结构设计原理2014年.10.30

结构设计原理,土木工程学院桥梁教研室 曹国辉,课程的地位和任务,地 位: 结构设计原理课程是土木工程、道路桥梁与渡河工程专业一门主要的专业基础课程，也是学习和掌握桥梁工程及道路人工构造物设计的基础。 主要任务：讨论钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、圬工结构、钢结构基本构件的受力性能、计算方法和构造要求等 ，为学习后续课程（桥梁工程）打下坚实的基础。 * 本课程在性质上相当于 各工程结构“材料力学”，但它既与材料力学有不少相似之处，又有很多不同的地方。在学习本课程时要着重从它与材料力学的不同方面来掌握结构的材料特点。,课程的要求,掌握混凝土结构、预应力混凝土结构、圬工结构的基本理论、设计计算方法和构造原则，达到具有进行工程结构设计和解决工程问题的初步能力。,绪论,主要内容： 介绍工程结构基本概念； 各工程结构的特点及使用范围； 学习本课程需注意的问题。,要求,掌握各工程结构的一般概念及特点 了解本课程的主要内容、要求和学习方法,0.1 工程结构基本概念,结构：构造物的承重骨架组成部分的统称 （例如，桥梁的桥跨、墩台及基础组成的承重体系） 按其使用建筑材料的种类，可分为：,结构,混凝土结构（包括素混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土结构）,钢结构,木结构,圬工结构（砖结构、石结构和混凝土砌体结构的总称）,0.2 各工程结构的特点及使用范围,钢筋混凝土结构,特点： 优点：适用性强、 就地取材、耐久性好、耐火性好、整体性好、可模性好 缺点：自重大、抗裂性差、耗模板、施工受季节性影响、 隔热隔声性能差 应用： 房屋建筑、地下结构、桥梁、隧道、水利、港口等,根据构件的受力特征在混凝土构件的适当部位配置受力的普通钢筋的结构,如何克服？,0.2 各工程结构的特点及使用范围,特点： 优点：抗裂性好、结构刚度大、挠度小、自重轻、疲劳性能好 缺点：单价高、施工机械设备要求高、工序多、设计计算复杂 应用： 房屋、铁道、公路、桥梁、水利、通讯、海洋工程等,为解决钢筋混凝土结构在使用阶段容易开裂问题而发展起来的结构,预应力混凝土结构,0.2 各工程结构的特点及使用范围,圬工结构,用胶结材料将砖、天然石料等块材按一定规则砌筑而成整体的结构,特点： 优点：就地取材、耐久性好 缺点：自重大、施工机械化程度低 应用：中小跨径的拱桥、桥墩（台）、挡土墙、涵洞、道路护坡等,0.2 各工程结构的特点及使用范围,钢结构,由钢厂轧制的型钢或钢板通过焊接或螺栓等连接组成的结构,特点： 自重轻、弹性模量高、可靠性高、机械化程度高、施工效率高 应用： 大跨径的钢桥、城市人行天桥、高层建筑、钢闸门、海洋钻井采油平台钢屋架、除此以外还常用于钢模板等临时施工结构。,0.3 学习本课程应注意的问题,先修课程有材料力学结构力学及建筑材料，注意本课程与相关课程尤其是材料力学结构力学课程的异同点，正确运用已有的力学知识解决实际问题。 一些材料的强度和变形规律建立在试验研究的基础之上，目前还缺乏完善的理论体系。某些计算公式不能有严密的逻辑推导得出，只能由试验结果回归而成。学习和应用时要注意思维方式的转变，要正确理解公式的本质，特别注意公式的使用条件及适用范围。 结构设计单靠理论分析还不够，还要辅以一定的构造措施，才能保证安全可靠。 在学习本课程中要学会应用设计规范。,结构设计原理,第一章 钢筋混凝土的基本概念及材料的物理力学性能,1.1 混凝土结构的基本概念,1、混凝土结构,素混凝土结构,钢筋混凝土结构,预应力混凝土结构,以砼为主要材料制作的工程结构,无钢筋或不配置受力钢筋的砼制成的结构。只用于承重压应力结构，如道路表层和刚性基础等,根据构件的受力特征在混凝土构件的适当部位配置受力的普通钢筋的结构,配置预应力钢筋，再经过张拉或其他方法建立预加应力的砼制成的结构,1.1 钢筋混凝土结构的基本概念,2、素混凝土梁和配置钢筋的梁对比荷载试验,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，破坏有预兆,2、素混凝土梁和配置钢筋的梁对比荷载试验,钢筋混凝土结构（构件）,拉压性能均好,抗压性能好,利用混凝土抗压，钢筋受拉（亦可受压）,2、素混凝土梁和配置钢筋的梁对比荷载试验：,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,混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形 。,两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：1.0×10-51.5 ×10-5，钢筋： 1.2 ×10-5 。,混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化 。,3、混凝土和钢筋共同工作的原因,1.2 混凝土,混凝土的强度,1.2.1 混凝土的强度,重复荷载下的疲劳强度,均由试验方法得到,三向受压,强度指标的确定,强度,随机变量,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,立方体抗压强度fcu,我国规范的方法：不涂润滑剂,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,衡量砼强度的主要指标,立方体抗压强度fcu,规范规定用边长为150mm的标准立方体试块，在标准养护室（温度20±2，相对湿度不小于95%）养护28天后，以大约每秒0.50.25N/mm2的速度在试验机上加压至破坏，所测得的单轴抗压强度(以MPa为单位)，用符号fcu表示。,立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标,立方体抗压强度fcu,标准试块：150×150 ×150,非标准试块：100×100 ×100 换算系数 0.95 200×200 ×200 换算系数 1.05,混凝土强度等级,按砼立方体抗压强度标准值划分的强度级别，采用符号C与立方体抗压强度标准值（以N/mm2）表示。,14个等级：C15, C20, C25, C30, C35, C40, C45, C50, C55, C60, C65, C70, C75, C80.,轴心抗压强度fc（棱柱体抗压强度）,* 棱柱体试件的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力情况，故棱柱体抗压强度是实际受压构件混凝土抗压强度的取值依据。,轴心抗压强度fc（棱柱体抗压强度）,标准试块：150×150 ×300,非标准试块：100×100 ×300 换算系数 0.95 200×200 ×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) 。,抗拉强度fct,直接测试方法（直接受拉试验）,间接测试方法(弯折，劈裂试验),试验方法,混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度1/8 1/18。,误差大、影响因素多,常采用,抗拉强度fct,直接受拉试验,试验结果：ft=0.395fcu 0.55 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,抗拉强度fct,劈裂试验,我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有： fts=0.19fcu 3/4,复合受力状态下混凝土的强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,复合受力状态下混凝土的强度,三向受压时的混凝土强度,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,工程应用：密配螺旋箍筋、钢管砼,侧压力效应系数,1.2.1 混凝土的变形,混凝土的变形,单调、短期加荷的变形,标准棱柱体短时加载试验,混凝土受压时应力应变关系曲线,峰点C,临界点B,拐点D,收敛点E,fc,0,0,比例极限A,cu,F,0.30.5fc,0.750.9fc,砼轴心受压应力应变曲线的主要影响因素,砼的强度： 强度 延性 应变速率： 速率 max cu 横向约束 ： 配箍率增加，间距加密 0 ，cu 测试技术和试验条件,混凝土的弹性模量,原点切线模量（弹性模量）,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,混凝土的弹性模量的试验方法（150×150×300标准试件）,510次,统计分析，得经验公式,混凝土的泊松比与剪切模量,2、混凝土剪切模量,1、泊松比c,混凝土横向应变与纵向应变的比值。随应力增大而增大。,当,规范取,由弹性理论求出：,把,代入得,G = 0.417Ec,规范取 G = 0.4Ec,长期荷载作用下的变形 -徐变,徐变： 混凝土在受到荷载作用后，在荷载(应力) 不变的情况下，变形(应变)随时间而不断增长的现象。,徐变的时间：6个月完成大部分；一年趋于稳定，三年完成。（建筑物维修期一年）,长期荷载作用下的变形 -徐变,徐变的原因： 胶凝体的粘性流动（应力不大时） 混凝土内部微裂缝的不断发展（应力较大时）,长期荷载作用下的变形 -徐变,徐变的影响因素： 内在因素 混凝土的组成和配比。骨料的刚度越大，体积比越大，徐变就越小；水灰比越小，徐变也越小。 环境影响养护条件和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，徐变就越小；受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。 应力条件 初应力水平ci /fc 和加荷时混凝土的龄期 t0，是影响徐变的主要因素。,长期荷载作用下的变形 -徐变,徐变的性质,线性徐变：初应力 c0.5fc 徐变与初应力呈正比，徐变系数为常数。,非线性徐变：初应力 c 0.5fc 徐变最终仍收敛，但徐变系数随ci的增大而增大。,徐变将不收敛。 当c 0.8fc ，徐变发展最终导致破坏。,混凝土的长期抗压强度。,混凝土的收缩,凝结硬化过程中混凝土体积缩小的现象。,两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50% ，两年后趋于稳定，收缩应变终极值约为(25)×10-4,混凝土的收缩,收缩的原因： 硬化初期水泥石在水化过程凝固结硬过程中产生体积变化 后期主要是混凝土内自由水分蒸发引起的干缩,混凝土的收缩,收缩的因素：,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：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,1.3 钢筋,1.3.1 钢筋的强度与变形,弯折试验,钢筋力学性能,屈服强度 极限强度 伸长率 冷弯性能,单向拉伸试验,强度 变形,钢筋的应力-应变曲线,有明显流幅的钢筋（软钢）,无明显流幅的钢筋（硬钢）,上屈服点不稳定,极限强度， 出现颈缩,BC段为屈服平台 CD段为强化段,单向拉伸试验,下屈服点,比例极限,o,强度指标,* 明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，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 。,极限强度作为安全储备，是检验钢筋质量的另一强度指标。,变形指标,*伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值，反映衡量钢筋塑性性能的一个指标，伸长率越大，塑性越好。,*冷弯性能：是检验钢筋塑性的另一种方法，可反映钢材脆化的倾向。将直径为d的钢筋绕过直径为D的钢辊弯成一定角度，而不发生断裂、裂缝或起层。,1.3.2 钢筋的成分、级别和品种,按化学成分,碳素结构钢 （含碳量在0.8%以下）,低碳钢：含碳量0.25%,中碳钢：含碳 0.25%0.6%,高碳钢：含碳量0.65%1.4%,普通低合金钢 (合金元素总含量 5%）,