结构检算基础知识

混凝土结构设计
1、对于施工单位来讲，混凝土结构设计主要用于： ⑴ 对于施工用临时混凝土构件的结构设计，如桥梁支架基础、栈桥混凝土 桥面板； ⑵ 对混凝土结构承载能力的验算，如梁上运梁时对梁体承载能力计算，对 分节预制吊装的混凝土构件分节长度计算； 2、混凝土结构计算内容： ⑴ 混凝土结构的形式、尺寸； ⑵ 混凝土板、梁构件的受压区计算、纵向受力钢筋配筋以及箍筋、弯起钢 筋配筋；（受弯构件） ⑶ 计算受压构件的长细比和承压能力。
《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011） 《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）
（一）、基本概念
1、应力和应变： ⑴ 轴心应力σ=F/A； 式中：σ—法向应力；F—垂直作用于截面上的力；A—截面面积。 ⑵ 平均剪应力 =V/A 式中： —平均剪应力；V—平行作用于截面的力。 ⑶轴向应变ε=Δ/L 式中：ε—应变（单位长度的伸长或缩短）；Δ—构件的总伸长或缩短； L—构件的初始长度。 2、（轴心）弹性模量 根据虎克定律，在弹性极限内，材料的应力和应变关系为线性。 E=σ/ε，E—弹性模量 3、梁截面应力 由弹性理论得到受弯公式，在截面某高度y处的拉或压应力σy为： σy=My/I 式中：M—作用在截面上的弯矩；y—所计算纤维处至截面中和轴的距离； I—截面惯性矩。
400
钢材容许应力值的材料安全系数约1.7； 强度设计值材料分项系数约1.1。
Q420钢
＞50～100 ≤16 ＞16～35 ＞35～50 ＞50～100
总结：
容许应力法和极限状态法主要体现在分项系数和材料性能取值方面。
计算中的一些误区：
1、选择的计算方法和材料取值不对应。 2、荷载的确定不合适： ⑴ 不是按照最不利工况选择荷载，如桥梁现浇支架的预压荷载未考虑； ⑵ 没有按照实际情况确定荷载，如大面积现浇施工中仍然按照全面积计 算施工荷载； 3、对计算公式的选择不正确，如桩基单桩承载力计算公式：
常用设计方法
1、容许应力设计法
以结构构件的计算应力σ不大于有关规范所给定的材料容许应力 [σ]的原则来进行设计的方法。材料的容许应力，是由材料的屈服强 度，或极限强度除以安全系数而得。 [ ] 一般的设计表达式为：
2、极限状态设计法
当以整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计 规定的某一功能要求，则此特定状态称为该功能的极限状态，按此状 态进行设计的方法称极限状态设计法。分为半概率极限状态设计法和 概率极限状态设计法。 概率极限状态设计法：将工程结构的极限状态分为承载能力极限 状态和正常使用极限状态两大类。对承载能力极限状态采用荷载效应 的基本组合和偶然组合进行设计，对正常使用极限状态按荷载的短期 效应组合和长期效应组合进行设计。（见公路桥涵设计通用规范 （JTG D60-2004）第4.1.6和4.1.7条）
⑵、正常使用极限状态的荷载效应组合
对于标准组合：S SGk SQ1k ci SQik
i 2 n
常用结构设计规范
1、《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60-2004） 2、《钢结构设计规范》 （GB 50017-2003） 3、《木结构设计规范》 （GB 50005-2003） 4、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2012） 5、《混凝土结构设计规范》 （GB 50010-2010） 6、《建筑基坑支护技术规程》 （JGJ 120-2012） 7、《建筑地基基础设计规范》 （GB 50007-2011） 8、《公路桥涵地基与基础设计规范》 （JTG D63-2007）
n
式中： G —永久荷载的分项系数。当其效应对结构不利时—对由可变荷载效应控制 的组合，应取1.2，—对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35；当其效应对结构有 利时，一般取1.0。 Qi —第i 个可变荷载的分项系数，其中γQ1为可变荷载Q1的分项系数，一般取 1.4。 S Gk —按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值； SQik —按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值,其中SQ1k为诸可变荷载效应中起 控制作用者（一般指车辆荷载）； ψci —可变荷载Qi的组合值系数，按规定采用； n —参与组合的可变荷载数。
结构设计的总体顺序
1、确定需设计的结构形式、材料及施工顺序。 2、确定设计计算方法，容许应力法或极限状态法； 3、确定施工工况，分工况确定荷载及效应组合； 4、按照工况、荷载传递顺序对结构进行设计及检算； 5、进一步细化设计图纸，完善计算书，编制施工方案。
常用结构设计中的荷载效应组合
1、支架设计 ⑴ 模板、支架自重； ⑵ 新浇混凝头、钢筋混凝土自重； ⑶ 施工人员、机具堆放或运输荷载； ⑷ 倾倒、振捣混凝土产生的荷载； ⑸ 支架预压荷载； ⑹ 风荷载等其他可能产生的荷载。
上述规范大部分采用极限状态法进行计算。
材料性能指标
1、材料强度标准值：设计结构或构件时采用的材料强度的基本代表值，具有 95%的保证率。（钢材即为屈服强度） 2、材料强度设计值：材料强度标准值除以材料强度分项系数后的值。 3、材料强度容许值：采用容许应力法设计时的材料性能取值。 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》
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基坑工程的特点
⑴ 基坑围护结构多数是临时的，安全储备较小，具有较大风险性。 ⑵ 基坑工程具有很强的区域性，不同的地区工程地质条件和水文地质条件不同， 且差别较大。 ⑶ 基坑工程综合性很强，它不只是一个岩土工程问题，还涉及到结构工程、材 料工程、工程地质、材料力学及施工技术等诸多领域。 ⑷ 基坑围护结构设计时土压力的确定是最基本的，在开挖过程中它是一个变量， 随着开挖深度、宽度、墙体横向和纵向位移、地下水情况而变。
深基坑的定义
“基坑”是指为进行建筑物(包括构筑物)基础与地下室的施工而开挖的地面以 下的空间，基坑工程界一般将开挖深度大于或等于5m的基坑称为深基坑。 根据我局“中铁四技[2008]360号”文规定，深基坑支护结构的设计、施工属工 艺设施设计范畴，大于5m深的基坑支护设计属重要工艺设施设计，由项目工程部长 负责工艺的设计和计算，项目总工程师进行复核，或委托有资质的外部单位进行设 计，子（分）公司技术管理部门进行审核，子（分）公司总工程师进行批准实施。
5、挂篮设计 ⑴ 挂篮及模板自重； ⑵ 新浇混凝头、钢筋混凝土自重或对侧面模板的侧压力； ⑶ 施工人员、机具堆放或运输荷载； ⑷ 倾倒、振捣混凝土产生的竖向或水平荷载； ⑸ 挂篮预压荷载； ⑹ 风荷载等其他可能产生的荷载。
结构设计计算内容
1、支架设计 ⑴ 计算侧模面板、大小楞、对拉杆的强度和刚度； ⑵ 计算底模面板、横纵向分配梁的强度和刚度； ⑶ 计算支架整体稳定性及强度（满堂支架）； ⑷ 计算主纵横梁的强度和刚度，支架立柱的稳定性及强度（少支点支架）； ⑸ 验算支架基础的地基承载力或桩基础的整体稳定性、强度和单桩承载能 力。 2、栈桥设计 ⑴ 计算桥面板、横纵向分配梁的强度和刚度； ⑵ 计算桥梁主纵梁及梁下分配梁的强度及刚度； ⑶ 计算栈桥扩大基础的强度或者桩基础的整体稳定性、强度； ⑷ 验算扩大基础的地基承载力或桩基础的单桩承载能力。
3、模板设计 ⑴ 计算模板面板的强度和刚度； ⑵ 计算模板大小楞的强度和刚度； ⑶ 计算模板对拉杆或支撑体系的强度和刚度； ⑷ 计算连接螺栓的强度。 4、围堰结构设计 ⑴ 分工况计算围堰体和支撑体系的受力和变形情况； ⑵ 计算各构件的强度、刚度； ⑶ 计算围堰的整体稳定性和抗倾覆稳定性； ⑷ 对基坑底进行抗隆起和抗管涌验算。 5、挂篮设计 ⑴ 计算底、内、侧模的强度和刚度； ⑵ 分浇筑和走行工况计算吊杆、前后主横梁的强度和刚度； ⑶ 计算主桁架的强度和刚度； ⑷ 计算结构各连接部位和前后支点的强度； ⑸ 分浇筑和走行状态计算挂篮整体抗倾覆稳定性。
⑴、承载能力极限状态的荷载效应组合
荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：
a.由可变荷载效应控制的组合： S G SGk Q1SQ1k Qi ci SQik
b.由永久荷载效应控制的组合： S G SGk Qi ci SQik
i 2 n i 2
深基坑支护的类型
设计坑支护形式设计中需考虑的几个方面的因素： ⑴ 基坑开挖深度；（根据设计标高确定） ⑵ 边坡允许坡度；（根据土质情况确定） ⑶ 坑壁土体物理力学性质；（查设计文件） ⑷ 地下水位情况；（查设计文件或现场试验勘察） ⑸ 坑边地表超载范围及大小；（调查周边建筑、道路、机械设备情况） ⑹ 周围环境（周边建筑物及管线情况）； ⑺ 基坑允许变形；（确定基坑安全等级） ⑻ 施工因素（施工单位技术水平和设备状况等）； ⑼ 因地制宜合理选定支撑材料和支撑体系布置形式； ⑽ 支撑体系受力明确，充分协调发挥各杆件的力学性能； ⑾ 支撑体系布置能在安全可靠的前提下，最大限度的方便土方开挖和主体结构 的快速施工要求。
公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）
施工中的荷载分类：
1、永久荷载：例如结构 自重、模板支架自重。 2、可变荷载：例如施工 人员、施工料具堆放荷载、 倾倒混凝土产生的冲击荷 载、振捣荷载、风荷载等。 3、偶然荷载：例如爆炸 力、撞击力等。
荷载组合：
根据各种荷载的重要性，荷载的组合分为六类：组合Ⅰ-Ⅵ： 组合Ⅰ：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种，与永 久荷载的一种或几种相组合； 组合Ⅱ：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种，与永 久荷载的一种或几种和其它可变荷载的一种或几种相组合； 组合Ⅲ：平板挂车或履带车，与结构重量、预加应力、土的重力及土侧 压力的一种或几种相组合； 组合Ⅳ：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种，与永 久荷载的一种或几种和偶然荷载中的船只或漂流物的撞击力相组合； 组合Ⅴ：桥涵在进行施工阶段的验算时，根据可能出现的施工荷载（ 如结构重力、脚手架、材料机具、人群、风力以及拱桥的单向推力等）进 行组合；构件在吊装时，其自重应乘以动力系数，并可视构件具体情况适 当增减； 组合Ⅵ：结构重力、预加应力、土重及土侧压力中的一种或几种与地震 力相组合。
（二）、常规的计算内容
1、应力计算： ⑴ 轴向应力σ=N/A； ⑵ 剪切与挤压应力τ=Q/A； ⑶ 梁的弯曲正应力σ=My/Iz或者σ=M/Wz； ⑷ 梁的弯曲剪应力τ=QS/(bIz)。 2、变形计算与刚度 ⑴ 轴向变形Δl=Nl/(EA)； ⑵ 弯曲变形及刚度，按表1-10计算。 3、组合变形 将组合变形分解为几种基本变形，分别对基本变形进行计算后叠加。 4、压杆稳定 ⑴ 长度系数μ的取值； ⑵ 压杆的稳定折减系数ψ，通过计算压杆长细比λ后查表取值。
2、栈桥设计 ⑴ 栈桥自重； ⑵ 栈桥施工、使用期间最大车辆、设备荷载； ⑶ 风荷载，流水、流冰压力或船只、漂浮物撞击力。 3、模板设计 ⑴ 模板自重； ⑵ 新浇混凝头、钢筋混凝土自重或对侧面模板的侧压力； ⑶ 施工人员、机具堆放或运输荷载； ⑷ 倾倒、振捣混凝土产生的竖向或水平荷载； ⑸ 风荷载等其他可能产生的荷载。 4、围堰结构设计 ⑴ 围堰自重； ⑵ 围堰周围土压力，流水、流冰压力或船只、漂浮物撞击力； ⑶ 围堰周围车辆荷载； ⑷ 其他可能影响围堰的荷载。
材料性能指标
钢材容许应力值（Mpa）
钢材 牌号 厚度或直径 ≤16 Q235钢 （A3钢） ＞16～40 ＞40～60 ＞60～100 ≤16 Q345钢 （16Mn钢） ＞16～35 ＞35～50 ＞50～100 ≤16 Q390钢 ＞16～35 ＞35～50
钢材强度设计值（MPa）
抗拉、抗压和 抗弯f 215 205 200 190 310 295 265 250 350 335 315 295 380 360 340 325 端面承压 抗剪fv （刨平顶紧） fce 125 120 115 110 180 170 155 145 205 190 180 170 220 210 195 185 440 415 325