桥梁结构设计原理

2、能力目标：
能够应用所学知识进行简单构件截面设计、承 载力计算及校核，能对简单的钢筋混凝土构件进 行配筋计算。

1、课堂教学：
以选用的孙元桃主编的《结构设计原理》为
首选教材，采用多媒体教学为主、结合板书的教 学手段。


2、课堂讨论： 对知识重点以及难点进行课堂讨论。 3、课程设计：
针对重点内容的课程设计（大作业）。
0.8fc 作为混凝土的长期抗压强度。
（2）混凝土的徐变与时间参数有关
注意
Biblioteka Baidu
受荷后3-4个月徐变发展最（45%50%）。全部徐变完成需要4-5年的 时间。 （3）加荷龄期对混凝土徐变有重要影响。混 凝土加载龄期越短，即混凝土越年轻， 徐变越大； （4）水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大。 （5）混凝土集料愈坚硬、养护时相对湿度越 高，徐变越小。
总论

结构设计原理三大学习任务：
1、学会设计构件： 确定合理截面尺寸，如：构件截面形状、大小 等；了解构件的具体构造，为施工打基础。 2、验算所设计构件可靠度： 根据所设计构件的截面尺寸，在外部荷载已知的 情况下，验算其承载力、稳定性、刚度、裂缝。 3、为学习桥梁工程打好基础。

应力-应变曲线形状 曲线中最大应力值及其对应的应变值 破坏时的极限应变值

混凝土棱柱体一次短期加荷轴心受压应力-应变曲线
δc fcd
δmax
•
C
•A
0 a
•
c c
u
混凝土一次短期加荷时的应力-应变曲线
规范取cu=0.0033
c=0.0008～0.003（计算时取0.002）
0 ～ δmax：上升段

2、后续课程：
《桥梁工程》。学习本门课程是为了今后学 习桥梁工程打下基础。桥梁工程是道桥专业非常 重要的一门专业课，因此本课程的重要性可见一 斑。
0
总 论 钢筋混凝土材料的力学性能 结构按极限状态法设计的原则 钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算
第一章 第二章 第三章
第四章
第五章
钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力计算
钢筋混凝土受弯构件在施工阶段应力计算
第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章
钢筋混凝土构件的变形与裂缝验算 轴心受压构件承载力计算 偏心受压构件承载力计算 预应力混凝土结构的基本概念及材料 受弯构件按承载能力极限状态设计计算 受弯构件按正常使用极限状态设计计算
第十二章
第十三章
预应力混凝土简支梁设计
§第二节
混凝土的组份：
混凝土
水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不 同等级的砼。 骨料 弹性变形的基础 塑性变形的基础
水泥结晶体
水泥凝胶体
砼的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。
一、 混凝土的强度
1. 立方体抗压强度 fcu
• 影响立方体强度的因素：试件尺寸、温度、 湿度、试验方法。
• 由于尺寸效应的影响：fcu(150) = 0.95 fcu(100) fcu(150) = 1.05 fcu(200)
BB：弹性后效 OB：残余应变
3、混凝土在长期荷载作用下的变形
徐变：
混凝土在长期荷载作用下，在荷载(应力) 不变的情况下，变形(应变)随时间不断增长的现 象。

徐变规律：
（1）徐变与混凝土应力大小有关，应力越大， 徐变越大。
线性徐变
初应力 c0.5fcd
非线性徐变
c > 0.5fcd
当c > 0.8fc ，徐变发展最终导致破坏
裂缝
§第三节 钢筋
一、钢筋的种类：
按外形分：光圆钢筋、带肋钢筋、钢丝、钢绞线
光面钢筋
螺纹钢筋
人字纹钢筋
月牙纹钢筋
钢筋按照钢料品种分类
低碳钢（软钢）
碳素钢 按钢料品种分 合金钢
碳素钢中添加少 量的合金元素， 从而改善了硬钢 的不足 强度高 可焊性差 脆性大
中碳钢 高碳钢
硬钢
按生产工艺和加工条件分类


第一章
钢筋混凝土材料的基本 概念及力学性能
§第一节 钢筋混凝土结构的基本概念

定义：钢筋混凝土是由两种力学性能不同的材
料—钢筋和混凝土结合成整体，共同发挥作用 的一种建筑材料。
一、素混凝土构件和钢筋混凝土构件受力和破坏形态比较：
现将素混凝土梁和配臵钢筋的梁进行荷载试验： a) 素砼梁 极限荷载 P=8kN 由砼抗拉强度控制 破坏形态：脆性
混凝土受拉易开裂
2、混凝土在多次重复荷载作用下的变形

如果我们将混凝土棱柱体试块加荷使其压应 力达到某个数值σ，然后卸荷至零，并把这 一循环多次重复下去，就称为多次重复荷载。 我们通常把能使试件循环200万次或次数稍多 时发生破坏的压应力称为混凝土的疲劳强度, 用符号fp表示。（=0.5fcd）

徐变对结构的影响： 使构件的变形增加； 在截面中引起应力重分布； 在预应力混凝土结构中引起预应力损失。

4、混凝土的弹性模量
c
ce cp
k
h

0
0
c

原点弹性模量： Ec tg 0
e ce
…1－6 …1－7
105 Ec ( N/nm 2 ) 34.7 2.2 f cu
（二）混凝土的体积变形
收缩：
混凝土在空气中结硬体积减小的现象。
0.4 0.3 常温养护
蒸汽养护
0.2 0.1 0 5 10 时间 (月) 15 20
凝缩
砼凝结硬化时化学反应产生
收缩的原因
干缩
砼自由水蒸发产生
水泥用量、
水泥强度等级 收缩的影响因素 水灰比 养护湿度 混凝土振捣 集料质量 收缩的危害
热轧光圆钢筋 热轧带肋钢筋 余热处理钢筋 冷轧带肋钢筋 钢丝 Q235 HRB335、HRB400、HRB500 KL400
1 1 为抗压强度 ～ 。 9 18 直接测试方法
2P 间接测试方法(弯折，劈裂) f t dl 2 f 0.26(f ) 3
t cu
考虑施工因素，取 f 0.88 0.26(f )
t cu
2 3
0.23(fcu )
2 3
二、混凝土的变形
受力变形（由荷载引起）
混凝土的变形 体积变形（收缩、膨胀） （一）混凝土的受力变形 1、混凝土在一次短期荷载作用下的的受力变形
•结构的分类

结构按照组成材料的分类：
钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 圬工结构 钢结构 木结构 结构设计原理的研究对象： 就是组成桥梁结构的基本构件（梁、板、柱）
P
P
P
P
简支梁
P
连续梁
e P
板 柱
P
e P
•各结构的特点及适用范围
国内外桥梁发展趋势：轻型化、标准化、机械化。
三种结构特点对比： 1、结构质量： 预应力混凝土结构适用于大跨度结构。 2、使用性能： 延性、耐久性、耐火性钢筋混凝土结构好；钢结 构强度高。 3、建筑速度 钢结构建筑速度最快。
st = 1.2 10–5 ct = 1.0 ～ 1.5 10–5
3. 呈碱性的混凝土可以保护钢筋，使钢筋混凝土结 构具有较好的耐久性。
钢筋混凝土结构的主要优缺点
优点： 1. 就地取材，节约钢筋； 2. 耐久性好，耐火性好； 3. 可模性好，便于结构型式的实现； 4. 现浇或装配整体式结构的整体性好，刚大。 缺点： 1. 自重大 g=25kN/m3 2. 抗裂性差 轻骨料砼。 施加预应力。
圬工结构设计计算简介
课时分配：
课堂表现 （10%）
平时作业 （10%）
课程设计 （10%）
总成绩 （100%）
出勤 （10%）
期末考试 （60%）
叶见曙主编：《结构设计原理》，人民交通出版社， 2005年12月 中华人民共和国行业标准《公路钢筋混凝土及预应力 混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004），2004年， 北京：人民交通出版社。 中华人民共和国行业标准《圬工桥涵设计规范》2004 年，北京：人民交通出版社。 中华人民共和国行业标准《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60-2004），2004年，北京：人民交通出版社。
割线模量：
c = ce + cp
tg Ec
…1－8
…1－9
c c ce c Ec c ce cp ce ce cp
––– 弹性系数0～1.0
tg 切线模量： Ec
d c d c
…1－10
剪切模量： G = 0.4Ec
cu=0.002～0.006（有时可达0.008）
δmax ～ C：下降段

几点说明：

影响混凝土塑性变形大小的因素： 加荷速度 荷载持续的时间（少于0.001s时变形为直线）

混凝土短期受拉曲线特征： 类似于受压曲线，区别在于曲率变化小。
c=0.0001～0.00015，仅为受压极限应变的1\20 ～ 1\15

课前预习是关键：
在学习本门课程之前同学们最好提前浏览教
材，对即将要进行的课程有所熟悉。

学习各环节要积极主动：
听课、课堂讨论、课后作业、课程设计都要 积极主动并且认真完成。

勤奋学习的精神：
学习本门课程以及今后事业成败的关键。

1、先行课程：
《建筑力学》《道路建筑材料》。本门课程 必须是在学习了以上两门课程的基础之上进行 的。
•结构组成及其分类

结构：建筑物中承受作用和传递作用的各个部件
的总和称为结构。因此，结构是由若干基本构件 组成。

基本构件按受力特点分为： 受拉构件 受压构件 受弯构件 受扭构件
•构件承载力

承载力：构件抵抗破坏和抵抗变形的能力。 影响承载力的因素有：
1、组成材料的性质 2、截面的几何形状 3、截面尺寸 4、受力特点及工作条件 5、施工因素等
结构设计原理
课程简介：

本课程是土木工程（道 路与桥梁工程方向）专 业的主干专业基础理论 课（必修）。本课程主 要介绍钢筋混凝土结构、 预应力混凝土结构和圬 工结构的各种基本构件 受力特性、设计原理、 计算方法和构造设计。

1、知识目标：
掌握钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和圬 工结构概念、构造及计算原理和计算方法。
200
A a)
A－A
200 210
B
4000
B b)
300
316
B－B
钢筋与混凝土合理的组合原则
钢筋混凝土结构不是钢筋和混凝土之间的 任意组合。 其组合的原则：发挥钢筋抗拉、抗压强度 高的特点；发挥混凝土抗压强度高，而避免抗 拉强度低的弱点。
钢筋与混凝土长期共同工作的原因
1. 混凝土结硬后，能与钢筋牢固地粘结在一起，传 递应力。 2. 二者具有相近的线胀系数，不会由于温度变化产 生较大的温度应力和相对变形而破坏粘结力。 钢筋 混凝土

各种结构的适用范围：
钢筋混凝土结构：
应用最广泛：桥梁、涵洞、挡土墙、路 面、房屋建筑、水工结构等


预应力混凝土结构：
多用于大跨度桥梁结构中

圬工结构：
砌筑拱圈、墩台、基础、挡土墙等结构
•结构设计的原则及基本要求：


设计原则：安全、适用、经济、美观 设计要求：具有足够的可靠度。
承载力：设计使用期内各构件有足够安全储备 稳定性：结构及其构件在荷载作用下处于稳定的 平衡状态。 刚度：变形控制在运行范围内。 耐久性：结构在设计基准期内不得过早发生破坏
荷载试验结果表明：
b) 钢筋砼梁 极限荷载 P=36kN 由钢筋受拉、砼
受压而破坏
破坏形态：延性
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
例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截 面尺寸200×300mm，混凝土为C20。如图所示：
F
A
4000 300
真实反映以受压为主的混凝土结构构件 的抗压强度。 为消除端部约束的影响
h 3~ 4 b
用立方体强度反映： fc 0.76fcu 考虑实际情况(施工状况、养护条件等)
f 0.88 0.76f 0.67f
c cu cu
3. 轴心抗拉强度 ftk
混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，
混凝土强度等级： 用标准制作方式制成的150×150mm的立方
体试块，在标准养护条件下养护28天，用标准试
验方法测得具有95％保证率的抗压强度。 常用等级：C15, C20, C25, C30, C35, C40, C45, C55, C60，C65，C70，C75，C80
2.轴心抗压强度 fck

课堂三不许、三必须



不许睡觉 不许玩儿手机、听音乐 不许说话 必须按时上下课 必须按时完成作业 必须养成良好的生活习惯
课前提问：


请问中国的“桥梁之都”是那个城市？ 这座城市是那年被评为中国的“桥梁之都”的？
茅以升桥梁委员会2005年年会认定：重庆是中国惟一的 “桥都”。重庆现有各类桥梁4500多座，主城嘉陵江和长 江 上已有大桥14座，数量和密度远远超过中国其他城市，建 设密度和施工难度世所罕见。