《结构设计原理》复习资料

1、结构设计原理复习资料第一篇 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一、学习目的 本章介绍了钢筋混凝土的基本概念，分别从强度、变形等方面阐述了组成钢筋混凝土材 料的混凝土和钢筋的特性，并对钢筋与混凝土共同作用机理作了简要说明。学习本章的目的 是使读者认识并熟悉钢筋混凝土材料，了解它们的工作性能，能在工作中正确的使用它们。本课程的主要内容取材于我国现行的公路桥涵设计通用规范（JTJ D60-2004 ）、公路圬工桥涵设计规范 （ JTG D61-2005）、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62-2004 ）、公路桥涵钢结构和木结构设计规范 （JTJ 0

2、25-86 ）。习惯上将上述设计规范统 称为公路桥规 。二、学习重点 在本章的学习中应注意以下几个方面的问题：（ 1）混凝土的强度指标有哪些，以及获得它们的方法； （2）混凝土的应力应变关系曲线，弹性模量的取值方法；（ 3）混凝土收缩、徐变的概念及特性； （ 4）两类钢材的变形及强度特征； （5）锚固长度的意义； （6）钢筋混凝土 结构对混凝土与钢筋的基本要求。三、复习题（一）填空题1、在钢筋混凝土构件中钢筋的作用是替混凝土受拉 或 协助混凝土受压 。2、混凝土的强度指标有 混凝土的立方体强度 、 混凝土轴心抗压强度 和 混凝土抗拉 强度 。3、混凝土的变形可分为两类： 受力变形 和 体积变形

3、 。4、钢筋混凝土结构使用的钢筋， 不仅要 强度高 ，而且要具有良好的 塑性 、 可焊性 ， 同时还要求与混凝土有较好的 粘结性能 。5、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 、 浇筑位置 、保护层厚度 及 钢筋净间距 。6、钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料能够有效地结合在一起共同工作，其主要原 因是： 钢筋和混凝土之间具有良好的粘结力 、 钢筋和混凝土的温度线膨胀系数接近 和 混 凝土对钢筋起保护作用 。7、混凝土的变形可分为混凝土的受力变形 和混凝土的 体积变形 。其中混凝土的徐变 属于混凝土的 受力 变形，混凝土的收缩和膨胀属于混凝土的 体积 变形。（二）判

4、断题1、素混凝土的承载能力是由混凝土的抗压强度控制的。 【】2、混凝土强度愈高，应力应变曲线下降愈剧烈， 延性就愈好。 【】3、线性徐变在加荷初期增长很快，一般在两年左右趋以稳定，三年左右徐变即告基本终 止。【】4、水泥的用量愈多，水灰比较大， 收缩就越小。 【】5、钢筋中含碳量愈高， 钢筋的强度愈高，但钢筋的塑性和可焊性就愈差。 【】（三）名词解释1、混凝土的立方体强度我国公路桥规规定以每边边长为150mm的立方体试件，在 20 2的温度和相对湿度在 90%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极限强度值（以MPa计）作为混凝土的立方体抗压强度，用符号fcu

5、表cu示。2、混凝土的徐变在荷载的长期作用下，混凝土的变形将随时间而增加，亦即在 应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长，这种现象被称为混凝土的徐变。3、混凝土的收缩混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为混凝土的收缩。（四）简答题1、简述混凝土应力应变曲线的三个阶段？答：在上升段，当应力小于 0.3 倍的棱柱体强度时，应力应变关系接近直线变化，混凝土 处于弹性工作阶段。在应力大于等于 0.3 倍的棱柱体强度后，随着应力增大，应力应变关系愈 来愈偏离直线，任一点的应变可分为弹性应变和塑性应变两部分。原有的混凝土内部微裂缝 发展，并在孔隙等薄弱处产生新的个别的微裂缝。当应力达到 0.8 倍的

6、棱柱体强度后，混凝土 塑性变形显著增大，内部微裂缝不断延伸扩展，并有几条贯通，应力应变曲线斜率急剧减小。 当应力达到棱柱体强度时，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常见 裂缝。在下降段，到达峰值应力后，混凝土的强度并不完全消失，随着应力的减少，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。在收敛段，在反弯点之后，应力下降的速度减慢，趋向于稳定的残余应力。表面纵向裂 缝把混凝土棱柱体分成若干个小柱，荷载由裂缝处的摩擦咬合力及小柱体的残余强度所承受。2、简述混凝土发生徐变的原因？ 答：在长期荷载作用下，混凝土凝胶体中的水份逐渐压出，水泥石逐渐粘性流动，微细 空隙逐渐闭

7、合，细晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。第二章 结构按极限状态法设计计算的原则一、学习目的 本章主要介绍了关于公路桥规的计算原则，即承载能力极限状态和正常使用极限状 态计算原则，这是公路桥涵设计的基本准则。计算理论发展阶段：以弹性理论为基础的容许应力计算法考虑钢筋混凝土塑性性能 的破坏阶段计算法半经验、半概率的“三系数”极限状态设计法（荷载系数、材料系数、 工作条件系数）以结构可靠性理论为基础的概率极限状态设计法（又分为三个水准：水 准半概率设计法，水准近似概率设计方法，水准全概率设计法） 。公路桥规采用的是以结构可靠性理论为基础的近似概率极限状态设计法，其概率反 映在荷

8、载组合与材料取值等方面。学习本章的目的是为了使读者了解设计规范的要求及原则。二、学习重点 本章的学习重点为设计方法的演变过程，从容许应力法到考虑塑性性能的破坏阶段计算 方法到极限状态法；两类极限状态的基本含义；材料强度取值的方法，特别注意个类强度的 区别与联系；结合公路桥规了解荷载分类及荷载组合的形式。三、复习题（一）填空题1、结构设计的目的， 就是要使所设计的结构， 在规定的时间内能够在具有足够 可靠性 性 的前提下，完成 全部功能 的要求。2、结构能够满足各项功能要求而良好地工作，称为结构可靠 ，反之则称为 失效 ，结构工作状态是处于可靠还是失效的标志用 极限状态 来衡量。3、国际上一般将

9、结构的极限状态分为三类：承载能力极限状态 、 正常使用极限状态 和“破坏一安全”极限状态 。4、正常使用极限状态的计算，是以弹性理论或塑性理论为基础，主要进行以下三个方面 的验算： 应力计算 、 裂缝宽度验算 和 变形验算 。5、公路桥涵设计中所采用的荷载有如下几类：永久荷载 、 可变荷载 和 偶然荷载 。6、结构的 安全性 、 适用性 和 耐久性 通称为结构的可靠性。7、作用是指使结构产生内力、变形、应力和应变的所有原因，它分为直接 作用和 间接 作用两种。 直接作用 是指施加在结构上的集中力或分布力如汽车、人群、结构自重等， 间接作用 是指引起结构外加变形和约束变形的原因， 如地震、 基础

10、不均匀沉降、 混凝土收缩、 温度变化等。8、结构上的作用按其随时间的变异性和出现的可能性分为三类：永久作用（恒载） 、可变作用 和 偶然作用 。9、我国公路桥规根据桥梁在施工和使用过程中面临的不同情况，规定了结构设计的 三种状况： 持久 状况、 短暂 状况和 偶然 状况。10、公路桥规根据混凝土立方体抗压强度标准值进行了强度等级的划分，称为混凝土 强度等级并冠以符号 C来表示，规定公路桥梁受力构件的混凝土强度等级有13 级，即 C20C80，中间以 5MPa 进级。 C50 以下为普通强度混凝土， C50 及以上混凝土为高强度混凝土。 公路桥规规定受力构件的混凝土强度等级应按下列规定采用：钢筋

11、混凝土构件不应低于 C20 ，用 HRB400 、KL400 级钢筋配筋时， 不应低于 C25 ；预应力混凝土构件不应低于 C40 。11、结构或结构构件设计时，针对不同设计目的所采用的各种作用规定值即称为作用代 表值。作用代表值包括作用 标准值 、 准永久值 和 频遇值 。（二）名词解释1、结构的可靠度结构在规定的时间内，在规定的条件下， 完成预定功能的概率。2、结构的极限状态当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设 计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该功能的极限状态。第九章 钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形计算一、学习重点 本章介绍了钢筋混凝土受弯构件在施工阶段的钢筋

12、、混凝土应力计算，使用阶段的挠度 计算以及裂缝宽度的计算，这些内容均为正常使用极限状态的范畴。本章的重点和难点在： 承载能力极限状态与正常使用极限状态在计算方面的差异；正常使用极限状态验算法的基本 内容及其运用；影响裂缝宽度的主要因素；熟练应用所学力学知识求解静定、超静定结构的 挠度。二、复习题（一）填空题1、对于所有的钢筋混凝土构件都要求进行强度计算，而对某些构件，还要根据使用条件 进行 正常使用阶段 计算。2、对于钢筋混凝土受弯构件， 公路桥规规定必须进行使用阶段的 变形 和 弯曲裂缝 最大裂缝宽度 验算。3、在进行施工阶段验算时，应根据 可能出现的施工荷载 进行内力组合。4、钢筋混凝土结

13、构的裂缝， 按其产生的原因可分为以下几类： 由荷载效应引起的裂缝 、 由外加变形或约束变形引起的裂缝 和 钢筋锈蚀裂缝 。5、裂缝宽度的三种计算理论法： 粘结滑移理论法 、 无滑移理论 和 综合理论6、对于结构重力引起的变形是长期性的变形，一般采用 设置预拱度 来加以消除。7、影响裂缝宽度的主要因素有： 钢筋应力 、 钢筋直径 、 配筋率 、 保护层厚度 、 钢筋外形 、 荷载作用性质 和 构件受力性质 等。（二）判断题1、在使用阶段， 钢筋混凝土受弯构件是不带裂缝工作的。 【】2、对于钢筋混凝土构件在荷载作用下产生的裂缝宽度，主要是在设计计算和构造上加以控制。【】3、设置预拱度的目的是为了线

14、型美观。 【】（三）简答题1、简述钢筋混凝土受弯构件在使用阶段计算的特点？答：钢筋混凝土受弯构件的承载能力极限状态是取构件破坏阶段，而使用阶段一般是指 梁带裂缝工作阶段。在钢筋混凝土受弯构件的设计中，其强度计算决定了构件设计尺寸、材料、配筋量及钢 筋布置，以保证截面承载能力要大于荷载效应；计算方法分截面设计和截面复核两种方法。 使用阶段计算是按照构件使用条件对已设计的构件进行计算，以保证在使用情况下的应力、 裂缝和变形小于正常使用极限状态的限值，这种计算称为“验算” 。钢筋混凝土受弯构件的强度计算必须满足荷载效应小于等于截面承载能力，其中荷载效 应为所考虑荷载组合系的效应值，且承载能力要考虑材

15、料安全系数及工作条件系数。2、简述设置预拱度的目的及如何设置预拱度？ 答：设置预拱度的目的是为了消除结构重力这个长期荷载引起的变形，另外，希望构件 在平时无静活载作用时保持一定的拱度。 公路桥规规定：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l / 1600 （ l 为计算跨径）时，可不设预拱度；当不符合上述规定时则应设预拱度。钢筋混凝土受弯构件预拱度值按结构自1重和 1 可变荷载频遇值计算的长期挠度值之和采用。2第十章 局部承压一、学习重点局部承压的概念，局部承压的特点，局部承压的破坏形态和破坏机理，局部承压的计算 方法。二、复习题（一）填空题1、局

16、部承压是指在构件的表面上仅有部分面积承受压力的受力状态。局部承压试件的抗 压强度 远高于 同样承压面积的棱柱体抗压强度（全截面受压） 。2、混凝土局部承压的破坏形态主要有三种：先开裂后破坏 、 一开裂即破坏 、 局部混凝土下陷 。3、混凝土局部承压的工作机理主要有两种：套箍理论 和 剪切理论 。4、为了提高混凝土局部承压强度，可以在混凝土局部承压区内配置间接钢筋 ，局部承压区内配置间接钢筋可采用 方格钢筋网 或 螺旋式钢筋 两种。5、公路桥规规定，混凝土局部承压必须进行局部承压区承载力计算 和 局部承压区抗裂性计算 。（二）简答题1、简述混凝土构件局部承压的特点？ 答：构件表面受压面积小于构件

17、截面积；局部承压面积部分的混凝土抗压强度比全截面受压时混凝土抗压强度高；在局部承压区的中部有横向拉应力 x ，这种横向拉应力可使混凝土产生裂缝。2、局部承压区段混凝土内设置间接钢筋的作用是什么？常用的间接钢筋有哪几种配筋形 式？答：间接钢筋的作用是：提高局部承压区的抗裂性和极限承载能力。 间接钢筋常用的配筋形式有两种：方格钢筋网和螺旋式钢筋。第十一章 深受弯构件一、学习重点深受弯构件的概念，深梁的破坏形态，短梁的破坏形态，了解深受弯构件的计算方法。二、复习题（一）填空题1、钢筋混凝土深受弯构件是指跨度与其截面高度之比较小的梁。公路桥规规定，梁的计算跨径 l与梁的高度 h之比 l/h 5的受弯构

18、件称为 深受弯构件 。深受弯构件又可分为 短梁和深梁： l/h 2的简支梁和 l/h 2.5的连续梁定义为 深梁 ；2l /h 5的简支梁和 2.55 时，按 钢 筋混凝土一般受弯构件 进行承载力计算；当盖梁的跨高比 l / h为：简支梁 2l /h 5；连续 梁 2.5 l / h 5 时，钢筋混凝土盖梁应作为深受弯构件（短梁）进行承载力计算。（二）简答题1、简述深受弯构件的设计计算一般都包括哪些内容？ 答：一般包括正截面抗弯承载力计算、斜截面抗剪承载力计算和最大裂缝宽度的计算等 三个方面的内容。第二篇 预应力混凝土结构第十二章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料一、学习重点 预应力混凝土能

19、够有效、合理地利用高强度材料，减小截面尺寸，减轻了结构自重，从 而可大大提高结构的抗裂性、刚度、耐久性，从本质上改善了钢筋混凝土结构，使混凝土结 构得到广泛的应用。施加预应力的方法主要有先张法和后张法。施工工艺不同，建立预应力的方法也就不同。先张法主要是靠粘结力传递并保持预加应力的。预应力混凝土结构中，预压应力的大小主要取决于钢筋的张拉应力。要能有效地建立预 应力，则必须采用高强度钢材和较高等级的混凝土。二、复习题（一）填空题1、钢筋混凝土结构在使用中存在如下两个问题： 需要带裂缝工作 和 无法充分利用高 强材料的强度 。2、将配筋混凝土按预加应力的大小可划分为如下四级： 全预应力 、 有限预

20、应力 、 部 分预应力 和 普通钢筋混凝土结构 。3、预加应力的主要方法有 先张法 和 后张法 。4、后张法主要是靠 工作锚具 来传递和保持预加应力的；先张法则主要是靠 粘结力 来 传递并保持预加应力的。5、锚具的型式繁多，按其传力锚固的受力原理，可分为： 依靠摩阻力锚固的锚具 、 依靠承压锚固的锚具 和 依靠粘结力锚固的锚具 。6、夹片锚具体系主要作为锚固 钢绞线筋束 之用。7、国内桥梁构件预留孔道所用的制孔器主要有两种：抽拔橡胶管 和 螺旋金属波纹管 。8、预应力混凝土结构的混凝土，不仅要求高强度，而且还要求能快硬 、 早强 ，以便能及早施加预应力，加快施工进度，提高设备、模板等利用率。9

21、、影响混凝土徐变值大小的主要因素有荷载集度 、 持荷时间 、 混凝土的品质 与 加载龄期 以及 构件尺寸 和 工作环境 等。10、国内常用的预应力筋有： 冷拉热轧钢筋 、 热处理钢筋 、 高强度钢丝 、 钢绞线 、 冷拔低碳钢丝 。（二）名词解释1、预应力混凝土所谓预应力混凝土，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中 引入内部应力，且其数值和分布恰好能将使用荷载产生的应力抵消到一个合适程度的配筋混 凝土。2、预应力度 公路桥规将预应力度定义为由预加应力大小确定的消压弯矩M 0与外荷载产生的弯矩 M s的比值。3、预应力混凝土结构由配置预应力钢筋再通过张拉或其他方法建立预应力的结 构，就称为预应力

22、混凝土结构。（三）简答题1、简述预应力混凝土结构的优缺点？ 答：优点：提高了构件的抗裂度和刚度；可以节省材料，减小自重；可以减小混凝土梁 的竖向剪力和主拉应力；结构质量安全可靠；预应力可做为结构构件连接的手段，促进了桥 梁结构新体系与施工方法的发展。缺点：工艺较复杂，对施工质量要求甚高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍； 需要有一定的专门设备；预应力反拱度不易控制；预应力混凝土结构的开工费用较大，对于 跨径小、构件数量少的工程，成本较高。2、为了获得强度高和收缩、徐变小的混凝土，应采取哪些措施？ 答：为了获得强度高和收缩、徐变小的混凝土，应尽可能地采用高标号水泥，减少水泥 用量，降低水灰比

23、，选用优质坚硬的骨料，并注意采取以下措施：严格控制水灰比；注意选 用高标号水泥；注意选用优质活性掺合料；加强振捣与养护。3、在预应力混凝土构件中，对预应力钢筋有什么样的要求？答：首先强度要高，预应力钢筋必须采用高强度钢材，这已从预应力混凝土结构本身的 发展历史作了积好的说明；还要有较好的塑性和焊接性能，高强度钢材，其塑性性能一般较 低，为了保证结构物在破坏之前有较大的变形能力，必须保证预应力钢筋有足够的塑性性能， 而良好的焊接性能则是保证钢筋加工质量的重要条件；要具有良好的粘结性能；另外应力松 弛损失要低。第十三章 预应力混凝土受弯构件的设计与计算一、学习重点在预应力混凝土受弯构件设计时，由于

24、施工阶段和使用阶段构件的应力状态不同，因此， 必须掌握预应力混凝土受弯构件从张拉钢筋到加载直至破坏截面的受力过程。预应力混凝土构件中，引起预应力损失的因素较多，不同的预应力损失发生和完成的时 间不同，因此，在设计中应根据实际情况，正确地考虑预应力损失的组合及计算，同时应注 意在设计施工中尽可能减少预应力损失。预应力混凝土受弯构件与普通钢筋混凝土一样，也是按承载能力和正常使用极限状态法 设计。为此，应掌握构件正截面、斜截面承载力计算以及施工、使用阶段的应力等验算。构 件在施工和使用阶段材料处于弹性工作阶段，应力计算按材料力学公式进行，但应注意 采用相应的截面几何特性。先张法构件，预应力是通过钢筋

25、和混凝土之间的粘结力传递的，其传递要有一定的长度 即应力传递长度。而锚固长度则是使钢筋充分发挥强度所需的钢筋最短埋入长度。后张法构 件，由于锚下混凝土要承受巨大的压力，因此，必须进行局部承压验算。二、复习题（一）填空题1、预应力混凝土受弯构件，从预加应力到承受外荷载，直至最后破坏，可分为三个主要 阶段，即 施工阶段 、 使用阶段 和 破坏阶段 。2、摩擦损失，主要由于 管道的弯曲 和 管道的位置偏差 两部分影响所产生。3、预应力混凝土构件应力计算的内容包括混凝土正应力 、 剪应力与主应力 以及 钢筋的应力 。4、验算主应力目的是 在于防止产生自受弯构件腹板中部开始的斜裂缝 。5、主拉应力的验算

26、实际上是 斜截面抗裂性 的验算。6、预应力混凝土受弯构件的挠度，是由偏心预加力引起的上挠度 和 外荷载所产生的下挠度 两部分所组成。7、预应力混凝土梁的抵抗弯矩是由基本不变的预加力 与随外弯矩变化而变化的 内力 偶臂 的乘积所组成。（二）判断题1、预应力混凝土梁的破坏弯矩主要与是否在受拉钢筋中施加预拉应力有关。 【】2、张拉控制应力一般宜定在钢筋的比例极限之下。 【】3、对应一次张拉完成的后张法构件， 混凝土弹性压缩也会引起应力损失。 【】4、构件预加应力能在一定程度上提高其抗剪强度。 【】5、先张法构件预应力钢筋的两端， 一般不设置永久性锚具。 【】6、预应力混凝土简支梁由于存在上挠度， 在

27、制作时一定要设置上挠度。 【】（三）名词解释1、预应力损失设计预应力混凝土受弯构件时，需要事先根据承受外荷载的情况，估定其预加应力的大小，但是，由于施工因素、材料性能和环境条件等的影响，钢筋中的预拉应力将要逐渐减少，这种减少的应力就称为预应力损失。2、张拉控制应力 con 张拉控制应力是指预应力钢筋锚固前张拉钢筋的千斤顶所显示的总拉力除以预应力钢筋截面积，所求得的钢筋应力值。（四）简答题1、简述在预应力混凝土构件施工阶段的设计计算要求？ 答：控制受弯构件上、下缘混凝土的最大拉应力和压应力，以及梁腹的主应力，都不 应超出公路桥规的规定值；控制预应力筋的最大张拉应力；保证锚具下混凝土局部 承压的容

28、许承载能力，应大于实际承受的压力，并有足够的安全度，以保证梁体不出现水平 纵向裂缝。2、简述预应力混凝土梁的设计计算步骤？ 答：根据设计要求，参照已有设计的图纸与资料，选定构件的截面型式与相应尺寸； 或者直接对弯矩最大截面，根据截面抗弯要求初步估算构件混凝土截面尺寸；根据结构可 能出现的荷载组合，计算控制截面最大的设计弯矩和剪力；根据正截面抗弯要求和已初定 的混凝土截面尺寸，估算预应力钢筋的数量，并进行合理的布置；计算主梁截面几何特性； 进行正截面与斜截面承载力计算；确定预应力钢筋的张拉控制应力，估算各项预应力损 失并计算各阶段相应的有效预应力；按短暂状况和持久状况进行构件的应力验算；进行 正截面和斜截面的抗裂验算；主梁的变形计算；锚端局部承压计算与锚固区设计。3、简述预应力钢束的布置原则？ 答：钢束的布置，应使其重心线不超出束界范围。大部分钢束在靠近支点时，均须逐 步弯起；钢束弯起的角度，应与所承受的剪力变化规律相配合；钢束的布置应符合构造 要求，这对保证构件的耐久性和满足设计、施工的具体要求都是必不可少的。第十四章 部分预应力混凝