结构设计原理 课件

本课程紧扣的规范： 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》
（JTG D62-2004）；
《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60-2004）；
《公路圬工桥涵设计规范》 （ JTG D61-2004 ）等。
本课程可参考的相关书籍：
¾张树仁.钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计原理. 人民交通出版社 ¾袁伦一.鲍卫刚.新规范条文应用算例.人民交通出 版社 ¾其他相关混凝土结构书籍
世界第一大跨悬索桥：明石海峡大桥
1991m
世界第二大跨悬索桥： 西喉门大桥，主跨1650m
世界第一大跨斜拉桥：苏通大桥
世界第一大跨斜拉桥：苏通大桥
1088m
2、各种结构使用性能 ¾钢结构：延性好，但易腐蚀，耐火性差， 建造、养护费用高。
¾木结构：耐火性差，易腐蚀，养护费用 高，一般不采用。
混凝土圆柱体抗压强度
fcc = fc′ + kσ 2
侧压应力值 混凝土强度提高的原因是由于侧向约束了混凝土 受压后横向变形，限制了其内部裂缝的产生和发展， 从而提高了混凝土在受压方向上的抗压强度。
由上分析可以看出： 混凝土的变形可分为两类： 1、是由于受力而产生的变形； 2、是由收缩和温度湿度变化而产生的变形。
一、本课程的任务及与其它课程的关系。
（一）本课程任务： 本课程为学科基础课，主要研究工程结构
基本构件及其联系的设计原理。 工程结构：主要包括钢筋混凝土、预应力
混凝土、圬工结构、钢结构和木结构。
本课程对结构的计算主要包括以下两个过 程： ¾ 1、设计：已知作用在构件上的荷载，对构 件的截面和配筋 进行设计的过程；
（三）手段 1、结构物所有构件及连接细部都必须进行 设计验算； 2、根据材料的性质、受力特点、使用条件 和施工要求，采用合理的构造措施，确定材料的 几何形状和各部尺寸，并进行验算和修正； 3、除了使用阶段外，还要满足制造，运输 和安装过程中的强度，刚度和稳定性。
总之，结构形式必须受力明确，构造简 单，施工方便和易于养护，设计时要考虑施工 条件，施工的可能性，国情，新材料，新工 艺，新技术等方面。
1、混凝土：抗拉强度ft 较低，抗压强度fc 较高；
2、钢筋：抗压强度、抗拉强度均很高。
2、柱： 试验表明，钢筋混凝土柱与素混凝土柱相
比，承载力大为提高，受力性能也得到改善：
α) Φ
β) Φ
χ) Φ
Φ2 钢筋混凝土柱
η λ
η λ
Φ1
素混凝土柱
Φ
Φ Ασ
(应变）
β
β
素混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较
（1）双向 应力：
两个垂直平
面上作用有法 向应力，第三 个平面上应力 为零。
Ⅱ(拉、压)
1.25 1.16 2
φχ0
Ⅲ(压、压) 1= 2
1
2
2
1
Ⅰ(拉、拉) 0.
8 Ⅳ(压、拉)
1= 2
1=
2
1
1
φχ0
强度变化特点
3
（2）三向应力
混凝土三向受压时，各方向上的抗压强度都 有很大的提高（如图）。轴心抗压强度与侧压 应力σ2的关系有如下线性经验公式：
构，不受弯。 （3）钢筋混凝土、预应力混凝土结
构：弹塑性材料、抗拉强度较低、抗压强度 较高，一般用作压弯构件。
（二）各种结构的使用范围 1、钢筋混凝土结构：桥涵，挡土墙，路
面，水工结构物，房屋结构； 2、预应力混凝土结构：构件受荷之前，预
先对混凝土受拉区施以适当压应力的结构（发 展趋势）；
特点：延缓了裂缝的发生和发展，可以采 用高强度钢材及高强度等级混凝土。
结构设计原理
教材：《结构设计原理》2005版
主编：叶见曙 主讲：端茂军 土木工程学院
总论
一、结构与构造的概念：
¾ 结构：承受荷载和传递荷载的各个部件的总和； ¾构造：截面形式及尺寸，结构中各种材料的布置。 这也是学习中的难点之一，需要记忆，需要熟悉规范
我们这门课学习时要利用好规范，同时也 要注意参考相关规范与书籍：
¾ 2、验算：针对已知构件的截面尺寸、构件 所承受的作用，核算构件是否安全。
（二）与其它课程的关系：承上启下 1、本课程的基础： 材料力学、土木工程材料等； 本课程主要讨论各种基本构件的受力性
能、计算方法和构造设计原理，是学习结构设 计的基础。
2、本课程的后续课程： 桥梁工程、基础工程。
（三）本课程的特点： 1、理论性实践性较强； 2、计算结果的多方案性，设计的反复性； 3、为了便于工程实用，设计、计算过程中往往
¾钢筋混凝土、预应力混凝土、圬工结构： 刚度大（抗变形能力好），振动小，建造养 护费用低。
3、建筑速度 圬工结构、钢筋混凝土取材方便，结构
要有强度形成过程，故时间较长，季节性影 响大，机械化程度低；钢、木结构较易快速 施工。
4、受力比较 （1）钢结构：弹性材料，拉、压强度一
样且强度高，能承受各种受力情况。 （2）圬工结构：抗拉性能差，承压结
二、工程上对混凝土的要求 1、和易性（也称工作性：粘聚性，饱水 性，流动性）； 2、强度； 3、耐久性； 4、经济性。
混凝土的化学成分在《土木工程材料》 课中应该已经介绍过，这里我们不再赘述， 我们这门课要了解的是混凝土的力学性能。
三、钢筋混凝土材料的特点
9 耐久性好 9 耐火性好 9 整体性好 优点 9 可塑性好 9 抗震性好 9 取材容易
关，也与其形状有关。 在实际工程中，受压构件一般都是棱柱
体，采用棱柱体试件比立方体试件能更好地反 映混凝土的实际抗压能力。
（2）采用劈裂试验测抗拉强度的原因
采用两端预埋钢筋的混凝土棱柱体测试轴心抗拉 强度时（如下图），保持试件轴心受拉是很重要的， 也是不容易完全做到的。
混凝土内部结构不均匀，钢筋预埋和试件安装都
1、立方体抗压强度fcu 是用三标试件，即：
（1） 标准尺寸： 150mm×150mm×150mm；
（2） 标准温度和相对湿度： 20℃±2℃，相对湿度95%以上；
（3） 养护28d，依照标准制作及试验方法 测得的抗压强度值。
2
混凝土立方体抗压强度与试验方法有着
密切的关系：
α) 上承压板
实际压应力 假定均匀压应力 β)
质量，加快工程进度；
（二）具体要求
1、因地制宜，就地取材，便于施工、养 护，选用适当的结构形式；
2、依据规范、规定、规程进行设计。 即设计一定要以国家或相关部委或权威机 构发布的标准和设计规范作为设计依据，对于 新结构，新材料，可参照一些有关的资料，但 必须做必要的试验进行验证。
3、工程结构在使用期限内必须有一定的可靠性 • 强度：必须有一定的安全储备； • 刚度：变形控制在一定范围内； • 稳定性：处于平衡状态； • 耐久性：不过早的发生破坏和影响使用。
学校游泳池顶
国家体育场
钢塔
国内第一钢塔： 南京长江第三大桥
钢塔安装
3、圬工结构：拱圈，墩台，基础，挡墙； 4、钢结构：高大建筑物，临时性的辅助工程 （脚手架），可以预制成定型杆件，拆装方便； 5、木结构：临时抢险急修、辅助性工程 （便桥、工棚、支架、模板），永久性工程一般 不采用。
但随着人民生活水平的提高，现已有木 结构房屋等结构。
Δ （反弯点）
AB：塑性工作阶Ε (段收敛点)
φχ Α
Ο
χ（0 峰值应变）
εcu
OA：弹性工作阶段
收敛段
残余应力
(× )
四、混凝土的变形 混凝土的变形性能比较复杂，研究表明：
在荷载作用下，混凝土会产生非线性的弹塑性 变形。
混凝土的变形性能与混凝土的组成、龄 期、荷载的大小和持续时间、加荷速度以及荷 载循环次数有关。
要简化计算； 4、以前从未碰到的一些结构构造的要求； 5、需要着重了解构件的受力特点和变形特点。
二、各种材料结构的特点和使用范围 （一）结构特点 1、现代结构发展趋势 向大跨径桥梁发展，多采用预应力混凝土、
钢结构，力求构件薄壁、轻质、高强。 预应力混凝土结构比较合理、经济，因为： （1）混凝土材料采用高强度等级的混凝土； （2）预应力钢筋采用高强钢筋。
浇筑钢筋混凝土箱梁
世界第一长桥： 杭州湾跨海大桥（36km）混凝土桥塔
世界第一高塔： 苏通大桥混凝土 桥塔（300.4m）
3、圬工结构：拱圈，墩台，基础，挡墙；
世界上最古老的石拱桥：赵州桥
3、圬工结构：拱圈，墩台，基础，挡墙； 4、钢结构：高大建筑物，临时性的辅助工程 （脚手架），可以预制成定型杆件，拆装方便；
χ)
拉应力线 压应力线
摩擦力
横
向
变
拉
形
压 水平应力
立方体抗压强度试件
a)立方体试件的受力
b)承压板与试件表面之间未涂润滑剂时
c)承压板与试件表面之间涂润滑剂时
δ λ
3、轴心抗拉强度 ft
（1）测试方法:采用圆柱体或立方体的劈
裂试件来测定。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
拉
压
Φ
F
1
+
2
Φ
1
2
劈裂试验
2 、轴心抗压强度 fc（棱柱体抗压强度） 混凝土的抗压强度不仅与试件的尺寸有
¾ 自重大，跨越能力小 ¾ 抗裂性较差 ¾ 施工受季节环境影响 缺点 较大（冬、雨） ¾ 耗用大量模板、支撑
材料 ¾ 维修困难
三、混凝土的强度★
因为混凝土的抗压强度比抗拉强度大很多 [1/8～1/18]，因此在钢筋混凝土结构中，混凝 土主要用于抗压，而拉力主要是由抗拉强度很 高的钢筋承担，所以混凝土的抗压强度是最重 要的强度指标。
F1
F1> F c
中性轴
坏。 F > Fc时，出现数条 sc 竖向裂缝并向上发
As
裂缝
AS M
ASs S 展，中性轴上移， 混凝土受压区面积
钢筋混凝土梁
不断减少，梁塑性 破坏。
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
在受拉区内配置适量的钢筋后（即所谓 的适筋梁），梁的破坏过程为：
受拉钢筋应力达到屈服强度
混凝土 的变形
受力变形：短期荷载作用，长期荷载 作用，多次重复作用等。
体积变形：收缩变形，温度变形等。
思考
1、什么叫混凝土的徐变？ 2、影响徐变的因素有哪些？ 3、桥梁常用的钢筋符号是什么？
1、单调短期加载作用下 （1） 混凝土应力应变曲线 （如图）
BC：完全塑性工作阶段
φχ
Χ（峰值应力）
φχ
Β
CD、CE：下降段
难以对中，而偏心又对抗拉强度测试有很大的干扰。
钢筋
钢筋
混凝土抗拉强度试验试件
（1）影响因素： 试件高度h与边长b之比，比值越大，轴心 抗压强度越小；（如P7图1-4），但当h /b≥3 后， fc / fcu不再变化。 （2）试件: 150mm×150mm×300mm，制作方法同立 方体试件。
4、复合应力状态下的强度（了解）
受压区混凝土被压坏
梁破坏 以上分析说明：与素混凝土梁相比，钢筋混凝 土梁的承载能力和变形能力都有很大提高，并且钢 筋与混凝土两种材料强度都能得到较充分的利用。
第一节 钢筋混凝土结构的基本概念
一、钢筋混凝土结构的基本概念
钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种不同 物理力学性能的材料组成的一种人工材料，它 充分了发挥钢筋和混凝土各自的优点：
三、工程结构设计的基本要求 （一）基本要求
原则：适用、安全、美观、经济、有利 于环保且技术先进；
适用——满足结构预定的使用功能； 安全——在满足使用功能的前提下，具有足
够的安全储备；
美观——满足人们视觉上的需要 ，与周围环 境相协调，且不增加或少增加经济 投入；
经济——省工，省料，工期短； 环保——要保护好周围环境并与之相适应； 技术先进——充分利用先进技术，提高工程
思考
1、为什么工程中大量使用钢筋混凝土结构？ 有何好处？
第一篇 钢筋混凝土结构
1、梁：
Fc：梁的破坏荷载
a)
F1
F1< F c
受拉区
中性轴
F<Fc时,中和轴以 sc 上受压,以下受拉
b)
受拉区
F1
F1= F c
M1
st
素混凝土梁
F = Fc时，出现竖 向裂缝并迅速发
展，梁突然断
裂。发生脆性破
c)
混凝土的强度等级与水泥强度等级、集料 性质、级配、水灰比等有关。
第二节 混凝土
一、混凝土的内部结构 混凝土的构成：水泥、石子、砂、水、外
加剂、细掺料等。 1、固体：集料，水泥石决定混凝土材料的
强度。 2、液体：水泥胶体带有一定塑性，具有流
动性，在一两年后才能变成固体，是引起徐变 的主要原因。
3、孔隙：混凝土结硬、收缩形成。
1
二、钢筋与混凝土能共同工作的条件
1、两者之间有可靠的粘结力； 2、线膨胀系数大致相同，不会因温度发生 变化而影响粘结力，即不发生错动； （混凝土线膨胀系数：1.0～1.5×10-5 /℃， 钢筋线膨胀系数：1.2×10-5/℃） 3、钢筋外面有一个良好的保护层，钢筋被 混凝土所包裹，从而防止钢筋的锈蚀，保证结 构的耐久性。
还与体积收缩和膨胀变形有关。
（2） 影响混凝土应变曲线的主要因素 混凝土强度，应变速率，测试技术及试验 条件。