《结构设计原理》课件 复习课 9-10 章

1、青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 结构设计原理结构设计原理 青海大学 土木工程学院 教授班级：交通2011(1、2) 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 9 钢筋砼受弯构件的应力、裂缝和变形计算 结构构件 的可靠性 本章的主要内容 具有足够的承载力和变形 能力 安全性 适用性 耐久性 在使用荷载下不产生过大 的裂缝和变形 在一定时期内维持其安全 性和适用性的能力 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 1.两种极限状态的对比； 2.裂缝分类； 3.正常使用极限状态的特点； 9.1 概述正常使用极限状态验算的内容 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 一、两种极限状态

2、的区别、两种极限状态的区别 承载能力承载能力极限状态极限状态计算计算 讨论构件在各种不同受 力状态下的承载力计算，承 载力计算是保证结构安全的 首要条件，由此决定了构件 的尺寸、材料、配筋及构造。 9.1.1 两种极限状态的区别 正常使用极限状态验算正常使用极限状态验算 由于构件变形或裂缝过大等影 响构件的适用性及耐久性，而达不 到结构正常使用要求。 除了满足承载力要求后，而对某些构件，还要根据使用 条件进行正常使用极限状态的验算，以保证在正常使用情 况下的应力、裂缝和变形小于正常使用极限状态的限值。 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 1、由作用效应引起的裂缝（M、V、T以及拉力等）

3、 在正常荷载作用下，由于构件下边缘拉应力超过了混 凝土抗拉强度使受拉区混凝土产生的裂缝。这些裂缝总 要产生，习惯上称为荷载裂缝或正常裂缝。 控制方法：控制方法：通过设计计算进行验算和构造措施 9.1.2 裂缝分类 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 2、由外加变形或约束变形引起的裂缝， 大体积混凝土水化热大体积混凝土水化热很大，内部温度较高，内外温差 很大，内部混凝土膨胀受到外部已硬化混凝土的约束， 使构件表面混凝土受拉产生裂缝。 地基不均匀沉降地基不均匀沉降引起的裂缝：基础不均匀下沉会迫使 构件一起变形，在主拉应力作用下混凝土构件开裂。 控制方法：控制方法：通过采用构造措施和施工工艺

4、 9.1.2 裂缝分类 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 3、钢筋锈蚀裂缝 锈蚀是一个电化学过程： 混凝土中的钢筋处在电介质 中，在水、氧气和电子作用下就会形成电池，电子从阳极 不断流向阴极，在阳极附近形成铁锈。只要不断有水和氧 气供应，就会越锈越严重。 9.1.2 裂缝分类 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 (b) 水、水、O2 、 CO2侵入侵入 （d）保护层劈裂）保护层劈裂 钢筋锈蚀后体积会膨胀34倍！使混凝土保护层劈裂。 控制方法：控制方法：采取构造措施（足够厚度的砼保护层和保证砼的密 实性，严格控制早凝剂的掺入量) 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 9.

5、1.3 正常使用阶段的特点 计算依据不同：承载能力极限状态是以破坏阶段 （a）的状态为建立计算图式的基础；而使用阶段一般 是指第阶段，即梁带裂缝工作阶段。 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 1、影响程度不同、影响程度不同：与承载能力极限状态相比，超过正 常使用极限状态所造成的后果（如人员伤亡和经济损失） 的危害性和严重性相对要小一些、轻一些，因而可适当放 宽对其可靠性的保证率的要求。 9.1.3 正常使用阶段的特点 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 2、计算的内容不同、计算的内容不同： 承载能力极限状态：承载能力极限状态：包括截面设计和截面复核。包括截面设计和截面复核。 其

6、计算决定了构件设计尺寸、材料、配筋数量及钢筋 布置，以保证：0MdMu。 正常使用阶段：正常使用阶段： 验算正常使用情况下裂缝宽度和变形小于规范规定的各 项限值。 9.1 概述正常使用阶段的特点 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 3、荷载效应及抗力的取值不同、荷载效应及抗力的取值不同 承载能力极限状态：承载能力极限状态： 汽车荷载应计入冲击系数，作用（或荷载）效应及结 构构件的抗力均应采用考虑了分项系数的设计值； 在多种作用（或荷载）效应情况下，应将各效应设计 值进行最不利组合，并根据参与组合的作用（或荷载）效 应情况，取用不同的效应组合系数。 9.1.3 正常使用阶段的特点 青海大

7、学青海大学 结构设计原理结构设计原理 3、荷载效应及抗力的取值不同、荷载效应及抗力的取值不同 正常使用极限状态：正常使用极限状态： 汽车荷载应可不计冲击系数，作用（或荷载）效应应 取用短期效应和长期效应的一种或几种组合。 短期效应组合就是永久作用（结构自重）标准值与可 变作用频遇值效应的组合；长期效应组合则为永久作用标 准值与可变作用准永久值效应的组合 9.1.3 正常使用阶段的特点 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 1. 钢筋混凝土构件裂缝宽度验算 2. 钢筋混凝土受弯构件的挠度验算 主要内容：主要内容： 1. 换算截面 2. 应力计算 基础知识：基础知识： 9.1.4 章节内容

8、青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 9.2 换算截面 第2个工作阶段的基本假定： 1.平截面假定 2.弹性体假定（压区砼近似按线性分布） 3.受拉区完全不承担拉应力。拉应力完全由钢筋承受。 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 定义：定义： 将钢筋和混凝土两种材料组成的实际截面换算 成为一种拉压性能相同的假想材料组成的匀质截面 即换算截面。 即：将钢筋截面换算为等效的混凝土截面。 9.2 换算截面 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 换算原则换算原则：换算前后钢筋合力的大小和作用点的位置不变。 cscss AA c s sEs cc ss s c s ssc A E E

9、AAA )( sc 平截面假定 sEs A 9.2 换算截面 Asc等效截面面积，为钢筋的换算面积 Es混凝土构件截面的换算系数 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 定义定义：钢筋混凝土受弯构件受力进入第工作阶段（带 裂缝工作阶段）后，受拉区混凝土即不承受拉应力，拉应力 由钢筋承受。将受压区混凝土面积和受拉区钢筋换算面积所 组成的截面称为钢筋混凝土构件开裂截面的换算截面开裂截面的换算截面。 9.2 换算截面开裂截面的换算截面 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 开裂截面的换算截面惯性矩开裂截面的换算截面惯性矩 : cr I2 0 3 3 1 xhAbxI sEscr 矩形截面：

10、矩形截面：对于受弯构件，开裂截面的中性轴通过其换算 截面的形心轴，即 xhAbx sEs 0 2 2 1 1 2 1 0 sEs sEs A bh b A x 00ct SS 9.2 开裂截面的换算截面几何特性 受压区高度x 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 一、应力限值一、应力限值 对于钢筋混凝土受弯构件，公桥规要求进行施工 阶段的应力计算，并应根据可能出现的施工荷载进行内力 组合；同时，受弯构件正截面应力应符合下列条件： l 受压区混凝土边缘纤维应力 ： ck t cc f80. 0 sk t si f75. 0 l受拉钢筋应力： 9.3 应力计算 青海大学青海大学 结构设计原理

11、结构设计原理 l 矩形截面梁正应力计算步骤：矩形截面梁正应力计算步骤：（计算图式见图（计算图式见图92） 1、计算受压区高度x； 2、计算开裂截面的换算截面惯性矩 cr I 3、计算截面应力： 9.3 应力计算 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 受压区混凝土边缘纤维：受压区混凝土边缘纤维： ck cr kx t t cc fx I M 8 . 0 受拉钢筋面积重心处：受拉钢筋面积重心处： sk cr xh t k Es si t f I M i 75. 0 0 9.3 应力计算矩形截面 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 xxhAxb sEsf )( 2 1 0 2 2 2、

12、正、正T T梁：求梁：求x x（判别（判别T T型截面类别）型截面类别） , , f f f xhTb xhTx 为类宽为计 为类计 若若表表明明第第一一形形截截面面，可可按按度度的的矩矩形形截截面面算算 若若表表明明第第二二形形截截面面，重重新新算算 1 1、倒、倒T T梁：按宽度为梁：按宽度为b b，高度为，高度为h h的矩形截面进行应力计算。的矩形截面进行应力计算。 9.3 应力计算T形截面 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 求IcrIcr (公式不一样） 求截面应力截面应力（方法同上） 应力计算结果：应力计算结果：当施工阶段应力验算不满足时，应该 调整施工方法，或者补充、调整

13、某些钢筋。 9.3 应力计算 公路桥规采用的公式是大连工学院海洋工程研究所试验资料基 础上，分析了裂缝宽度的主要因素，舍去次要因素，用数理统计方 法给出的简单适用的公式。 max1 2 3 30 ()() 0.28 10 ss s d wc c cmm E ff s hbbbh A )( 0 006. 0006. 0 02. 002. 0 时，取 时，取 s A d 4 取换算直径： 直径的钢筋时钢筋的直径，采用不同 受拉钢筋的总周长 表面形状系数，带肋：1.0 光圆：1.4 荷载作用系数，短期静 力：1.0 长期：1.5 受力特征系数，受弯1.0， 大偏压0.9 按短期效应组合计算的构件裂缝

14、 处纵向受拉钢筋的应力(MPa) 9.4 裂缝宽度计算 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 公桥规规定，钢筋混凝土受弯构件在荷载作用下， 算得的最大裂缝宽度须满足下述要求： 类和类环境：0.2mm 类和类环境：0.15mm 9.4.2 裂缝限值 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 1、保证使用功能的要求、保证使用功能的要求 结构构件的变形较大时，会严重影响甚至丧失它的使用功 能。如桥梁上部结构过大的挠曲变形使桥面形成凹凸的波 浪形，影响车辆行驶，严重时将导致桥面结构的破坏。 2、满足观瞻和使用者的心理要求、满足观瞻和使用者的心理要求 构件的变形过大，还引起使用者明显的不安全感。

15、 3、避免对其他结构构件的不利影响、避免对其他结构构件的不利影响 构件的变形过大，会影响到与它连接的其他勾结也发生过 大变形，有时甚至会改变荷载的传递路线、大小和性质。 9.4.3 裂缝控制目的 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 l钢筋混凝土受弯构件在正常使用极限状态下的挠度，可 根据给定的构件刚度，用结构力学的方法计算。 l由图乘法可得，简支梁的挠度计算公式： 9.5 受弯构件的挠度验算 承受均布荷载时： 跨中承受集中荷载时： 4 3 5 348 1 48 ql f B PL f B l运用上述公式计算钢筋混凝土的挠度，关键在于解决 抗弯刚度抗弯刚度的合理取值问题。 青海大学青海大

16、学 结构设计原理结构设计原理 0 22 0 1 crcr sscr B B MMB MMB 开裂构件等效截面 的抗弯刚度 短期荷载效应弯矩 0 0 0.95 c E I I 0 全截面的抗弯刚度，B 为全截面换算惯性矩 ccr cr E I I cr 开裂截面的抗弯刚度， B 为开裂截面换算惯性矩 0tk f W cr 开裂弯矩 M 9.5 受弯构件的挠度验算 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 受弯构件在使用阶段的挠度尚应考虑长期效应的影响： ls ff 401.6 40801.45 1.35 C CC 挠度长期增长系数，以下混凝土为； ，取，中间线性插值 9.5 受弯构件的挠度验算

17、 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 桥规规定：钢筋砼受弯构件长期挠度值结构自重产 生的长期挠度值挠度限值 梁式桥主梁的最大挠度处： l 600 1 梁式桥主梁的悬臂端： 1 300 1 l 此处l为受弯构件的计算跨径， l1为悬臂长度。 钢筋砼受弯构件挠度限值： 9.5 受弯构件的挠度限值 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 l 概念：施工时预设的反向挠度。 l 设置目的： 为了消除结构重力这个长期荷载引起的变形； l设置要求： 当由作用（或荷载）短期效应组合并考虑作用（或荷 载）长期效应影响产生的长期挠度不超过计算跨径L的 11600时，可不设预拱度；反之，需设置预拱度。

18、9.5 受弯构件的挠度计算预拱度 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 结构耐久性的基本概念 1、定义： 是混凝土结构在自然环境 、使用环境及材料内部因素的 作用下，在设计要求的目标使 用期内，不需要花费大量资金 加固处理而保持安全、使用功 能和外观要求的能力。 9.6 混凝土结构的耐久性 影响因素影响因素 1. 混凝土冻融破坏 2. 混凝土的碱骨料反应 3. 侵蚀性介质的腐蚀 4. 机械磨损 5. 混凝土的碳化 6. 钢筋锈蚀 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 1对钢筋混凝土受弯构件的应力计算，按第II 工作阶段 进行验算。 2提出了裂缝最大宽度的计算公式，必须小于容许值。

19、3受弯构件在使用阶段的挠度是考虑荷载的短期效应组 合并考虑长期影响(长期增长系数)。在荷载长期作用下， 由于混凝土徐变等因素的影响，截面刚度将进一步下降， 通过挠度增大系数反映。其计算值不得大于规范规定。 4、混凝土结构耐久性的影响因素 第9章 小结 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 1.基本概念 2.受力状态 3.局部承压强度提高系数（混凝土局部承压和配置间接钢筋） 4.局部抗压的局部压力设计值计算 5.局部抗压的抗裂性计算 10 局部受压 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 1. 局部承压：局部承压：构件受力表面，仅有部分面积来承受压力状态 混凝土在局部承压时受力性能与均

20、匀受压时不同。 在局部压力下，由于混凝土接触面积很小，将承受很大的局部 压力，受压区会产生裂缝，甚至会发生破坏，故设计时，必须进 行混凝土的局部承压计算（强度、抗裂性）。 10.1 局部受压基本概念 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 b A A 受拉区：范围不大但应 力很高，所以间接钢筋 尽可能靠顶边布置 受拉区：中间最大，离 开轴线递减 受压区 P x分布 A A 压 拉 x y 10.2 受力状态 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 H a H a b) 9A/Al36a) A/Al9 破坏形态：先开裂后破坏；一开裂即破坏；局部混凝土下陷 10.3 破坏形态 青海大学青海

21、大学 结构设计原理结构设计原理 混凝土局部承压提高系数 局部承压时混凝土的抗压强度高于棱柱体抗压强度， 桥规提出局部承压提高系数，规定值按下式计算： l b A A Al局部承压面积（有钢垫板时按45扩散），当有孔 道时（对圆形承压面积而言）不扣除孔道面积。 Ab局部承压的计算底面积，当有孔道时（对圆形承压 面积而言）应扣除孔道面积。 10.4 局部承压强度提高系数 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 Ab的计算原则：是采用“同心对称有效面积法”，即与 局部承压面积 Al具有相同的形心位置，且要求相应对称。 具体计算时，规定沿Al各边向外扩大的有效距离不超过 Al窄边尺寸b（矩形）或

22、直径a（圆形）。 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 配置间接钢筋时的砼局部承压强度提高系数cor 1、承压区加强钢筋间接钢筋 1）间接钢筋作用： 约束混凝土横向变形； 抑止纵向裂缝发展； 2）配筋方案： 方案1：层状网格钢筋； 方案2：螺旋形钢筋； 方案3：层状网格钢筋+螺旋形钢筋 10.4 配置间接钢筋局部承压强度提高系数cor 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 2、间接钢筋体积配筋率、间接钢筋体积配筋率v计算计算 （1）网格筋）网格筋 (102) l1 指短边方向，l2指长边方向 虚框内为底面积Ab L2 L1 1s1 12s2 2 v cor n A ln A l As n1、As1 方格网沿l1方向的钢筋 根数、单根钢筋的截面面积； n2、As2 方格网沿l2方向的钢筋 根数、单根钢筋的截面面积； s 方格网间接钢筋的层距。 网格筋外围钢筋轴线包围的范围是核 芯区Acor Acor l1l2 青海大学青海大学 结构设计原理结构设计原理 （2）螺旋形钢筋）螺旋形钢筋 (103) 虚线内为底面积Ab 螺旋箍筋内皮包围的范围核芯区Acor 2 corcor 1 4 Ad Ass