结构设计原理 cha16

1、 第三篇 圬工结构第十六章 圬工结构的基本概念与材料圬工结构的基本概念与材料 l 圬工结构的概念及污工结构的特点。圬工结构的概念及污工结构的特点。 l 圬工材料的种类。圬工材料的种类。 l 砌体受压破坏特征和应力状态以及影响因素。砌体受压破坏特征和应力状态以及影响因素。 l 砌体的抗拉、抗弯、抗剪的破坏形式。砌体的抗拉、抗弯、抗剪的破坏形式。 本章的主要内容：16.1 圬工结构的基本概念与材料与特点 一、圬工结构的基本概念一、圬工结构的基本概念 1 1、圬工结构圬工结构 以砖、石材作为建筑材料，通以砖、石材作为建筑材料，通过将其与砂浆或小石子混凝土过将其与砂浆或小石子混凝土砌筑而成的砌体所建成

2、的结构砌筑而成的砌体所建成的结构用砂浆砌筑混凝土预制块、整用砂浆砌筑混凝土预制块、整体浇筑的混凝土或片石混凝土体浇筑的混凝土或片石混凝土等构成的结构等构成的结构 砖石结构砖石结构 混凝土结构混凝土结构 圬工结构圬工结构2 2、受力特点、受力特点 抗压强度高而抗拉和抗剪强度低抗压强度高而抗拉和抗剪强度低 3 3、应用、应用 圬工拱桥的拱圈、桥的重力式墩台及扩大基础、圬工拱桥的拱圈、桥的重力式墩台及扩大基础、涵洞及重力式挡土墙等涵洞及重力式挡土墙等 4 4、圬工结构的优缺点、圬工结构的优缺点 优点：优点： 原材料分布广，易于就地取材，价格低廉；原材料分布广，易于就地取材，价格低廉； 有较强的耐久性

3、、耐火性及稳定性，维护费用低；有较强的耐久性、耐火性及稳定性，维护费用低； 施工简便，不需特殊设备，易于掌握；施工简便，不需特殊设备，易于掌握； 具有较强的抗冲击性能及较大的超载性能。具有较强的抗冲击性能及较大的超载性能。 缺点：缺点： 自重大，材料用量多；自重大，材料用量多； 施工周期长，机械化程度低；施工周期长，机械化程度低； 抗拉、抗弯强度很低，抗震能力差。抗拉、抗弯强度很低，抗震能力差。主跨(Main Span)：13.45米桥梁类型(Type of the Bridge)：古代桥梁、圬工拱桥、拱桥所在地(Location)：北京、永定河全长(Length)：212.2米建成时间(co

4、mpleted year)：公元1192年北京宛平卢沟桥在北京广安门外公里，跨永定河。桥始建于金大定二十八年(公元年），完工于金明昌三年(公元年）。桥全长米，共孔，净跨不等，自米至米，桥宽米，墩宽米至米。拱券接近半圆形。桥墩迎水面有尖端镶有三角铁柱的分水尖，背水面为削角方形。桥面上石拦杆共间，各望柱头上，雕刻有石狮个。东门桥 桥梁类型(Type of the Bridge)：古代桥梁、拱桥、圬工拱桥 所在地(Location)：湖北、荆州 位于湖北省荆州市旧城(江陵）护城河上。石拱桥，共孔，每孔拱顶处有一龙头，龙尾。解放后进行了改建，龙头嘴设有喷水装置，喷水如雾，光照水雾彩虹横贯，可称一绝。二

5、、材料种类二、材料种类 1 1、石材、石材 概念：是无明显风化的天然岩石经过人工概念：是无明显风化的天然岩石经过人工开采加工后的建筑用材。开采加工后的建筑用材。 优点：强度高、抗冻与抗气性能好。优点：强度高、抗冻与抗气性能好。 应用：广泛用于建造桥梁基础、墩台、挡应用：广泛用于建造桥梁基础、墩台、挡土墙等。土墙等。 类型：类型： 片石：是由爆破或楔劈法开采的不规则石块。片石：是由爆破或楔劈法开采的不规则石块。 块石：一般是按岩石层理放炮或楔劈而成的石材。块石：一般是按岩石层理放炮或楔劈而成的石材。 细料石：是由岩层或大块石材开劈并经修凿而成。细料石：是由岩层或大块石材开劈并经修凿而成。 半细料

6、石：同细料石，但表面凹陷深度不大于半细料石：同细料石，但表面凹陷深度不大于15mm15mm。 粗料石：同细料石，但表面凹陷深度不大于粗料石：同细料石，但表面凹陷深度不大于20mm20mm。 强度等级：强度等级：MU30MU30、MU40MU40、MU50MU50、MU60MU60、MU80 MU80 、MU100MU100、MU120 MU120 2 2、混凝土、混凝土 强度等级：强度等级：C15C15、C20C20、C25C25、 C30C30、C35C35和和C40C40。 类型：类型： 混凝土预制块混凝土预制块 特点：特点： 节省石料的开采加工工作，加快施工进度；节省石料的开采加工工作，

7、加快施工进度； 由于混凝土预制块形状和尺寸统一，故砌体表面整由于混凝土预制块形状和尺寸统一，故砌体表面整齐美观。齐美观。整体浇筑的混凝土整体浇筑的混凝土 特点：特点： 收缩变形较大，易产生收缩裂缝或温度收缩变形较大，易产生收缩裂缝或温度收缩裂缝；收缩裂缝； 浇注时耗费木材较多，工期长，质量浇注时耗费木材较多，工期长，质量较难控制。较难控制。 小石子混凝土。小石子混凝土。 特点：特点： 节省水泥和砂，在一定条件下是水节省水泥和砂，在一定条件下是水泥砂浆的代用品。泥砂浆的代用品。 3 3、砂浆、砂浆 定义：砂浆是由一定比例的胶结料、细定义：砂浆是由一定比例的胶结料、细骨料及水配制而成的砌筑材料。骨

8、料及水配制而成的砌筑材料。 作用：作用： 将块材粘结成整体；将块材粘结成整体； 铺砌时抹平块材不平的表面，使块材在受压时铺砌时抹平块材不平的表面，使块材在受压时能比较均匀地受力。能比较均匀地受力。 砂浆填满了块材间隙，提高密实度，保温性与砂浆填满了块材间隙，提高密实度，保温性与抗冻性。抗冻性。 类型：类型： 无塑性掺料的（纯）水泥砂浆无塑性掺料的（纯）水泥砂浆 有塑性掺料的混合砂浆有塑性掺料的混合砂浆 石灰（石膏、粘土）砂浆石灰（石膏、粘土）砂浆 强度等级：强度等级：M5M5、M7.5M7.5、M10M10、M15M15和和M20M20等。等。 基本要求：强度、可塑性和保水性。基本要求：强度、

9、可塑性和保水性。 三、砌体种类三、砌体种类 1 1、种类、种类 片石砌体片石砌体 块石砌体块石砌体 粗料石砌体粗料石砌体 半细料石砌体半细料石砌体 细料石砌体细料石砌体 混凝土预制块砌体混凝土预制块砌体 2 2、砌筑要求、砌筑要求 遵循施工技术规范中砌体的砌筑规则；遵循施工技术规范中砌体的砌筑规则； 砌体中各工作层的竖向灰缝上下错缝，内外砌体中各工作层的竖向灰缝上下错缝，内外搭砌。搭砌。四、砌体的强度与变形四、砌体的强度与变形 1 1、砌体的抗压强度、砌体的抗压强度 受压破坏特征：受压破坏特征： 从荷载作用开始受压到破坏大致分从荷载作用开始受压到破坏大致分为下列三个阶段：为下列三个阶段： 第第

10、I I阶段为整体工作阶段：从砌体开始加阶段为整体工作阶段：从砌体开始加载到个别单块块材内第一批裂缝出现的阶载到个别单块块材内第一批裂缝出现的阶段。作用荷载大致为砌体极限荷载的段。作用荷载大致为砌体极限荷载的50%50%70%70%。此时，如外荷载作用不增加，。此时，如外荷载作用不增加，裂缝也不再发展。裂缝也不再发展。第第IIII阶段为带裂缝工作阶段：砌体随荷载再继阶段为带裂缝工作阶段：砌体随荷载再继续增大，单块块材内裂缝不断发展，并逐渐连续增大，单块块材内裂缝不断发展，并逐渐连接起来形成连续的裂缝。此时外荷载不增加，接起来形成连续的裂缝。此时外荷载不增加，而已有裂缝会缓慢继续发展。而已有裂缝会

11、缓慢继续发展。 第第IIIIII阶段为破坏阶段：当荷载再稍微增加，阶段为破坏阶段：当荷载再稍微增加，裂缝急剧发展，并连成几条贯通的裂缝，将砌裂缝急剧发展，并连成几条贯通的裂缝，将砌体分成若干压柱，各压柱受力极不均匀，最后，体分成若干压柱，各压柱受力极不均匀，最后，柱被压碎或丧失稳定导致砌体的破坏柱被压碎或丧失稳定导致砌体的破坏。 受压时的应力状态受压时的应力状态 特征：是单块材料先开裂，在受压破坏时，特征：是单块材料先开裂，在受压破坏时，砌体的抗压强度低于所使用的块材的抗压砌体的抗压强度低于所使用的块材的抗压强度。强度。 原因：砌体即使承受轴向均匀压力，砌体原因：砌体即使承受轴向均匀压力，砌体

12、中的块材实际上不是均匀受压，而是处于中的块材实际上不是均匀受压，而是处于复杂应力状态。复杂应力状态。 影响砌体抗压强度的主要因素影响砌体抗压强度的主要因素 块材的强度：主要因素块材的强度：主要因素 块材形状和尺寸：块材形状和尺寸： 块材形状规则，砌体抗压强块材形状规则，砌体抗压强度高度高 砌体强度随块材厚度的增大而增加砌体强度随块材厚度的增大而增加 砂浆的物理力学性能：砂浆的强度等级、砂浆的砂浆的物理力学性能：砂浆的强度等级、砂浆的可塑性和流动性、砂浆的弹性模量可塑性和流动性、砂浆的弹性模量 砌缝厚度：水平砌缝越厚，砌体强度越低，砌缝厚度：水平砌缝越厚，砌体强度越低，（10101212）mmm

13、m为宜。为宜。 砌筑质量砌筑质量 2 2、砌体的抗拉、抗弯、抗剪强度、砌体的抗拉、抗弯、抗剪强度 轴向受拉的破坏形式轴向受拉的破坏形式 沿砌体齿缝截面发生破坏，破坏面呈齿状沿砌体齿缝截面发生破坏，破坏面呈齿状 沿竖向砌缝和块材破坏沿竖向砌缝和块材破坏 沿通缝截面发生破坏沿通缝截面发生破坏 弯曲抗拉的破坏形式弯曲抗拉的破坏形式 通缝截面发生破坏通缝截面发生破坏 齿缝截面发生破坏齿缝截面发生破坏 抗剪抗剪 通缝截面受剪破坏通缝截面受剪破坏 沿砌体齿缝截面发生破坏，破坏面呈齿状沿砌体齿缝截面发生破坏，破坏面呈齿状4、砌体的其他性能、砌体的其他性能 弹性模量弹性模量 弹性模量取值：受压应力上限为抗压强

14、度平均值弹性模量取值：受压应力上限为抗压强度平均值的的4050时，此时的割线模量简称为弹性模时，此时的割线模量简称为弹性模量。量。 设计中取值：简单方法，取应力为设计中取值：简单方法，取应力为0.43倍的砌体倍的砌体抗压强度的割线模量。抗压强度的割线模量。 按不同等级的砂浆，以砌体弹性模量与砌体抗压按不同等级的砂浆，以砌体弹性模量与砌体抗压强度成正比的关系确定。强度成正比的关系确定。 线膨胀系数、收缩变形与摩擦系数线膨胀系数、收缩变形与摩擦系数 线膨胀系数取值见教材表线膨胀系数取值见教材表16-3。 收缩变形：一般通过砌体收缩试验确定干缩变形的收缩变形：一般通过砌体收缩试验确定干缩变形的大小，

15、如对混凝土预制块砌体，其大小，如对混凝土预制块砌体，其28天的干缩变形天的干缩变形约为约为0.2mm/m。 摩擦系数：砌体摩擦系数的大小，取决于接触砌体摩擦系数：砌体摩擦系数的大小，取决于接触砌体摩擦面的材料种类和干湿情况等。砌体的摩擦系数摩擦面的材料种类和干湿情况等。砌体的摩擦系数可参照教材表可参照教材表16-4选用。选用。 第十七章 圬工结构构件的承载力计算圬工结构构件的承载力计算 l 圬工结构构件承载力计算的原则。圬工结构构件承载力计算的原则。 l 受压构件的承载力计算。受压构件的承载力计算。 l 截面局部承压以及受弯、受剪构件的承载力计算截面局部承压以及受弯、受剪构件的承载力计算。 本

16、章的主要内容：17.1 计算原则l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）对公路）对公路桥梁圬工结构采用以概率理论为基础的极限状态设计桥梁圬工结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以分项安全系数的设计表达式进行计算。方法，以分项安全系数的设计表达式进行计算。 l正常使用极限状态的要求采取相应的构造措施保证。正常使用极限状态的要求采取相应的构造措施保证。 l圬工桥涵结构构件按承载能力极限状态设计，表达式圬工桥涵结构构件按承载能力极限状态设计，表达式如下：如下： ),(0ddafRS 17.2 受压构件的承载力计算一、砌体受压短柱的承载力分

17、析砌体受压短柱的承载力分析 l 受力特点受力特点 u轴压时，砌体截面上产生均匀的压应力轴压时，砌体截面上产生均匀的压应力; ; 破坏时，正破坏时，正截面所能承受的最大压力即为砌体的抗压承载力。截面所能承受的最大压力即为砌体的抗压承载力。 u偏压时，砌体截面上产生的压应力是不均匀的，表现偏压时，砌体截面上产生的压应力是不均匀的，表现出出弹塑性性能。弹塑性性能。破坏时该侧压应变比轴心受压时的均破坏时该侧压应变比轴心受压时的均匀应变略高，而边缘压应力也匀应变略高，而边缘压应力也比轴心抗压强度略大比轴心抗压强度略大。随着随着e e的增大，在远离偏心压力作用的截面边的增大，在远离偏心压力作用的截面边缘，

18、由受压逐步过渡到受拉，但只要在受压边缘，由受压逐步过渡到受拉，但只要在受压边压碎之前受拉边的拉应力尚未达到通缝的抗拉压碎之前受拉边的拉应力尚未达到通缝的抗拉强度，则截面的受拉边就不会开裂。强度，则截面的受拉边就不会开裂。 若若e e再大时，砌体受拉区出现水平裂缝。已开再大时，砌体受拉区出现水平裂缝。已开裂的截面脱离工作，实际受压区面积减小，受裂的截面脱离工作，实际受压区面积减小，受压区应力的合力将与作用的偏心压力保持平衡，压区应力的合力将与作用的偏心压力保持平衡，这种平衡随裂缝的不断展开被打破而达到新的这种平衡随裂缝的不断展开被打破而达到新的平衡，剩余截面的压应力进一步加大，并出现平衡，剩余截

19、面的压应力进一步加大，并出现竖向裂缝，最后由于受压区的竖向裂缝，最后由于受压区的承载能力耗尽而承载能力耗尽而破坏破坏l 纵向力的偏心影响系数：纵向力的偏心影响系数： l 2)/(1)/(1xymyyieye17-917-10 二、砌体受压长柱的受力特点二、砌体受压长柱的受力特点 受力特点：受力特点： 细长柱在承受轴心压力时，由于材料不均匀和各种细长柱在承受轴心压力时，由于材料不均匀和各种偶然因素的影响，轴向力不可能完全作用在砌体截偶然因素的影响，轴向力不可能完全作用在砌体截面中心，即会产生一定的初始偏心。面中心，即会产生一定的初始偏心。 在偏心压力作用下，会发生偏心距在偏心压力作用下，会发生偏

20、心距e e及在此基础上产及在此基础上产生的附加偏心距生的附加偏心距u u，实际的偏心距已达到（，实际的偏心距已达到（e e+ +u u），），使构件承载力大大降低。使构件承载力大大降低。在砌体构件中，水平砂浆缝削弱砌体在砌体构件中，水平砂浆缝削弱砌体整体性，故纵向弯曲现象较钢混更为整体性，故纵向弯曲现象较钢混更为明显。构件的长细比越大，这种纵向明显。构件的长细比越大，这种纵向弯曲的影响就越大。弯曲的影响就越大。 由以上特点可知，对于细长构件，由以上特点可知，对于细长构件，不论是轴压还是偏压，构件长细比的变化不论是轴压还是偏压，构件长细比的变化将影响砌体的承载能力。所以，应根据砌将影响砌体的承载

21、能力。所以，应根据砌构件长细比大小、砂浆强度等考虑纵向弯构件长细比大小、砂浆强度等考虑纵向弯曲对砌体构件承载能力的影响。曲对砌体构件承载能力的影响。 l偏心受压构件的偏心受压构件的纵向弯曲系数：纵向弯曲系数： )/(33. 11)3(112yxxxxie )/(33. 11)3(112yyyyyie7-117-12三、砌体受压构件的承载力计算三、砌体受压构件的承载力计算l 承载力计算公式承载力计算公式cdudAfNN0103 , 93 , 63 , 33 附表cdfl影响系数的确定影响系数的确定1111yx)/(33. 11)3(11)(1)(122yxxxyxmxxxxieiexe)/(33

22、. 11)3(11)(1)(122xyyyxymyyyyieieye四、混凝土受压构件的承载力计算四、混凝土受压构件的承载力计算cdcudfANN0说明：在确定偏心受压构件的受压区面积说明：在确定偏心受压构件的受压区面积A Ac c时，采取轴向时，采取轴向力作用点与受压区法向应力的合力作用点相重合的原则，力作用点与受压区法向应力的合力作用点相重合的原则，因此，可由轴向力偏心距因此，可由轴向力偏心距e e得出受压区面积重心离截面重心得出受压区面积重心离截面重心轴的距离轴的距离e ec ce e，再由受压区面积重心即可得出受压区面积，再由受压区面积重心即可得出受压区面积A Ac c 。五、偏心距验

23、算五、偏心距验算 为了保证结构的正常使用状态和截面的稳定性，应该为了保证结构的正常使用状态和截面的稳定性，应该对轴向力作用的对轴向力作用的e e有所限制。建议砌体和混凝土的单向和双有所限制。建议砌体和混凝土的单向和双向偏心受压构件，其偏心距向偏心受压构件，其偏心距e e的限值应符合教材表的限值应符合教材表17-417-4的规的规定。定。 当轴向力的偏心距当轴向力的偏心距e e超过表超过表17-417-4规定的偏心距限值时规定的偏心距限值时，构件承载力应按下列公式计算：，构件承载力应按下列公式计算：) 1(0WAeAfNNtmdud) 1(0 xyyxtmdudWAeWAeAfNN17.3截面局部承压以及受弯、受剪构件的承载力计算一、