长安大学结构设计原理总复习

《结构设计原理》复习参考总论《结构设计原理》主要讨论土木基础工程施工中各种工程结构的基本构件的受力性能，计算方法和构造设计原理，它是学习和掌握桥梁工程和其他道路人工构造物设计的基础。

构件的 4 种基本受力：受弯构件(梁和板) ，受压构件，受拉构件和受扭构件。

根据所使用的建筑材料种类，常用的构件一般可分为：1) 混凝土结构以混凝土为主的制作的结构，包括素混凝土结构，钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等。

2) 钢结构以钢材为主制作的结构3) 圬工结构以圬工砌体为主制作的结构，是砖结构，石结构和混凝土砌体结构的总称。

4) 木结构以木材为主制作的结构0.1 各种工程结构的特点：1) 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料组成的。

钢筋是一种抗拉性能很好的材料；混凝土材料具有较高的抗压强度，而抗拉强度很低。

根据构件受力的情况，合理的配置钢筋可形成承载能力较高，刚度较大的结构构件。

2) 预应力混凝土结构预应力混凝土结构是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。

它采用的是高强度钢筋和高强度混凝土材料，并采用相应钢筋张拉施工工艺在结构构件中建立预加应力的结构。

由于预应力混凝土结构采用了高强度材料和预应力工艺，节省了材料，减少了构件截面尺寸，减轻了构件自重，因而预应力混凝土构件比钢筋混凝土构件轻巧，特别适用于建造由恒载控制设计的大跨径桥梁。

3) 圬工结构圬工结构是人类社会使用最早的结构。

它是用胶结材料将砖，天然石料等块材按一定规则砌筑而成整体的结构，其特点是材料易于取材。

当块材使用天然石料时，则具有良好的耐久性。

但是，圬工结构的自重一般较大，施工中机械化程度较低。

5) 钢结构钢结构一般是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。

钢结构由于钢材的强度很高，构件所需的截面积很少，故钢结构和其他结构相比，尽管其容重很大，却是自重很轻的结构。

钢材的组织均匀，最接近于各向同性体，弹性模量很高，是理想的弹塑性材料，故钢结构工作性很高。

钢结构的基本构件可以在工厂中加工制作，机械化程度较高，同时已预制的构件可以在施工现场较快的装配连接，故施工率较高。

第一篇钢筋混凝土结构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1.1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土：钢筋混凝土是由受配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制成的结构。

钢筋和混凝土能共同工作的原因：1) 混凝土和钢筋之间有着良好的粘结力，使两者能可靠的结合成一个整体，在荷载的作用下能够很好的共同变形，完成其结构功能。

2) 钢筋和混凝土的温度线膨胀系数也较为接近，钢筋为( 1.2 X 10 -5)/C，混凝土为(1.0X 10 - 5~1.5 X 10 - 5)/C，因此，当温度变化时，不至产生较大的温度应力而破坏两者之间的粘结。

3) 包围在钢筋外面的混凝土，起着保护钢筋免遭锈蚀的作用，保证了钢筋与混凝土的共同作用。

钢筋混凝土的一些优点：1 ) 在钢筋混凝土结构中，混凝土强度是随时间而不断增长的，同时，钢筋被混凝土所包裹而不致锈蚀，所以，钢筋混凝土结构的耐久性是较好的。

钢筋混凝土结构的刚度较大，在使用荷载作用下的变形较小，故可有效的用于对变形有要求的建筑中。

2) 钢筋混凝土结构既可以整体现浇也可以预制装配，并且可以根据需要浇注成各种构件形状和尺寸。

3) 钢筋混凝土结构所使用的原材料中，沙，石所占的比例较大，而沙，石易于就地取材，故可以降低成本。

钢筋混凝土结构存在的一些缺点：钢筋混凝土构件的截面尺寸一般较相应的钢结构大，因而自重较大，这对于大跨度结构是不利的 ; 抗裂性较差，在正常使用时往往是带裂缝工作；施工受气候条件影响较大；修补或拆除较困难。

1.2 混凝土钢筋混凝土是由钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料所组成。

1.2.1 混凝土的强度1 )混凝土立方体抗压强度混凝土的立方体抗压强度是按规定的标准试件和标准试验方法得到的混凝土基本代表值。

我国取用的标准试件为边长相等的混凝土立方体。

这种试件的制作和试验均比较简单，而且离散性较好。

我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定以每边边长为 150mm勺立方体为标准试件，在20 C±2C的温度和相对湿度在 95%以上的潮湿空气中养护 28天，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值(以Mpa为单位)作为混凝土的立方体抗压强度，用符号 Fcu 表示。

按这样的规定，就可以排除不同的制作方法，养护环境等因素对混凝土立方体强度的影响。

4) 复合应力状态下的混凝土强度在钢筋混凝土结构中，构件通常受到轴力，弯矩，剪力及扭矩等不同组合情况的作用，因此，混凝土更多的是处于三向受力状态。

在复合应力状态下，混凝土的强度有明显的变化。

双向应力状态下混凝土强度变化特点：1) 当双向受压时，一向的混凝土强度随着另一向压应力的增加而增加，6 / 2约等于2 或0.5时，其强度比单向抗压强度增加约为25%左右，而在6 1/6 2=1时，其强度增加仅为 16%左右。

2) 当双向受拉时，无论应力比值6 1/6 2如何，实测破坏强度基本不变，双向受拉的混凝土抗拉强度均接近于单向抗拉强度。

3) 当一向受拉，一向受压时，混凝土的强度均低于单向受力(压或拉)的强度。

1.2.2 混凝土的变形混凝土的变形可以分为两类，一类是在荷载作用下的受力变形，如单调短周期加载的变形以及多次重复加载的变形；另一类与受力无关，称为体积变形，如混凝土的收缩以及温度变化引起的变形。

1）混凝土在单调，短期加载作用下的变形性能影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素：混凝土强度，应变速率，测试技术和试验条件。

2）混凝土在长期荷载作用下的变形性能徐变：在荷载的作用下，混凝土的变形将随时间的增加而增加，亦即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长，这种现象称为混凝土的徐变。

影响徐变的主要因素：1）混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小：当压应力小于bW 0.5fc时，徐变大致与应力成正比，各条徐变曲线的间距差不多是相等的，称为线性徐变。

当压应力b 介于（ 0.5-0.8 ） fc 之间时，徐变的增长较应力的增长为快，这种情况称为非线性徐变。

当压应力〉0.8fc时，混凝土的非线性徐变往往是不收敛的。

2）加荷时混凝土的龄期。

加荷时混凝土龄期越短，则徐变越大。

3）混凝土的组成成分和配合比。

4）养护及使用条件下的温度与湿度。

温度越高，湿度越大，水泥水化作用就约充分，徐变就越小。

混凝土的使用环境温度越高，徐变越大；环境的相对湿度越低，徐变也越大，因此高温干燥环境将使徐变显著增大。

3）混凝土的收缩定义：在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减小的现象称为收缩。

原因：引起混凝土收缩的原因，主要是硬化初期水泥在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要原因是混凝土内自由水分蒸发引起的干缩。

混凝土的组成和配比是影响混凝土收缩的重要因素。

由于干燥失水是引起收缩的重要原因，混凝土的最终收缩量还和构件的体表有关，这个比值决定着混凝土中水分蒸发的速度。

1.3 钢筋1.3.1 钢筋的强度与变形钢筋的力学性能有强度和变形（包括弹性变形和塑性变形）等。

书P15,图1.4.2 粘结机理分析光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由三部分组成：（1）混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶着力；（ 2）钢筋和混凝土接触面上的摩擦力；（ 3）钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合力。

1.4.3 影响粘结强度的因素影响钢筋与混凝土之间粘结强度的因素很多，其中主要为混凝土强度，浇注位置，保护层厚度及钢筋净间距等。

复习思考与习题1- 1 配置在混凝土梁截面受拉区钢筋的作用是什么？混凝土是一种人造石料，其抗压能力很强，而抗拉能力很弱，对于素混凝土梁，它的承载能力是由混凝土的抗拉强度控制的，而受压混凝土的抗压强度远未被充分利用。

若在梁的受拉区配置适量的纵向受拉钢筋，构成钢筋混凝土梁，在承受略大的荷载时，梁的受拉区混凝土仍会出现裂缝，在出现裂缝的截面处，受拉区混凝土虽退出工作，但配置在受拉区的钢筋将承担几乎全部的拉力，直至手拉钢筋的应力达到屈服强度，继而截面受压区的混凝土也被压碎，梁才破坏。

因此混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度都能得到充分的利用，钢筋混凝土梁的承载能力可较素混凝土梁提高很多。

1-2 试解释一下名词：混凝土立方体抗压强度；混凝土轴心抗压强度；混凝土抗拉强度；混凝土劈裂抗拉强度。

1）混凝土立方体抗压强度：我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定以每边边长为150mm的立方体为标准试件，在 20C±2C的温度和相对湿度在 95%以上的潮湿空气中养护28天，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值（以Mpa为单位）作为混凝土的立方体抗压强度，用符号 Fcu 表示。

2）混凝土轴心抗压强度：按照与立方体试件相同条件下制作的和试验方法所得的棱柱体试件的抗压强度值，称为混凝土轴心抗压强度，用 fc 表示。

3）混凝土抗拉强度：混凝土轴心受拉试件可采用在两端预埋钢筋的混凝土棱柱体，试验时用试验机的夹具夹紧试件两端外伸的钢筋施加拉力，破坏时试件在没有钢筋的中部拉断，其平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。

4）混凝土劈裂抗拉强度：按照规定，采用150mm立方体作为标准试件进行混凝土劈裂抗拉强度测定，按照规定的试验方法操作，则混凝土劈裂抗拉强度fts 按下式计算： fts=2F /n A,式中，fts---混凝土劈裂抗拉强度；F---劈裂破坏荷载；A---试件劈裂面面积。

1-3 混凝土轴心受压的应力---- 应变曲线有何特点？影响混凝土轴心受压应力 --- 应变曲线有哪几个因素？1 ）完整的混凝土轴心受压应力应变曲线由上升段下降段和收敛段三个阶段组成。

上升段：当压应力eV 0.3fc左右时，应力---应变关系接近直线变化，混凝土处于弹性工作阶段，在压应力c> 0.3fc后，随着压力的增大，应力---应变关系越来越偏离直线，任一点的应变&可分为弹性应变£ce和塑性应变& cp两部分，当应力达到 0.8fc左右后，混凝土塑性变形显著增大，内部裂缝不断延伸扩展，并有几条贯通，应力--- 应变曲线斜率急剧减小，如果不继续加载，裂缝也会发展，即内部裂缝处于非稳定发展阶段。

当应力达到最大应力b =fc时，应力应变曲线的斜率已接近于水平，试件表面出现不连续的可见裂缝。

下降段：到达峰值应力点之后，混凝土的强度并不完全消失，随着应力b的减小（卸载），应变仍然增加，曲线下降坡度较陡，混凝土表面裂缝逐渐贯通。

收敛段：在反弯点之后，应力下降的速率减慢，趋于稳定的残余应力，表面纵向裂缝把混凝土棱柱体分成若干个小柱，外载力由裂缝处的摩擦咬合力及小柱体的残余强度所承受。