桥梁结构设计原理

1、结构设计原理结构设计原理课程简介：课程简介：l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。l1、知识目标： 掌握钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和圬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。工结构概念、构造及计算原理和计算方法。l2、能力目标： 能够应用所学知识进行简单构件截面设计、承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。

2、行配筋计算。l1、课堂教学： 以选用的孙元桃主编的以选用的孙元桃主编的结构设计原理结构设计原理为为 首选教材，采用多媒体教学为主、结合板书的教首选教材，采用多媒体教学为主、结合板书的教 学手段。学手段。l2、课堂讨论： 对知识重点以及难点进行课堂讨论。对知识重点以及难点进行课堂讨论。l3、课程设计： 针对重点内容的课程设计（大作业）。针对重点内容的课程设计（大作业）。l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。材，对即将要进行的课程有所熟悉。l学习各环节要积极主动： 听课、课堂讨论、课后作业、课程设计都要听课

3、、课堂讨论、课后作业、课程设计都要积极主动并且认真完成。积极主动并且认真完成。l勤奋学习的精神： 学习本门课程以及今后事业成败的关键。学习本门课程以及今后事业成败的关键。l1、先行课程： 建筑力学建筑力学道路建筑材料道路建筑材料。本门课程。本门课程 必须是在学习了以上两门课程的基础之上进行必须是在学习了以上两门课程的基础之上进行 的。的。l2、后续课程： 桥梁工程桥梁工程。学习本门课程是为了今后学。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重要的一门专业课，因此本课程的重要性可见一

4、斑。斑。0 0 总总 论论第一章第一章 钢筋混凝土材料的力学性能钢筋混凝土材料的力学性能第二章第二章 结构按极限状态法设计的原则结构按极限状态法设计的原则第三章第三章 钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算第四章第四章 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斜截面承载力计算第五章第五章 钢筋混凝土受弯构件在施工阶段应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六章 钢筋混凝土构件的变形与裂缝验算钢筋混凝土构件的变形与裂缝验算第七章第七章 轴心受压构件承载力计算轴心受压构件承载力计算第八章第八章 偏心受压构件承载力计算偏心受压构件承载力计算第九章

5、第九章 预应力混凝土结构的基本概念及材料预应力混凝土结构的基本概念及材料第十章第十章 受弯构件按承载能力极限状态设计计算受弯构件按承载能力极限状态设计计算第十一章第十一章 受弯构件按正常使用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十二章 预应力混凝土简支梁设计预应力混凝土简支梁设计第十三章第十三章 圬工结构设计计算简介圬工结构设计计算简介课时分配：课时分配：平时作业（10%）出勤（10%）期末考试（60%）课程设计（10%）课堂表现（10%）总成绩（100%）l叶见曙主编：叶见曙主编：结构设计原理结构设计原理，人民交通出版社，人民交通出版社， 20052005年年1212月

6、月 l中华人民共和国行业标准中华人民共和国行业标准公路钢筋混凝土及预应力公路钢筋混凝土及预应力 混凝土桥涵设计规范混凝土桥涵设计规范（jtg d62-2004jtg d62-2004），），20042004年，年， 北京：人民交通出版社。北京：人民交通出版社。 l中华人民共和国行业标准中华人民共和国行业标准圬工桥涵设计规范圬工桥涵设计规范20042004 年，北京：人民交通出版社。年，北京：人民交通出版社。l中华人民共和国行业标准中华人民共和国行业标准公路桥涵设计通用规范公路桥涵设计通用规范（jtg d60-2004jtg d60-2004），），20042004年，北京：人民交通出版社。年，

7、北京：人民交通出版社。课堂三不许、三必须课堂三不许、三必须l不许睡觉不许睡觉l不许玩儿手机、听音乐不许玩儿手机、听音乐l不许说话不许说话l必须按时上下课必须按时上下课l必须按时完成作业必须按时完成作业l必须养成良好的生活习惯必须养成良好的生活习惯课前提问：课前提问：l请问中国的请问中国的“桥梁之都桥梁之都”是那个城市？是那个城市？l这座城市是那年被评为中国的这座城市是那年被评为中国的“桥梁之都桥梁之都”的？的？l茅以升茅以升桥梁委员会桥梁委员会20052005年年会认定：重庆是中国惟一的年年会认定：重庆是中国惟一的 “ “桥都桥都”。重庆现有各类桥梁。重庆现有各类桥梁45004500多座，主城

8、多座，主城嘉陵江嘉陵江和和长长江江 上已有大桥上已有大桥1414座，数量和密度远远超过中国其他城市，建座，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。设密度和施工难度世所罕见。总论总论l结构设计原理三大学习任务：1 1、学会设计构件：、学会设计构件： 确定合理截面尺寸，如：构件截面形状、大小确定合理截面尺寸，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。等；了解构件的具体构造，为施工打基础。2 2、验算所设计构件可靠度：、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、

9、刚度、裂缝。情况下，验算其承载力、稳定性、刚度、裂缝。3 3、为学习桥梁工程打好基础。、为学习桥梁工程打好基础。结构组成及其分类结构组成及其分类l结构：建筑物中承受作用和传递作用的各个部件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的总和称为结构。因此，结构是由若干基本构件 组成。组成。l基本构件按受力特点分为： 受拉构件受拉构件 受压构件受压构件 受弯构件受弯构件 受扭构件受扭构件构件承载力构件承载力l承载力：构件抵抗破坏和抵抗变形的能力。构件抵抗破坏和抵抗变形的能力。l影响承载力的因素有： 1 1、组成材料的性质组成材料的性质 2 2、截面的几何形状截面

10、的几何形状 3 3、截面尺寸截面尺寸 4 4、受力特点及工作条件受力特点及工作条件 5 5、施工因素等施工因素等结构的分类结构的分类l结构按照组成材料的分类： 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构预应力混凝土结构 圬工结构圬工结构 钢结构钢结构 木结构木结构结构设计原理的研究对象：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）就是组成桥梁结构的基本构件（梁、板、柱）pp连续梁简支梁pp板ppppee柱各结构的特点及适用范围各结构的特点及适用范围国内外桥梁发展趋势：国内外桥梁发展趋势：轻型化、标准化、机械化轻型化、标准化、机械化。三种结构特点对比：三种结构特点对比：

11、1 1、结构质量：结构质量： 预应力混凝土结构适用于大跨度结构。预应力混凝土结构适用于大跨度结构。2 2、使用性能：使用性能： 延性、耐久性、耐火性钢筋混凝土结构好；钢结延性、耐久性、耐火性钢筋混凝土结构好；钢结 构强度高。构强度高。3 3、建筑速度建筑速度 钢结构建筑速度最快。钢结构建筑速度最快。 l各种结构的适用范围：l钢筋混凝土结构： 应用最广泛：桥梁、涵洞、挡土墙、路应用最广泛：桥梁、涵洞、挡土墙、路 面、房屋建筑、水工结构等面、房屋建筑、水工结构等l预应力混凝土结构： 多用于大跨度桥梁结构中多用于大跨度桥梁结构中l圬工结构： 砌筑拱圈、墩台、基础、挡土墙等结构砌筑拱圈、墩台、基础、挡

12、土墙等结构结构设计的原则及基本要求：结构设计的原则及基本要求：l设计原则：安全、适用、经济、美观安全、适用、经济、美观l设计要求：具有足够的可靠度。具有足够的可靠度。l承载力：设计使用期内各构件有足够安全储备承载力：设计使用期内各构件有足够安全储备l稳定性：结构及其构件在荷载作用下处于稳定的稳定性：结构及其构件在荷载作用下处于稳定的 平衡状态。平衡状态。l刚度：变形控制在运行范围内。刚度：变形控制在运行范围内。l耐久性：结构在设计基准期内不得过早发生破坏耐久性：结构在设计基准期内不得过早发生破坏 第一章第一章钢筋混凝土材料的基本概念及力学性能l定义：钢筋混凝土是由两种力学性能不同的材钢筋混凝土

13、是由两种力学性能不同的材 料料钢筋和混凝土结合成整体，共同发挥作用钢筋和混凝土结合成整体，共同发挥作用 的一种建筑材料。的一种建筑材料。现将素混凝土梁和配置钢筋的梁进行荷载试验：现将素混凝土梁和配置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荷载试验结果表明：荷载试验结果表明：例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截面尺寸200300mm，混凝土为c20。如图所示：4000aafa)

14、200300aab)4000bbbb200300210316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钢筋混凝土结构不是钢筋和混凝土之间的任意组合。任意组合。其组合的原则：发挥钢筋抗拉、抗压强度其组合的原则：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。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，传混凝土结硬后，能与钢筋牢固地粘结在一起，传递应力。递应力。2. 二者具有相近的线胀系数，不会由于温度变化产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

15、度应力和相对变形而破坏粘结力。生较大的温度应力和相对变形而破坏粘结力。钢筋钢筋 st = 1.2 105混凝土混凝土 ct = 1.0 1.5 1053. 呈碱性的混凝土可以保护钢筋，使钢筋混凝土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。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：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：缺点： 1. 自重大 g=25kn/m3轻骨料砼。2. 抗裂性差施加预应力。混凝土的组份：水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等级的砼。骨

16、料水泥结晶体水泥凝胶体弹性变形的基础塑性变形的基础砼的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。一、一、 混凝土的强度混凝土的强度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)混凝土强度等级：用标准制作方式制成的用标准制作方式制成的150150mm的立方的立方体试块，在体试块，在标准养护条件下养护标准养护条件下养护28天天，用标准试用标准试验方法测得具有验方法测得具有95保证率的抗压强度。保证率的抗压强度。常用等级：常用等级：c15, c20

17、, c25, c30, c35, c40, c45, c55, c60，c65，c70，c75，c802.轴心抗压强度轴心抗压强度 fck真实反映以受压为主的混凝土结构构件真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。的抗压强度。为消除端部约束的影响为消除端部约束的影响 43bhcucff76. 0用立方体强度反映：用立方体强度反映：考虑实际情况考虑实际情况(施工状况、养护条件等施工状况、养护条件等)cucucfff67. 076. 088. 0混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度为抗压强度 。181913. 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 ftk直接测试方

18、法直接测试方法间接测试方法间接测试方法(弯折，劈裂弯折，劈裂)dlpf2t32ff)(26. 0cut32ff)(26. 088. 0cut考虑施工因素，取考虑施工因素，取32f)(23. 0cu二、混凝土的变形二、混凝土的变形 混凝土的变形体积变形（收缩、膨胀）受力变形（由荷载引起）（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l曲线中最大应力值及其对应的应变值l应力-应变曲线形状l破坏时的极限应变值a0cuafcdcccmax混凝土一次短期加荷时的应力-应变曲线l混凝土棱柱体一次短期加荷轴心受压应力-应变曲线c=0.00080.003（计算时取0.002）0 max：上升

19、段max ：下降段cu=0.0020.006（有时可达0.008） 规范取cu=0.0033l几点说明：l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）l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=0.00010.00015，仅为受压极限应变的120 115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l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，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。l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.

20、5fcd）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。l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（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。 受荷后3

21、-4个月徐变发展最（45%- 50%）。全部徐变完成需要4-5年的 时间。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。l4、混凝土的弹性模量kcc0cecp0h原点弹性模量：cee0c tge)n/nm(7 .342 . 2102cu5cfe1716割线模量：ccpcecececcpceccccetge19切线模量： 弹性系数01.0cccddtge 110剪切模量：c = ce + cp18g = 0.4ec（二）混凝土的体积变形混凝土在空气中结硬体积减小的现象。蒸汽养护常温养护051015200.10.20.30.4收缩(103)时

22、间 (月)收缩：收缩的原因凝缩干缩砼凝结硬化时化学反应产生砼自由水蒸发产生收缩的影响因素水泥用量、集料质量水泥强度等级水灰比混凝土振捣养护湿度收缩的危害裂缝光面钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋一、钢筋的种类： 按外形分：光圆钢筋、带肋钢筋、钢丝、钢绞线 按钢料品种分碳素钢合金钢低碳钢（软钢）中碳钢高碳钢硬钢钢筋按照钢料品种分类按生产工艺和加工条件分类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q235hrb335、hrb400、hrb500kl400crb550、cbb650、crb800、crb970、crb1170按外形：光圆p 螺旋肋h刻痕i按加工状态冷拉钢丝消除应力钢丝低松弛钢

23、丝普通松弛钢丝二、钢筋的主要力学性能： 钢筋的 曲线lppaapll比例极限屈服强度极限强度o(n/mm2)fyfted流幅abcoa弹性阶段a比例极限b屈服强度cd强化阶段0.2% 0.2(n/mm2)od极限强度de 颈缩阶段 0.2条件屈服强度 钢筋力学性能指标：对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度 fy 作为强度设计依据。对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度 0.2作为强度设计依据。屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能。 冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧。 冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高 钢材强度，节约钢筋。 冷加工对钢材性能的影响。热处理是对某些特定型号的热轧钢进行 淬火和回火处

24、理。 钢筋的冷加工和热处理钢筋的冷加工和热处理 o冷拉控制应力(n/mm2)冷拉率残余变形oabccdd冷拉无时效冷拉经时效(a)(b)d1d2pd2d1(a) 为冷拉，可采用冷拉控制应力和冷拉率控制。冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服台阶变短。(b) 为冷拔，可同时提高钢材的抗拉和抗压强度。塑性降低很多。 冷轧后，钢筋表面轧成带肋，强度与冷拔低碳 丝接近，塑性要好一些。三、钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求：l1、强度：（屈服强度、极限强度） 屈强比是衡量结构可靠性潜力的重要指标，屈 强比小则可靠性高，但过小的屈强比使钢筋的有 效利用率过低，故要适宜。l2、塑性： 防止结构脆性破坏。l3、可焊

25、性： 保证焊接口处不出现裂纹。与碳、锰含量有关。l4、钢筋与混凝土之间的握裹力： 钢筋和混凝土之间粘结力的组成： 水泥浆凝结与钢筋表面的化学胶结力； 混凝土收缩将钢筋裹紧而产生的摩阻力； 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。ltdmax 黏结强度的计算udltu锚固设计的基本原则是必须保证足够的锚固粘结强度以使钢筋强度得以充分利用，即yfddl42ndldfly，一般取u4 确保黏结强度的措施： 保证锚固长度和搭接长度； 保证钢筋周围的混凝土有足够的厚度；(保护层厚度及钢筋净距) 光圆筋在端部做成弯钩。 选用适宜的混凝土强度等级； 采用带肋钢筋； 设置一定数量的横向钢筋。 第二章第二

26、章结构按极限状态法设计的原则钢筋混凝土结构构件设计：钢筋混凝土结构构件设计：l已知： （1）外部预计荷载（如桥梁建成后车辆的通行 量，人流量等）； （2）建设桥梁拟采用的材料（即材料的各性能 均已知）。l求： （1）确定构件承受已知荷载所需的尺寸。 （2）按照所确定的构件尺寸对构件进行配筋。 （3）按照所设计尺寸和配筋进行安全验算。钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构设计理论设计理论的三个发展阶段的三个发展阶段l1、容许应力计算法 以弹性理论为基础的一种计算方法，不能如实 的反应构件截面的应力状态，不能正确的计算出结 构的承载能力。l2、破坏阶段计算法 20世纪30年代所提出，以弹塑性理论为基础的 一

27、种计算方法，比容许应力计算法有了很大的进 步。l3、极限状态计算法 20世纪50年代所提出，是破坏阶段计算法的发展。 一、作用及其分类：按时间的变异分类：永久作用、可变作用、偶然作用按随空间位置的变异分类：固定作用、可动作用 按结构的反应分类：静态作用、动态作用 结构或结构构件承受内力和变形的能力称为结构抗力r作用直接作用：间接作用：荷载温度应力、基础沉降，地震作用 1. 永久作用：永久作用：在结构使用期内，其量值不随时间变化，或其变化在结构使用期内，其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用；与平均值相比可忽略不计的作用； 2. 可变作用：可变作用：在结构使用期内，其量值随时间

28、变化，且其变化值在结构使用期内，其量值随时间变化，且其变化值与平均值相比较不可忽略的作用；与平均值相比较不可忽略的作用； 3. 偶然作用：偶然作用：在结构使用期间出现的概率小，一旦出现其值很大在结构使用期间出现的概率小，一旦出现其值很大且持续时间很短的作用。且持续时间很短的作用。1. 作用的标准值作用的标准值: 各种作用的基本代表值。其值可根据设计基准期内最各种作用的基本代表值。其值可根据设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。大值概率分布的某一分位值确定。取值规定：取值规定：l 永久作用采用标准值作为代表值：按结构构件的设计尺永久作用采用标准值作为代表值：按结构构件的设计尺寸与容重确定寸

29、与容重确定l 可变作用标准值：见规范可变作用标准值：见规范二、作用的代表值二、作用的代表值 2. 可变作用频遇值可变作用频遇值： 是指结构上较频繁出现的且量值较大的作用取值。是指结构上较频繁出现的且量值较大的作用取值。 频遇值频遇值标准值标准值频遇系数频遇系数1 3. 可变作用准永久值可变作用准永久值 是指在结构上经常出现的且量值较小的荷载作用取值：是指在结构上经常出现的且量值较小的荷载作用取值： 准永久值标准值准永久值标准值准永久值系数准永久值系数 2注：注： 2 1 准永久值频遇值准永久值频遇值 4、公路桥涵设计时，对不同的作用应采用不同的代表值、公路桥涵设计时，对不同的作用应采用不同的代

30、表值（1） 永久作用：采用标准值为代表值。永久作用：采用标准值为代表值。采用频遇值（短期效应组合设计时）采用频遇值（短期效应组合设计时）采用准永久值（长期效应组合设计时）采用准永久值（长期效应组合设计时）正常使用极限状态正常使用极限状态承载能力极限状态：承载能力极限状态：采用标准值作为代表值采用标准值作为代表值（2） 可变作用：可变作用：l2、作用效应与作用效应设计值作用效应作用效应s s 结构由于各种原因，所引起的内力和变形称为作用效应。内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；变形：挠度、转角、裂缝。作用效应设计值作用效应设计值 作用效应标准值与作用分项系数的乘积。 分项系数作用分项系数抗力分项系数结

31、构的抗力结构的抗力r r 结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。 结构抗力的影响因素：材料性能的不确定性材料几何参数的不确定性计算模式的不确定性l3、作用效应组合 （1）基本组合 承载能力极限状态设计时，永久作用效应设计 值和可变作用效应设计值组合。 （2）偶然组合 承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效 应,可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值 效应组合。 （3）作用短期效应组合 正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效 应与可变作用频遇值效应组合。 （4）作用长期效应组合 正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效 应与可变作用频遇值效应组合。 一、结构的可靠性概念：安全性：结构

32、在正常施工和使用时应能承受可能出现的各种荷载及外部作用，以及在偶然事件发生时及发生后能保持必需的整体稳定性。安全性、适用性、耐久性适用性：结构在正常使用时有良好的工作性能。耐久性：结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，但仍能满足预定功能要求。 1、 结构的功能要求2、 结构的可靠性与可靠度结构的可靠性：结构的安全性、适用性、耐久性之总和。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。所有结构构件均应进行承载力计算，对某些构件还需进行变形和裂缝宽度的验算。规范规定：l在进行结构可靠性分析时，考虑持久状况下各 项基本变量与时间关系所取用的基准时间数。3、 设计基准期l桥梁

33、结构取100年的设计基准期。l设计基准期 = 桥梁寿命？l设计基准期长，可靠度高； 设计基准期短，可靠性较低 二、极限状态的基本概念：1、 极限状态的定义和分类：极限状态的分类：承载能力极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态 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结构足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该结构的极限状态。的极限状态。 结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临界状态。界状态。 承载能力极限状态承载

34、能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。继续承载的变形。承载能力承载能力极限状态极限状态结构构件或连接处因结构构件或连接处因超过材料强度超过材料强度而破坏而破坏结构转变结构转变成成机动体系机动体系整个结构或结构的一部整个结构或结构的一部分作为刚体分作为刚体失去平衡失去平衡 （滑动、倒塌）（滑动、倒塌）结构或结构构件结构或结构构件丧丧失稳定失稳定（柱的压曲（柱的压曲失稳）失稳）4321 正常使用极限状态正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。定限值。

35、影响正常使用或外观的影响正常使用或外观的变形变形影响正常使用或耐久性能的影响正常使用或耐久性能的局部损坏局部损坏影响正常使用的影响正常使用的振动振动影响正常使用的其它影响正常使用的其它特定状态特定状态极限状态的 表现形式：(承)：刚体失去平衡，材料强度不足，结构转变为机构，失稳(正)：过大的变形，影响正常使用或耐久性能的局部损坏，过大的振动结构或构件能否完成预定功能与结构的作用效应s与结构的抗力r有关。z = r s由此可采用结构的功能函数 来描述结构完成预定功能的状况。因抗力r和s均具有随机性，所以只能用功能函数z的概率来描述。可靠概率有多大？ z 0，即rs 结构可靠z = 0，即r=s

36、结构处于极限状态。 即rs 结构失效z 0，失效概率有多大? 2、 三种设计状况： 我国我国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范规定的结规定的结构设计的构设计的三种状况：三种状况：1、持久状况：、持久状况：桥涵建成后承受自重、车辆荷载等作用持续时间很长桥涵建成后承受自重、车辆荷载等作用持续时间很长的状况。该状况是指桥梁的使用阶段。的状况。该状况是指桥梁的使用阶段。进行承载能力极限状进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计。态和正常使用极限状态的设计。2、短暂状况：、短暂状况：桥涵施工过程中承受临时性（或荷载）的状况，该状桥涵施工过程中承受临时性（

37、或荷载）的状况，该状况对应的是桥梁的施工阶段，一般只进行承载能力极限状态设计况对应的是桥梁的施工阶段，一般只进行承载能力极限状态设计3、偶然状况：、偶然状况：在桥涵使用过程中偶然出现的状况。（可能遇到地震在桥涵使用过程中偶然出现的状况。（可能遇到地震等作用的状况。等作用的状况。只进行承载能力极限状态设计只进行承载能力极限状态设计3、公路桥涵结构的安全等级l根据桥涵结构破坏所产生的后果的严重程度，可根据桥涵结构破坏所产生的后果的严重程度，可分为：一级、二级、三级。分为：一级、二级、三级。公路桥涵结构的安全等级 一、持久状况承载能力极限状态计算原则1、计算内容：承载力计算、稳定性计算2、计算原则：

38、作用效应组合设计值（s）小 于或等于结构承载力设计（r）3、承载能力极限状态设计表达式0 s r0 桥梁结构重要性系数，按公路桥涵的设计安全等级选用：一级、二级、三级分别取1.1, 1.0, 0.9 s 作用效应组合设计值（内力组合设计值）r 结构构件的承载力设计值r = r( ) = r(fd , d )fd 材料强度设计值d 几何参数设计值 作用效应组合设计值（内力组合设计值）mjqjkqjckqmigikssss211q1gi式中 gi 第i个永久作用分项系数，一般取1.2sgik 第i个永久作用效应标准值。q1 汽车荷载分项系数。取 =1.4sq1k 汽车荷载效应标准值。qj 除汽车荷

39、载、风荷载外地第j个可 变作用效应分项系数，取1.41qsqjk 除汽车荷载效应外地其他滴j个 可变作用效应标准值。c 除汽车荷载效应外的其他可变作用效应组合系数。 二、正常使用极限状态计算原则1、计算内容：抗裂验算 裂缝宽度验算 挠度验算lltkww ldff 在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其他可变作用效应的组合系数。当永久作用与汽车荷载外的其他可变作用效应的组合系数。当永久作用与汽车荷载和人群荷载（或其他一种可变作用）组合时，人群荷载（或和人群荷载（或其他一种可变作用）组合时，人群荷载（或其他一种可变作用）的

40、组合系数其他一种可变作用）的组合系数 0.80；当其除汽车荷载（；当其除汽车荷载（含汽车冲击力，离心力）外尚有两种可变作用参与组合时，含汽车冲击力，离心力）外尚有两种可变作用参与组合时，其组合系数取其组合系数取 0.70；尚有三种其他可变作用参与组合时，；尚有三种其他可变作用参与组合时， 0.60；尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时，；尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时， 0.50。ccccmjqjkqjckqmigikssss211q1gi 裂缝验算规范按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。二级：一般要求不裂，使用阶

41、段允许出现拉应力，但应作限制。三级：允许开裂，应验算裂缝宽度max max 2、正常使用极限状态设计时作用组合、正常使用极限状态设计时作用组合:（1）作用短期效应组合：永久作用标准值效应与可变作）作用短期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其表达式为用频遇值效应相组合，其表达式为:minjqjkjgiksdsss111（2）作用长期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用准）作用长期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其表达式为永久值效应相组合，其表达式为:minjqjkjgikldmss112作用长期效应组合设计值；作用长期效应组合设计值；第第j j个

42、可变作用效应的准永久值系数。汽车荷载（不计冲击力）个可变作用效应的准永久值系数。汽车荷载（不计冲击力）0.40.4，人，人群荷载群荷载0.40.4，风荷载，风荷载0.750.75，温度梯度作用，温度梯度作用0.80.8，其他作用，其他作用1.01.0；第第j j个可变作用效应的准永久值。个可变作用效应的准永久值。作用短期效应组合设计值；作用短期效应组合设计值；第第j j个可变作用效应的频遇值系数。汽车荷载（不计冲击力）个可变作用效应的频遇值系数。汽车荷载（不计冲击力）0.70.7，人群，人群荷载荷载1.01.0，风荷载，风荷载0.750.75，温度梯度作用，温度梯度作用0.80.8，其他作用，

43、其他作用1.01.0；第第j j个可变作用效应的频遇值。个可变作用效应的频遇值。sdsj1qjkjs1ldsj2qjkjs2举例举例l钢筋混凝土简支梁桥主梁在结构重力、汽车荷载和人群荷钢筋混凝土简支梁桥主梁在结构重力、汽车荷载和人群荷载作用下，分别得到在主梁的载作用下，分别得到在主梁的1/4跨径处截面的弯矩标准跨径处截面的弯矩标准值为值为:结构重力产生的弯矩结构重力产生的弯矩wgk552kn.m；汽车荷载弯；汽车荷载弯矩矩mq1k=459.7kn.m；人群荷载弯矩；人群荷载弯矩mq2k=40.6kn.m。进。进行设计时的作用效应组合计算。行设计时的作用效应组合计算。解：解：1.承载能力极限状态

44、设计时作用效应的基本组合承载能力极限状态设计时作用效应的基本组合 mknsssmminjqjkqjckqqgikigd.45.1351)6 .404 . 180. 07 .4594 . 15522 . 1 (0 . 1)(1211002.正常使用极限状态设计时作用效应组合正常使用极限状态设计时作用效应组合（1）作用短期效应组合）作用短期效应组合l作用短期效应组合设计值为作用短期效应组合设计值为 mknmmmmmmkqkqgkminjqjkjgiksd.79.8626 .400 . 198.3857 . 0552)212111111mkn.)/(.mqik9838517459（2）作用长期效应组

45、合）作用长期效应组合mknmmmmmmkqkqgkminjqjkjgikld.63.7226 .404 . 098.3854 . 0552222121112mkn.)/(.mqik9838517459 作用长期效应组合设计值为作用长期效应组合设计值为: 三、混凝土结构的耐久性设计1 1、耐久性问题、耐久性问题（1）混凝土损伤（2）钢筋的锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀等（3）钢筋与混凝土之间黏结锚固作用的削弱2 2、影响耐久性的因素、影响耐久性的因素（1）混凝土碳化（2）化学侵蚀（3）碱集料反应（4）冻融破坏（5）温度变化的影响3 3、混凝土结构耐久性设计原则、混凝土结构耐久性设计原则（1）采用高耐

46、久性混凝土（2）加强桥面排水和防水层设计（3）改进桥梁结构设计：采用防腐蚀保护钢筋 加强构造配筋，控制裂缝发展加大混凝土保护层厚度 第三章受弯构件正截面承载 力计算受弯构件：指截面上受弯构件：指截面上通常有弯矩和剪力共同作通常有弯矩和剪力共同作用而轴力可以忽略不计的用而轴力可以忽略不计的构件。构件。 梁梁和和板板是典型的受弯构是典型的受弯构件。它们是土木工程中数件。它们是土木工程中数量最多、使用面最广的一量最多、使用面最广的一类构件。类构件。第一节第一节 钢筋混凝土受弯构件的构造要求钢筋混凝土受弯构件的构造要求pplllmplvp 受弯构件常见的破坏形态受弯构件常见的破坏形态在弯矩作用下发生正

47、截面受弯破坏；在弯矩作用下发生正截面受弯破坏；在弯矩和剪力共同作用下发生斜截面受剪或在弯矩和剪力共同作用下发生斜截面受剪或受弯破坏。受弯破坏。 一、一、 截面尺寸与配筋构造截面尺寸与配筋构造主筋主筋 行车道板行车道板d10mm,至少至少3根根/m宽不弯起宽不弯起 人行道板人行道板d8mm,至少至少3根根/m宽不弯起宽不弯起mmd128双向板：双向板：周边支承且长边与短周边支承且长边与短边小于边小于2 2的板的板 ，需双向配主筋，需双向配主筋hh0c见附表1-8 70mm人行道板人行道板: h80mm: h80mm（现浇）（现浇） h60mmh60mm（预制）（预制）行车梁空心板顶、底板厚不小于

48、行车梁空心板顶、底板厚不小于80mm80mmt t梁翼板厚端部厚不小于梁翼板厚端部厚不小于100mm100mm，根部厚不小于，根部厚不小于1/10h1/10h梁梁单向板：单向板：单边或对边支承；或虽周单边或对边支承；或虽周边支承但长边与短边之比大于边支承但长边与短边之比大于2 2的的板板 ，按受力方向配主筋，按受力方向配主筋分布分布钢筋钢筋 行车道板行车道板 d8mm,s200 人行道板人行道板 d6mm,s2001. 板板bhh0保护层厚保护层厚c查附表查附表1-8架立筋架立筋 直径直径d=10-14 mm 形成骨架用形成骨架用箍筋架立筋，受压筋弯筋纵筋水平纵向钢筋主钢筋直径主钢筋直径d=1

49、2-40 mm三层以内净距三层以内净距 30mm,d 三层以上三层以上净距净距 40mm,1.25d 箍筋直径箍筋直径d=8 mm,1/4ds单肢箍主筋根数不多于单肢箍主筋根数不多于4根根有多种形式有多种形式 当梁高大于当梁高大于1m时，设置水平纵时，设置水平纵向钢筋，减小因混凝土收缩、向钢筋，减小因混凝土收缩、温度变化引起的表面裂缝。温度变化引起的表面裂缝。l现浇矩形梁高宽比现浇矩形梁高宽比2.0-2.52.0-2.5，梁的宽度一般取为，梁的宽度一般取为100100、120120、150150、(180)(180)、200200、(220)(220)、250250、300300、350350

50、等等mmmm。l预制的预制的t t梁，构件高跨比一般为梁，构件高跨比一般为1/11-1/161/11-1/16，梁肋宽度常取，梁肋宽度常取150-200mm150-200mm。lt t梁翼缘悬臂端厚度不小于梁翼缘悬臂端厚度不小于100mm100mm，梁肋处翼缘厚度不小于梁高的，梁肋处翼缘厚度不小于梁高的1/101/10。 一、一、 截面尺寸与配筋构造截面尺寸与配筋构造2. 梁梁第二节第二节 受弯构件的实验研究受弯构件的实验研究一、对适筋梁的试验：一、对适筋梁的试验： l)4131(l)4131(pl应变测点百分表弯矩m图剪力v图p可绘出跨中弯矩可绘出跨中弯矩m/muf点等曲线如图：点等曲线如图

51、： 第一阶段第一阶段 截面开裂前阶段。截面开裂前阶段。 （整体工作阶段）（整体工作阶段）第二阶段第二阶段 从截面开裂到纵向受拉钢筋从截面开裂到纵向受拉钢筋 到屈服阶段。（带裂缝工作阶段到屈服阶段。（带裂缝工作阶段）第三阶段第三阶段 破坏阶段。破坏阶段。适筋梁的破坏过程适筋梁的破坏过程mi ct sas tbftmcr ct sas tb=ft( tb = tu)cxscrxcrsl整体工作阶段整体工作阶段l（阶段）阶段）试验表明：试验表明：梁正截面变形受力过程中符合平截面假定，应变沿梁梁正截面变形受力过程中符合平截面假定，应变沿梁高呈线性分布高呈线性分布阶段阶段阶段阶段未开裂阶段未开裂阶段,应

52、应力应变力应变 基本基本 呈呈 线性增长线性增长 关系关系 适筋梁的破坏过程适筋梁的破坏过程mii ct sas s yx xcrscl带裂缝工作阶段带裂缝工作阶段（ 阶段）阶段） x y s yfsasmiii ct( ct= cu)(mu)xycyx= x0ycun破坏阶段破坏阶段（阶段）阶段）钢筋已屈服，挠钢筋已屈服，挠度增长明显，混度增长明显，混凝土达到极限抗凝土达到极限抗压态，塑性破坏压态，塑性破坏 阶段阶段阶段阶段应变图应力图对各阶段和各特征点进行详细的截面应力对各阶段和各特征点进行详细的截面应力 应变分析：应变分析：ymyfyasiiamsasiisasmicumufyas=zd

53、xfiiiamfyasiiisast maxmcriaftkz 配筋率0sbha纵向受力钢筋截面面积as与截面有效面积的百分比 二、配筋率对正截面破坏性质的影响1. 少筋梁： 一裂即断, 由砼的抗拉强度控制, 承载力很低。 破坏很突然, 属脆性破坏。 砼的抗压承载力未充分利用。 设计不允许。 max(a)(b)(c)pppppppp.pp.pp.第三节第三节 三种截面受弯构件计算三种截面受弯构件计算课题一课题一 正截面承载力计算基本要求正截面承载力计算基本要求 一、一、 正截面承载力计算基本假定正截面承载力计算基本假定cu 1、两点说明：、两点说明： （1）钢筋和混凝土应变符沿梁高线性分布。）

54、钢筋和混凝土应变符沿梁高线性分布。 （2）受压区混凝土等效矩形应力图。）受压区混凝土等效矩形应力图。dddmumumuasfyasfyasfy实际应力图理想应力图计算应力图x0 x0 xx0 实际受压区高度实际受压区高度x 计算受压区高度，计算受压区高度，x = x0。 混凝土受压区高度换算系数混凝土受压区高度换算系数 等效原则等效原则矩形应力图的的合力与矩形应力图的的合力与抛物线应力图的合力大抛物线应力图的合力大小相等，作用点位置相小相等，作用点位置相同。同。2、基本假定、基本假定（3）忽略混凝土的抗拉强度）忽略混凝土的抗拉强度-假设中性假设中性轴附近的局部混凝土受拉对截面承载力贡轴附近的局

55、部混凝土受拉对截面承载力贡献微小。献微小。（2）正截面破坏时，构件受压区混凝土应力）正截面破坏时，构件受压区混凝土应力取抗压强度设计值取抗压强度设计值fcd，应力计算图形为矩形。，应力计算图形为矩形。（1）构件弯曲后任保持平面，受压区混凝）构件弯曲后任保持平面，受压区混凝 土平均应变和钢筋的应变沿截面高度符合线土平均应变和钢筋的应变沿截面高度符合线性分布。性分布。 二、二、 适筋梁的基本条件适筋梁的基本条件 1 1、适筋梁与超筋梁的界限、适筋梁与超筋梁的界限 （1 1）界限破坏：界限破坏：受拉钢筋应力达到屈服强度的受拉钢筋应力达到屈服强度的 同时，受压区混凝土边缘压应变也达到极限压同时，受压区

56、混凝土边缘压应变也达到极限压应变，这样的破坏称界限破坏。应变，这样的破坏称界限破坏。 （2 2）相对受压区高度：相对受压区高度：相对受压区高度令0hx （3 3）相对界限受压区高度：相对界限受压区高度：相对界限受压区高度令0bhxb由以上分析可知由以上分析可知: b 超筋超筋破坏破坏 = b 界限界限破坏破坏cuh0sxb xbss保证不是超筋梁的条件保证不是超筋梁的条件x bh0 2 2、适筋梁与少筋梁的界限、适筋梁与少筋梁的界限sdtdff45. 0min为了保证梁的配筋不出现少筋梁，配筋率必为了保证梁的配筋不出现少筋梁，配筋率必须满足如下条件：须满足如下条件： 且不小于且不小于0.2%

57、3 3、几点说明：、几点说明：经济配筋率经济配筋率课题二课题二 单筋矩形截面受弯构件计算单筋矩形截面受弯构件计算)2()2(00 xhafxhbxfmafbxfssdcdussdcd一、一、 适筋梁承载力基本公式及适用条件适筋梁承载力基本公式及适用条件mufcdx/2cfsdasxh0适用条件适用条件防止超筋防止超筋脆性破坏脆性破坏sdcdbbffhxmax0或受弯构件正截面受弯承载力计算包括截面设计截面设计、截面截面复核复核两类问题。 0minbhas防止少筋防止少筋脆性破坏脆性破坏二、计算内容二、计算内容单排钢筋单排钢筋双排钢筋时双排钢筋时)mm(40),mm(400hhas)mm(65)

58、,mm(650hhas按承载力要求进行新构件设计按承载力要求进行新构件设计截面设计截面设计对钢筋混对钢筋混凝土板凝土板)mm(35)mm(2500hhhh对绑扎钢筋骨架对绑扎钢筋骨架对焊接多层钢筋骨架对焊接多层钢筋骨架)mm(100),mm(1002/1300hhndassbhh0（已知（已知b、fsd、 fcd , m d，求，求as ）sdcdsfbxfa/)2(00 xhbxfmmcdudbhh0mufcdx/2cfsdasxh0按一元二次方程解出按一元二次方程解出x满足：满足：x bh0选择钢筋直径和根数，进选择钢筋直径和根数，进行截面钢筋布置。行截面钢筋布置。根据实际配筋情况，进入根

59、据实际配筋情况，进入截面验算步骤。截面验算步骤。按承载力要求进行新构件设计按承载力要求进行新构件设计截面设计截面设计二、计算内容二、计算内容二、二、 计算内容计算内容既有构件承载力计算既有构件承载力计算截面复核截面复核0bhas minmin x bh0素混凝土梁素混凝土梁的受弯承载的受弯承载力力mcr适筋梁的受弯适筋梁的受弯承载力承载力mu超筋梁的受弯超筋梁的受弯承载力承载力mu当采用单排钢筋时当采用单排钢筋时当采用双排钢筋时当采用双排钢筋时2/0sdchh)2/0sdchhsbhh0bfafxcdssdx bh0（已知（已知b、h0、fsd、 fcd 、 as，求，求mu）课题三课题三 双

60、筋矩形截面受弯构件计算双筋矩形截面受弯构件计算一、一、 选择双筋矩形截面的条件选择双筋矩形截面的条件1 1、荷载效应较大、荷载效应较大, , 而提高材料强度和截面尺寸受而提高材料强度和截面尺寸受到限制；到限制；2 2、存在反号弯矩的作用；、存在反号弯矩的作用；3 3、由于某种原因、由于某种原因, , 已配置了一定数量的受压钢筋。已配置了一定数量的受压钢筋。双筋矩形截面的特点：双筋矩形截面的特点：（1）不经济；）不经济； （2）提高截面延性及抗震性能；）提高截面延性及抗震性能； （3）减少构件变形。）减少构件变形。二、二、 双筋矩形截面正截面承载力计算公式及适用条件双筋矩形截面正截面承载力计算公