设计强度（见表14）三、钢筋的弯钩、弯转和接头（一）弯钩1、受拉I级钢筋，两端设半圆弯钩。2、螺纹钢筋可不设弯钩，也可设直弯钩。3、轴心受压构件中纵向钢筋可不设弯钩。4、焊接钢筋网及焊接钢筋骨架可不设弯钩。5、弯钩半圆内径2.5d,螺纹钢筋直弯钩2.5d，弯钩端部留3d的直线段。（二）弯转在弯转处做成圆弧段，不能折，曲率半径10d，绑扎钢筋弯转后，如要折断，在弯钩端部要留有直线段。（三）接头出厂钢筋每条长约1012m，钢筋接长期可焊接也可绑扎。1、绑扎接头用铁丝绑扎，要保证搭接长度L d（见表16）2、焊接接头 焊接：闪光对焊两条钢筋直接对头接触电焊而成。 焊缝焊接需一定的搭接长度。冷拉钢筋应
9、在冷拉前进行焊接，冷拔低碳钢丝只能绑扎，接头应设在内力较小处。四、钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求1、强度屈服强度b，极限强度c屈强比b/c越小，结构可靠性高，但利用率降低。要选用合适的屈强比。2、塑性伸长率，冷弯性能，断面收缩率。3、可焊性能焊口附近不产生裂纹和过大的变形，有良好的机械性能。可焊性与含碳量及合金元素有关。碳、锰含量增加，可焊性降低。4、钢筋与混凝土的握裹力与钢筋的表面形状有关。5、寒冷地区，要考虑钢筋的冷脆性。第四节 钢筋与混凝土之间的粘结一、钢筋与混凝土的粘结力1、水泥浆凝结与钢筋表面之间的粘结力。2、混凝土收缩将钢筋裹紧产生的摩阻力。3、钢筋表面凸凹不平与混凝土之间的机械咬
10、合力。粘结力的测定：钢筋拔出试验 方法：将钢筋的一端埋入混凝土内，在另一端施力将钢筋拔出，钢筋表面单位面积上的粘结力即粘结强度Tn=式中：N拔出力； S周长； L钢筋埋入长度（mm）对受拉的带肋钢筋，粘结强度约2.56.0MPa，光圆钢筋约为1.53.5MPa。二、确保粘结强度的措施1、选用合适的混凝土标号。（混凝土标号越高，粘结强度越大）2、采用带肋钢筋。3、光圆受拉钢筋的端部做成弯钩。4、绑扎钢筋的接头必须有足够的搭接长度。5、保证钢筋周围有足够的混凝土保护层。（防止混凝土沿钢筋纵向产生劈裂裂缝）6、保证受力钢筋有足够的锚固长度。7、设一定数量的横向钢筋。作业：P21T4、5、10、11第
11、二章 结构按极限状态法设计的原则第一节 作用（荷载）与作用（荷载）组合一、作用及作用分类1、永久作用（恒载）2、可变作用（活载）3、偶然作用二、荷载代表值、荷载效应及设计值（一）荷载代表值1、荷载标准值：指设计时，采用的各种荷载的基本代表值。2、荷载准永久值：指在正常使用极限状态长期效应组合设计时，根据在足够长观测期内荷载任意点时概率分布的0.5分位值确定的代表值。（如汽车和人群荷载准永久值=0.4倍标准值）3、作用频遇值指在正常使用极限状态长期效应组合设计时，根据在足够长观测期内荷载任意点时概率分布的0.95分位值确定的代表值。（汽车荷载频遇值=0.7倍标准值；人群荷载频遇值=倍标准值）（二
12、）荷载效应与设计值荷载效应：指结构所受作用的反应。如弯矩、扭矩、位移等。设计值：指作用标准值分项系数（三）作用（荷载）效应组合指结构上几种作用分别产生的效应随机叠加。1、基本组合：1.2恒载+1.4汽车+1.40.8人群2、偶然组合：恒载+可变作用+偶然作用3、短期效应组合：恒+0.7汽车/(1+)+ 人群4、荷载长期效应组合：恒+0.4汽车/(1+)+ 人群第二节 极限状态法设计的基本概念一、结构的可靠性概念（一）结构的功能、可靠性、可靠度1、结构的功能安全性指在规定期限内，结构能承受各种作用，在偶然事件发生后，结构发生局部破坏，但不出现整体破坏和连续倒塌，仍能保持必须的整体稳定性。适用性指
13、在正常情况下，结构具有良好的工作性能，不发生过大的变形和振动。耐久性 指在正常维护下，结构能满足设计的预定功能要求。（不产生过大的裂缝）2、结构的可靠性和可靠度可靠性是安全性、适用性、耐久性的统称。指完成预定功能的能力。可靠度指度量结构可靠性的数量指标。即完成预定功能的概率。（二）设计基准期桥梁结构取100年。设计基准期越长，可靠度越高。结构使用年限超过设计基准期后，表明结构的失效概率会比设计预期值大，但并不等于结构丧失功能或报废。二、极限状态的基本概念（一）定义和分类1、定义：指当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态即为极限状态。2、分类：持久
14、状况：取设计基准期相同的时间。分承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计。短暂状况：指施工过程中承受临时性作用。分承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计。偶然状况：使用过程中偶然出现的状况（如地震力）。作承载能力极限状态设计。（二）承载能力极限状态当结构或构件出现下列状态之一时，认为超过了承载能力极限状态。1、结构或构件的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移等）2、结构构件或其连接，因超过材料强度而破坏。（如疲劳破坏），或因过大的塑性变形而不能继续承载。3、结构转变为机动体系。4、结构或构件丧失稳定（如压屈）。安全等级的划分：1、特大桥、重要大桥为一级，破坏后果严重，设计可靠度最高。2、大桥、中桥、重要小桥为二级，破坏后果严重，设计可靠度中等。3、小桥、涵洞为三级，破坏后果严重，设计可靠度较低。第三节 我国公路桥涵设计规范裁定的计算原则一、持久状况承载能力极限状态计算原则承载能力极限状态设计表达式0 SR（承载能力）S作用效应组合设计值。S=Gi,k
