工程结构设计原理讲稿

结构设计原理第一讲

第一讲：绪论（1/12）一、结构的基本知识二、混凝土结构三、钢结构四、砌体结构五、本课程特点第一讲：绪论（2/12）

一、结构的基本知识（1/4）1、结构的组成：由若干个单元所组成的结构骨架。2、基本(单元)构件板：提供活动面，直接承受并传递荷载；梁：板的支撑构件，承受板传来的荷载并传递；柱：承受楼面体系（梁、板）传来的荷载并传递；墙：承受楼面体系（梁、板）传来的荷载并传递；基础：将柱及墙等传来的上部结构荷载传给地基；索：悬挂构件或结构体系的主要传力单元；杆：组成空间构件，如屋架等。第一讲：绪论（3/12）

一、结构的基本知识（2/4）3、结构的分类按材料分类混凝土结构、钢结构、砌体结构、木结构和混合结构混凝土结构:素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土纤维筋混凝土和其它形式的加筋混凝土。砌体结构：包括砖石砌体结构、砌块砌体结构混合结构：砖混结构、钢与混凝土组合结构第一讲：绪论（4/12）

一、结构的基本知识（3/4）按受力体系分类框架结构：主要(竖向)受力体系由梁和柱组成；剪力墙结构：主要(竖向)受力体系由墙组成；筒体结构：四周封闭的墙形成筒；塔式结构：下端固定、上端自由的高耸构筑物；桅式结构：竖立的细长桅杆和纤绳所组成的构筑物；悬索、悬吊结构：由拉索及边缘构件组成的承重结构；壳体结构:由曲面形板与边缘构件组成的空间结构；网架结构：由多根杆件通过节点连结形成的空间结构；第一讲：绪论（5/12）

一、结构的基本知识（4/4）板柱结构：由楼板和柱组成承重体系的结构；墙板结构：由楼板和墙组成承重体系的结构；折板结构：由多块条形平板组合而成的空间结构；充气结构：用薄膜制成的，冲入气体后而形成的结构；膜结构：用柔性受拉索和薄膜及边缘构件组成的结构；按使用功能分类：建筑结构、特种结构、桥梁结构、地下结构等按照建筑物外形分类：单层、多层、高层、大跨和高耸结构等按照施工方法分类：现浇结构、装配结构和装配整体式结构第一讲：绪论（1）

下一讲的重要内容1、混凝土结构组成及工作原理；2、钢结构组成及工作原理；3、砌体结构组成及工作原理；4、本课程的特点。

结构设计原理第二讲

第二讲：绪论（2）

上一讲的主要内容1、结构的组成:基本单元（杆件）2、结构基本单元板、柱、梁、墙、基础等3、结构的分类按材料分类：混凝土、钢、砌体、木和混合结构按受力体系：框架、剪力墙等多种按使用功能：建筑结构、特种结构、桥梁结构、地下结构按外形分类：单层、多层、高层、大跨和高耸结构等按施工方法：现浇结构、装配结构和装配整体式结构第二讲：绪论（6/12）

二、混凝土结构（1/4）1、结构形成的原理组成:由钢筋和混凝土结合成一体，共同发挥作用。混凝土：抗压强度很高，但抗拉强度很低。钢筋：抗拉和抗压强度均很高。共同工作的目的

充分发挥两种材料的强度优势，取长补短。素混凝土梁的工作特点开裂前：按照整截面分析，上部受拉下部受压，受拉区的拉力由混凝土承担。

开裂后：梁断裂。第二讲：：绪论（（7/12）二、混混凝土结结构（2/4）钢筋混凝凝土梁如如何共同同工作开裂前：：受拉区区的拉力力由钢筋筋和混凝凝土共同同承担。。开裂后：：受拉钢钢筋承担担大了部部分拉力力，继续续承担荷荷载，直至屈服服强度，，受压混凝凝土压碎碎，梁破破坏。第二讲：：绪论（（8/12）二、混混凝土结结构（3/4）素混凝土土梁与钢钢筋混凝凝土梁的的对比极限状态态：素砼砼梁：无无明显变变形，开开裂即破破坏钢筋砼梁梁：有明明显变形形，钢筋筋屈服，，砼压碎碎承载能力力：素砼砼梁：取取决于混混凝土的的抗拉，，低钢筋砼梁梁：取决决于钢筋筋抗拉和和砼抗压压强度，，高抗裂能力力：配筋筋后略有有增加，，但不显显著共同工作作的基础础两者之间间存在较较好的传传递应力力的能力力，粘结结力；两种材料料的温度度线膨胀胀系数相相近；混凝土对对钢筋的的保护，，抗火和和耐久性性提高。。第二讲：：绪论（（9/12）二、混混凝土结结构（4/4）2、优缺点点优点：：耐久性好好；耐火性好好；可模性好好、整体体性好。。可就地取取材。缺点：：自重大；；抗裂差；；施工环节节多周期期长；拆除、改改造难度度大。3、现状与与发展第二讲：：绪论（（10/12）三、钢钢结构（（1/1）1、钢结构构的构成成是用钢板板、角钢钢、工字字钢、槽槽钢、钢钢管和圆圆钢等钢钢材通过焊接接等有效效的连接接方式，，所形成成的结构构。2、优缺点点优点：：强度和强强度质量量比高；；材质均匀匀、性能能好，结结构可靠靠性高。。施工简便便、工期期短。延性好、、抗震能能力强。。易于改造和加加固。缺点：耐腐腐蚀性差；耐耐火性差；钢钢材价格相对对较高。3、现状与发展展第二讲：绪论论（11/12）四、砌体结构构（1/1）1、砌体结构的的组成砌体结构是用用砖、石或砌砌块，用砂浆等胶结结材料砌筑的的结构。2、优缺点优点：耐久性好；耐火性好；就地取材；施工技术要求求低；造价低廉。缺点：强度低，砂浆浆与砖石之间间的粘接力较较弱；自重大；砌筑工作量大大，劳动强度度高。粘土用量大，，不利于持续续发展。3、现状与发展展第二讲：绪论论（12/12）五、本课程特特点（1/1）1、是原理课，，应突出原理理和概念2、基本构件由由不同材料组组成，在了解解共性特点的的同时，应注意由于组组成材料不同同而导致的计计算方法的不不同3、强调不同材材料构件的计计算原理和方方法4、涉及内容多多，系统性差差5、公式多、公公式的条件多多6、简化、近似似和经验处理理多第二讲：绪论论（2）下一讲的主要要内容1、作用及作用用效应2、作用的分类类3、荷载的随机机性与概率模模式4、荷载的代表表值结构设计原理理第三讲讲第三讲：计算算原则（1）上一讲的主要要内容1、混凝土结构构组成及工作作原理：由钢筋和混凝凝土结合成一一体，共同发发挥作用。发挥材料优势势（混凝土的的压、钢筋的的拉），取长长补短。是一种复合材材料构件，工工作过程相对对复杂。2、钢结构组成成及工作原理理：单一材料构件件，材料理想想，工作原理理简单。3、砌体结构组组成及工作原原理：用砂浆等胶结结材料把砖、、石或砌块等等砌筑成一体体的结构。是一种复合材材料构件，工工作过程相对对复杂。第三讲：结构基本计算算原则（1/28）一、结构上的的作用二、结构的抗抗力三、结构的功功能和极限状状态四、设计的基基本原则五、基于近似似概率法的设设计表达式六、本章要点点第三讲讲：计算原原则（（2/28）一、结结构上上的作作用（（1/5）1、作用用及作作用效效应(1)作用用引起结结构内内力和和变形形的一一切原原因。。直接作作用：：直接接以力力的不不同集集结形形式作作用于于结构构，也称为为荷载载；间接作作用：：不是是直接接以力力出现现，但但是对对结构构产生生内力力。(2)作用效效应作用在在结构构上产产生的的内力力和变变形等等。由直接接作用用(荷载)引起的的效应应称为为荷载载效应应。第三讲讲：计算原原则（（3/28）一、结结构上上的作作用（（2/5）2、作用用的分分类(1)按照随随时间间的变变异性性分类类永久作作用：：不随随时间间变化化，或或变化化幅度度可以以忽略略；可变作作用：：随时时间变变化，，且变变化幅幅度不不可以以忽略略；偶然作作用：：可能能，但但不一一定出出现，，一旦旦出现现效应应很大大。(2)按照随随位置置的变变异性性分类类固定作作用：：在结结构空空间位位置上上具有有固定定的分分布；；(3)按照结构的反应分类：静态作用：对结构不产生动力效应，或小的可以忽略；动态作用：对结构产生动力效应，且不可以忽略。第三讲讲：计算原原则（（4/28）一、结结构上上的作作用（（3/5）3、荷载载的随随机性性与概概率模模式(1)永久荷荷载性质：：其量量值是是不确确定的的，其其量值值不随随时间间变化化数学描描述：：随机机变量量概率率模式式，基基本服服从正正态分分布(2)可变荷荷载性质：：其量量值是是不确确定的的，其其量值值也随随时间间变化化数学描描述：：把随随机过过程模模式简简化成成随机机变量量模式式简化方方法：：分析析荷载载最大大值分分布规规律，，是一一随机机变量量分布布规规律律：：极极值值I型概概率率分分布布模模式式第三三讲讲：：计算算原原则则（（5/28）一、、结结构构上上的的作作用用（（4/5）4荷载载的的代代表表值值(1)实质质：：以以确确定定值值（（代代表表值值））表表达达不不确确定定的的随随机机变变量量，，便于于设设计计时时，，定定量量描描述述和和运运算算。。(2)取值值原原则则：：根根据据荷荷载载概概率率分分布布特特征征,控制制保保证证率率。。第三三讲讲：：计算算原原则则（（6/28）一、、结结构构上上的的作作用用（（5/5）(2)代表表值值取取值值永久久荷荷载载的的代代表表值值标准准值值：：取取分分布布的的平平均均值值，，保保证证率率50%；可变变荷荷载载的的代代表表值值标准准值值：：基基本本代代表表值值，，保保证证率率尚尚未未统统一一；；准永永久久值值：：对对可可变变荷荷载载稳稳定定性性的的描描述述，，等于标准准值乘准准永久值值系数；；组合值：：两种或或（以上上）可变变荷载作作用时，，都以标标准值出出现的概概率小，，因此对对标准值值乘以组组合系数数进行折折减。第三讲：：计算原则则（1）下一讲的的主要内内容1、抗力的的不定因因素及取取值2、结构的的功能3、极限状状态结构设计计原理第四四讲讲第四讲：：计算原原则（2）上一讲的的主要内内容1、作用及及作用效效应作用：：引起结结构内力力和变形形的一切切原因。。作用效应应：作用用在结构构上产生生的内力力和变形形等。2、作用的的分类按时间分分：永久作作用；可可变作用用；偶然然作用。。按位置分分：固定定作用、、可动作作用。按反应分分：静态态作用、、动态作作用：3、荷载的的随机性性及代表表值目的：以以确定值值（代表表值）表表达不确确定的随随机变量量；种类：标标准值值、准永永久值、、

组合合值。第四讲：：计算原则则（7/28）二、结构构的抗力力（1/2）1、抗力及及其不定定因素抗力：抵抵抗作用用效应的的能力性质：与时间间有关的随机机过程材料的性能，，结构尺寸等等都是随机变变量；有些材料的力力学性能是随随时间变化的的。简化：忽略随随时间的变化化，用随机变变量模型描述述。抗力不定性主主要因素：材料性能的不不定性几参数的不定定性计算模式的不不定性第四讲：计算原则（8/28）二、结构的抗抗力（2/2）2、材料强度度的标准值(1)实质：以确定定值（标准值值）表达不确确定值，便于于应用。(2)标准值取值：：根据材料强强度概率分布布的0.05分位值，即95%保证率的要求求确定。3、抗力的概率率分布模式(假设)对数正态分布布第四讲：计算原则（9/28）三、结构功能能和极限状态态（1/2）1、结构的功能能（1）安全性：要要求结构承担担正常施工和和正常使用条条件下，可能能出现的各种种作用，而不不产生破坏。。并且在偶然然事件发生时时以及发生后后，能保持必必需的整体稳稳定性，不至至于因局部损损坏而产生连连续破坏。（2）适用性：要要求结构在正正常使用时满满足正常的要要求，具有良好的工作作性能。（3）耐久性要要求结构在在正常使用和和维护下，在在规定的使用期内，能够够满足安全和和使用功能要要求。如材料的老化、、腐蚀等不能能超过规定的的限制等。第四讲：计算原则（10/28）三、结构功功能和极限限状态（2/2）2、极限状态态(1)定义：极限限状态是判判别结构是是否能够满满足其功能能要求的标准，指结结构或结构构一部分处处于失效边边缘的状态态。(2)分类：承载能力极极限状态是判别结构构是否满足足安全性要要求的标准准，指结构构或结构构件达到最最大承载能能力或不适适于继续加加载的变形形。正常使用极极限状态：：是判别结构构是否满足足正常使用用和耐久性性要求的标标准，指结构或构构件达到正正常使用或或耐久性的的某些规定定限值。第四讲：计算原则（（2）下一讲的主主要内容1、功能函数数与极限状状态方程2、结构可靠度度的概念结构设计原原理第五讲讲第五讲：计计算原则（（3）上一讲的主主要内容1、抗力及其其不定因素素及材料强强度的标准准值标准值的实实质：以确确定值表达达不确定值值，便于应应用。标准值取值值：具有95%保证率的强强度值。2、结构的功功能安全性、适适用性和耐耐久性3、极限状态目的：判别别结构是否否能够满足足功能要求求；分类：承承载能力极极限状态和和正常使用用极限状态态。第五讲：计算原则（（11/28）四、设计计计算原则（（1/11）1、功能函数数与极限状状态方程(1)功能函数Z=R-S=g(X1,X2,X3….Xn)(2)结果分析Z=R-S>0：处于可靠状状态；Z=R-S<0：处于不可靠靠状态，即即失效；Z=R-S=0：处于极限状状态，此方方程称极限限状态方程程2、结构的可可靠性(1)关于结构设设计本质：对比比、控制R和S，即保证R-S>0问题：R和S为随机变量量，功能函函数值Z是随机变量量绝对保证R大于S不可能！第五讲：计算原则（（12/28）四、设计计计算原则（（2/11）解决方法：：控制可靠靠度，绝大大多数情况况下：R>S允许极少数数情况下：：R<S(2)结构可靠度度和失效概概率可靠度(可靠概率)：是结构在在规定的时时间内，在在规定的条件下，完完成预定功功能的概率率，以Ps表示。失效概率：：结构不能能完成预定定功能的概概率，以Pf表示。第五讲：计算原则（（13/28）四、设计计计算原则（（3/11）(3)可靠度三个个水准水准I：是用随机变变量的一阶阶矩（平均均值）加以以概括;水准II：用随机变量量的一阶矩矩和二阶矩矩来描述;水准III：也称为全概概率法，是是以真实分分布进行计计算。第五五讲讲：：计算算原原则则（（3）下一一讲讲的的主主要要内内容容1、可可靠靠性性的的计计算算及及可可靠靠指指标标结构构设设计计原原理理第六六讲讲主讲讲教教师师：：曹曹双双寅寅舒舒赣赣平平东南南大大学学远远程程教教育育第六六讲讲：：计计算算原原则则（（4）上一一讲讲的的主主要要内内容容1、功功能能函函数数和和极极限限状状态态方方程程Z=R-S2、结构构可可靠靠性性概概念念功能能函函数数值值Z可能能<0（失失效效））、、也也可可能能>0（可可靠靠））。。因此此要要用用概概率率控控制制。。3、可可靠靠概概率率和和失失效效概概率率4、可可靠靠度度的的水水准准：：I、II、III第六六讲讲：：计算算原原则则（（14/28）四、设计计算算原则（4/11）3、可靠度的计计算方法及可可靠指标(1)可靠指标简单分析：假假设只有两个个随机变量R和S，相互独立，均服从正态分分布，已知平平均值和均方方差。功能函数Z:第六讲：计算原则（15/28）四、设计计算算原则（5/11）计算结构失效效概率进行数学变换换得（把Z由正态分布变变换成标准正正态分布）定义可靠度指标：：则：第六讲：计算原则（16/28）四、设计计算算原则（6/11）分析：可靠指标与与可靠度（失失效概率）相相关，可靠指指标越大，结构越可靠；；可靠指标越小，结构越越不可靠。优点：用统计计特征值来反反映可靠度，，不直接用概概率。可靠度指标取取值确定方法：校校核法、类比比法协商给定定法取值：与安安全等级、截截面破坏形态态、极限状态态有关：安全等级越高高，可靠指标标越大（0.5）；脆性破坏高于于延性破坏（（0.5）；承载力极限状状态高于正常常使用极限状状态。第六讲：计算原则（4）下一讲的主要要内容1、可靠指标的的计算方法-中心点法结构设计原理理第七讲讲第七讲：计算算原则（5）上一讲的主要要内容1、可靠概率和和失效概率的的计算用数学方法可可以计算但计计算工作量大大。2、可靠指标的的定义及计算算取值：安全等级、截截面破坏形态态、极限状态态有关第七讲：计算原则（17/28）四、设计计算算原则（7/11）(2)计算方法之一一：中心点法法假设：Z中所有随机量量是相互独立立的，均服从从正态分布将Z在平均值处按按泰勒级数展展开，忽略二二次以上项确定Z的特征值求可靠指标适用条件：基基本变量的正正态分布；功功能函数是线线性的。特点：直接用用特征值；概概念清楚，应应用简便；误误差较大。第七讲：计算原则（18/28）四、设计计算算原则（8/11）例题：某轴心心受压短柱，，按中心点法法求构件可靠靠指标已知：：抗压承载力：：恒恒载产产生的压力：：活载产生的轴轴向压力：建立功能函数数:求Z的特征值：求可靠指标第七讲：计算原则（19/28）四、设计计算算原则（9/11）例题：上题中中，要求可靠靠指标3.7，在其它条件件不变的条件件下,用中心点法求求该柱应具有有的承载能力力平均值。建立功能函数数求Z的特征征值求可靠靠指标标承载能能力平平均值值第七讲讲：计算原原则（（4）下一讲讲的主主要内内容1、可靠靠指标标的计计算方方法-验算点点法结构设设计原原理第八八讲讲第八讲讲：计计算原原则（（6）上一讲讲的主主要内内容1、中心心点法法的原原理假设基本变变量均均符合合正态态分布布，功功能函函数是是线性性方程程；利用按按泰勒勒级数数展开开（忽忽略二二次及及以上上项））经数学学推导导，可可靠指指标可可以直直接用用平均均值和和均方方差表表示；；2、中心心点法法的特特点直接用用变量量的特特征值值计算算；概念清清楚，，应用用简便便；计算结结果误误差较较大。。第八讲讲：计算原原则（（20/28）四、设设计计计算原原则（（10/11）(3)计算方方法之之二：：验验算点点法介介绍中心点点法的的缺陷陷：非非正态态分布布？非非线形形方程程？误误差！！处理办办法：：对中中心点点法进进行了了改进进简单分分析：仅考考虑两两个相相互独独立的的正态态分布布变量量R和S极限状状态方方程为为：标准化化变换换，令令以和和表表述的的极限限状态态第八讲讲：计算原原则（（21/28）四、设设计计计算原原则（（11/11）即：可靠指指标的的实质质：标标准正正态坐坐标系系中原原点到到极限限状态态方程程直线线的最最短距距离。。验算算点定定义：：P点非正态态变量量的当当量正正态化化原则则在验算算点处处，当当量前前后分分布函函数值相相等；；当量量前后后概率率密度度函数值值相等等。第八讲讲：计算原原则（（6）下一讲讲的主主要内内容1、近似似概率率的设设计表表达式式结构设设计原原理第九九讲讲第九讲讲：计计算原原则（（7）上一讲讲的主主要内内容1、验算算点法法的原原理是对中中心点点法的的修正正：对非正正态变变量等等效正正态化化；通过数数学变变化寻寻找验验算点点；2、验算算点法法的特特点计算结结果比比较准准确；；计算复杂，，与随机变变量的分布布有关；当随机变量量为正态分分布，功能能函数是线线形方程时时，计算结果和中心心点法相同同。第九讲：计算原则（（22/28）五、近似概概率法设计计表达式(1/6)1、一般方法法(1)结构可靠性性设计需要要解决的问问题：理论模式问问题：失效效标准、概概率模式和和计算方法法等。社会认同问问题：设计计可靠指标标的取值能能否被社会会接受。应用方法问问题：所采采用的设计计表达式的的形式问题题。(2)安全系数法法简单示例例：设Z只有两个独独立的正态态变量R和S，根据定义得：第九讲：计算原则（（23/28）五、近似概概率法设计计表达式(2/6)即解得：定义安全系系数：则：安全系数法法设计表达达式：第九讲：计算原则（（24/28）五、近似概概率法设计计表达式(3/6)(3)分项系数法法简单示例例当功能函数数有两个随随机变量R和S时整理可得：：以标准值代代入整理得得：当功能函数数有三个随随机变量R和SG和SQ时整理可得以标准值代代入:分项系数法法设计表达达式第九讲：：计算原则则（7）下一讲的的主要内内容1、现行设设计表达达式结构设计计原理第十十讲讲第十讲：：计算原原则（8）上一讲的的主要内内容1、安全系系数法经过变化化设计表表达式可可以表示示成：安全系数数K与可靠指指标和随随机变量量的数字字特征有有关2、分项系系数法经过变化化设计表表达式可可以表示示成：分项系数数法与可可靠指标标和随机机变量的的数字特特征有关关。第十讲：：计算原则则（25/28）五、近似似概率法法设计表表达式(4/6)2、我国现现行规范范采用的的基本设设计表达达式(1)承载能力力极限状状态设计计表达式式组合情况况：基本组合合：永久久荷载和和最大的的可变荷荷载以标标准值作作为代表值，，其它可可变荷载载以组合合值为代代表值。。偶然组合合基本组合合承载能能力设计计采用下下列设计计表达式式：第十讲：：计算原则则（26/28）五、近似似概率法法设计表表达式(5/6)(2)正常使用用极限状状态设计计表达式式组合情况况：短期效应应组合在作用的短期效应组合作用下的设计表达式：在作用的长期效应组合作用下的设计表达式：

第十讲：：计算原则则（27/28）五、近似似概率法法设计表表达式(6/6)3、分项系系数的确确定(1)确定的原原则：以以验算点点法为基基础(2)方法：：在验算点点处将极极限状态态方程转转化为分分项系数数表达的的方程对于验算算点法对于分项项系数法法等价求分分项系数数。确定原则则：对不同材材料、荷荷载和结结构，取取统一值值；在各项标标准值等等给定的的前提下下，误差差最小。。(3)优化结果果荷载分项项系数=1.2,=1.4结构抗力分项项系数:进一步分离成成材料强度分分项系数结构重要性系系数=1.1,1.0,0.9第十讲：计算原则（28/28）本章要点（1/1）1、了解结构荷荷载、荷载效效应和结构抗抗力的随机性性；2、掌握荷载、、材料强度的的代表值；3、掌握结构的的功能、极限限状态等基本本概念；4、理解结构可可靠性的概念念和原理，掌掌握可靠度指指标概念和取取值；5、了解可靠性性设计的一般般设计方法和和设计基本表表达式；6、掌握以概率率为基础的分分项系数设计计表达式；7、理解分项系系数的概念，，熟悉分项系系数的种类和和取值。结构设计原理理第十一讲讲第11讲：材料的性能(1/34)内容提要一、钢材的物物理力学性能能二、混凝土的的物理力学性性能三、砌体的材材料及力学性性能四、本章要点点第11讲：：材料料的的性性能能(2/34)一、、钢钢材材的的物物理理力力学学性性能能（（1/13）1、简简单单应应力力下下钢钢材材的的性性能能(1)钢材材的的应应力力-应变变关关系系曲线线形形式式：：有明明显显流流幅幅的的：：弹性性、、屈屈服服、、强强化化和和颈颈缩缩阶阶段段没有有明明显显流流幅幅的的：：没有有明明显显的的屈屈服服阶阶段段曲线线简简化化：屈服服前前：：完完全全弹弹性性的的；；屈服服后后：：完完全全塑塑性性的的。。第11讲：：材料料的的性性能能(3/34)一、、钢钢材材的的物物理理力力学学性性能能（（2/13）(2)钢材材的的强强度度指指标标屈服服强强度度：设设计计时时钢钢材材允允许许达达到到的的最最大大应应力力有明明显显流流幅幅的的钢钢材材：：取取屈屈服服点点的的应应力力；；无有有明明显显流流幅幅的的钢钢材材：：取取条条件件屈屈服服强强度度。。条件件屈屈服服强强度度：：残残余余应应变变为为0.2%对应应的的应应力力。。极限限强强度度：材材料料能能承承受受的的最最大大应应力力反反映映安安全全储储备备(3)钢材的塑性指标伸长率：拉断后构件伸长率截面收缩率：拉断后面积缩小率冷弯性能：以冷弯的角度来衡量第11讲：：材料料的的性性能能(4/34)一、、钢钢材材的的物物理理力力学学性性能能（（3/13）2、复复杂杂应应力力下下钢钢材材的的性性能能(1)复杂杂应应力力状状态态下下的的屈屈服服条条件件判别别方方法法：用用能能量量理理论论建建立立屈屈服服条条件件，，用用折折算算应应力力判判别别当时时，，钢钢材材没没有有屈屈服服当时时，，钢钢材材屈屈服服。。折算算应应力力以主主应应力力表表示示：：以应应力力分分量量表表示示第11讲：材料的的性能能(5/34)一、钢钢材的的物理理力学学性能能（4/13）分析结结果：主应力力同号号时，，不易易屈服服，塑性下下降，，越接接近越越明显显。主应力力异号号时，，易屈屈服，，破坏呈塑塑性，，差别别越大大越明明显。。(2)反复荷荷载下下钢材材的疲疲劳疲劳破破坏：在低低于强强度的的应力力反复复作用用下，，所发发生破破坏。。疲劳破破坏特特点：包括裂裂纹形形成，，缓慢慢发展展和迅迅速断断裂三三个过过程没有明明显的的变形形，脆脆性破破坏第11讲：材料的的性能能（1）下一讲讲的主主要内内容1、反复复荷载载下钢钢材的的疲劳劳2、影响响钢材材性能能的一一般因因素东南大大学远远程教教育结构设设计原原理第十十二讲讲主讲教教师：：曹曹双寅寅舒舒赣平平第12讲：材料的的性能能（2）上一讲讲的主主要内内容1、钢材材的应应力-应变关关系有明显显流幅幅的钢钢材和和没有有明显显流幅幅的钢钢材2、钢材的的强度度指标标屈服强强度、、极限限强度度和屈屈强比比3、钢材材的塑塑性指指标伸长率率、截截面收收缩率率和冷冷弯性性能4、复杂杂应力力状态态下的的屈服服条件件第12讲：材料的的性能能(5/34)一、钢钢材的的物理理力学学性能能（4/13）分析结结果：主应力力同号号时，，不易易屈服服，塑性下下降，，越接接近越越明显显。主应力力异号号时，，易屈屈服，，破坏呈塑塑性，，差别别越大大越明明显。。(2)反复荷荷载下下钢材材的疲疲劳疲劳破破坏：在低低于强强度的的应力力反复复作用用下，，所发发生破破坏。。疲劳破破坏特特点：包括裂裂纹形形成，，缓慢慢发展展和迅迅速断断裂三三个过过程没有明明显的的变形形，脆脆性破破坏第12讲：材料的的性能能(6/34)一、钢钢材的的物理理力学学性能能（5/13）影响因因素：荷载的的的性性质：：拉、、压、、剪等等应力循循环特特征：：(应力比比)静载（（=1）同号循循环（（>0）脉冲循循环(=0)异号循循环(<0)完全对对称循循环（（-1）循环次次数:应力比比一定定时，，疲劳强强度与与荷载载的循循环次次数有有关。。第12讲：材料的的性能能(7/34)一、钢钢材的的物理理力学学性能能（6/13）疲劳极极限：当最最大应应力小小于某某一数数值，，反复荷荷载循循环无无穷次次，材材料也也不会会破坏坏。疲劳曲曲线(试验结结果)循环N次包络线线ABCD简化疲疲劳曲曲线ABCD的方程程BCD(拉为主主)AB(压为主主)第12讲：材料的的性能能(8/34)一、钢钢材的的物理理力学学性能能（7/13）3影响钢钢材性性能的的一般般因素素(1)化学成成分碳：提高高强度度；但但塑性性，可可焊性性、耐耐锈蚀蚀性等等劣化化。锰：提高高强度度，改改善脆脆性；；但对对可焊焊性和和耐锈锈力不不利。。硫：高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈能力。磷：提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性等。(2)钢材缺陷偏析:钢中化学成分的不一致性和不均匀性裂纹：先天的裂纹，或是微观的或是宏观的分层：在厚度方向分成多层，各层相互连接，并不脱离夹杂物：尤其是硫化物和氧化物等第12讲：材料的的性能能（2）下一讲讲的主主要内内容1、钢材的的硬化化性能能2、温度度对钢钢材性性能的的影响响3、钢材材的应应力集集中问问题4、钢材材的分分类5、土木木结构构对钢钢材的的要求求。东南大大学远远程教教育结构设设计原原理第十十三讲讲主讲教师师：曹曹双寅舒舒赣平第13讲：材料的性性能（3）上一讲的的主要内内容1、反复荷荷载下钢钢材的疲疲劳影响因素素：应力力循环特特征、循循环次数数疲劳破坏坏、疲劳劳极限、、疲劳强强度和疲疲劳曲线线2、化学成分分对钢材材性能的的影响3、钢材缺陷陷对钢材性性能的影影响第13讲：材料的性性能(9/34)一、钢材材的物理理力学性性能（8/13）(3)钢材的硬硬化时效硬化化：现象：时时间增加加，强度度提高，，塑性下下降。特点：过过程很长长，反复复荷载和和高温下下易产生生。冷作硬化化：常温下产产生塑性变形形后屈服服点提高高，塑性性降低。。应变时效效：产生塑塑性变形形后，特特别是在在高温下下，使已已经产生冷作硬硬化的钢钢材又发发生时效效硬化。。第13讲：材料的性性能(10/34)一、钢材材的物理理力学性性能（9/13）(4)温度在正常温温度下：基本本不随温温度变化化在高温度度下：温度升升高，强强度、弹弹性模量量均有下下降趋势势蓝脆现象象：250℃℃左右，抗抗拉强度度反而提提高，塑性和韧韧性下降降。在低温时时：温度降降低，强强度略提提高，塑性等下下降，有有脆性倾倾向。冷脆现象象：当温温度降低低至某材料变脆。

第13讲：材料的性能(11/34)一、钢材的物物理力学性能能（10/13）(5)应力集中现象：当构件内部部缺陷或截面面形状等改变变时，应力分分布不均匀，出现现局部高峰应应力，促使钢钢材变脆。影响因素：截面变化愈愈剧烈，应力力集中现象愈愈明显。第13讲：材料的性能(12/34)一、钢材的物物理力学性能能（11/13）4、结构对钢材材的要求及钢钢材的分类(1)结构对钢材的的要求具有较高的屈屈服强度和极极限强度；

具有良好的塑性和韧性具有良好的工艺加工性能；

良好的耐锈蚀能力与混凝土良好的粘结力(2)钢材的选择：结构或构件的类型及重要性；

作用的性质（静力和动力作用）；连接方式（焊接、铆接或螺栓连接）；

工作环境（温度和腐蚀等）。第13讲：材料的性能(13/34)一、钢材的物物理力学性能能（12/13）(3)结构用钢材的的分类碳素钢：强度等级：按按屈服强度分分五个品种，，Q195~Q275。质量等级：A、B、C、D四级，对冲击击韧性要求不不同脱氧方式：镇镇静、半镇静静、沸腾和特特殊镇静，用用ZbF和TZ示例：Q235Bb表示屈服强度度为235，B级半镇静钢低合金钢：强度等级：按按屈服强度分分五个品种，，Q295~Q460。质量等级：A、B、C、D、E五级，对冲击击韧性要求不不同脱氧方式：镇镇静和特殊镇镇静钢热处理钢第13讲：材料的性能(14/34)一、钢材的物物理力学性能能（13/13）(4)钢材的规格钢板：以“―宽度厚度长度度”或“―宽度厚度”表表示型钢：角钢：等边“L肢宽厚度”；；不等边“L长肢宽短肢宽宽厚度”工字钢：普通工字钢钢以I+截面的高度；；轻型工字钢钢前面加Q槽钢：有普通槽钢钢和轻型槽钢钢两种，用截截面的高度编编号H型钢：热扎和焊接接两种，“高高度*宽度*腹板厚度*翼缘厚度””钢管：有热轧无缝缝钢管和焊接接钢管。以““φ外径壁厚”表表示薄壁型钢：用薄钢板冷冷轧而成，形形式及尺寸可可以变化。钢筋按照表面形状状：有光面钢筋筋和变形钢筋筋钢筋种类：热轧钢筋：分分HRB235、HRB335和HRB400或RRB400三级，符号+直径预应力钢丝：：有光面碳素素、螺旋肋和和三面刻痕钢钢丝三种，符符号+直径预应力钢绞线线：多根钢丝丝绞合制成。。“φ1股数公称直径径”表示热处理钢筋：：φHT+钢筋表示第13讲：材料的性能（（3）下一讲的主要要内容1、受压的应力应应变关系2、简单受力下下混凝土的的强度东南大学远远程教育结构设计原原理第十四四讲主讲教师：：曹双寅寅舒舒赣平第14讲：材料的性能能（4）上一讲的主主要内容1、钢材的硬化化时效硬化、、冷作硬化化和应变时时效2、温度的影响响常温度下、高温下和低低温时蓝脆现象和和冷脆现象象3、应力集中中的现象和和影响因素素4、钢材的分分类和规格格5、结构对钢钢材的要求求第14讲：材料的性能能(15/34)二、混凝土土的物理力力学性能（（1/11）1、简单受力力下混凝土土的性能(1)受压的应力力应变关系系曲线特征应力小：近近似线性关关系应力大：非非线性关系系近峰值:不稳定非线线性下降段：反反弯点后平平缓主要影响因素混凝土强度度：强度提提高,峰值点应变变高；下降降段陡延性性差加载速度：：愈大，强强度高，峰峰值应变低低；下降段段陡延性差差第14讲：材料的性能能(16/34)二、混凝土土的物理力力学性能（（2/11）数学模型普通混凝土土：(C50以下)=0.002，n=20.002(均匀压),0.0033(不均匀压、、弯)高强混凝土土(C50以上)第14讲：材料的性能能(17/34)二、混凝土土的物理力力学性能（（3/11）(2)简单单受受力力下下混混凝凝土土的的强强度度立方方体体抗抗压压强强度度立方方体体抗抗压压强强度度标准准方方法法制制作作,边长长150mm立方方体体,28天龄龄期期，，进进行行抗抗压压立方体抗压强度标准值：95%保证率的立方体抗压强度值。用途：力学性能的基本代表值，混凝土强度等级划分依据。强度等级：按立方体抗压强度标准值分为14级，“C+标准值”轴心抗压强度

立方体受压不是处于单轴受力状态！采用棱柱体，中间基本上是处于轴心受压。第14讲：：材料料的的性性能能(18/34)二、、混混凝凝土土的的物物理理力力学学性性能能（（4/11）影响响因因素素：：材材料料成成分分、、养养护护、、龄龄期期、、实实验验方方法法和和试试件件尺尺寸寸与立立方方体体强强度度的的关关系系关系系系系数数(比值值)：小小于于等等于于C50时，，取取0.76；大于于C50时：：考虑混凝凝土脆性性的折减减系数，，小于C40时，不折折减取1.0；大于C40时：轴心抗拉拉强度试验方法法：直接接拉伸、、弯折和和劈裂与立方体体强度的的关系第14讲：材料的性性能（4）下一讲的的主要内内容1、混凝土的的模量2、复合应力力下混凝凝土强度度和变形形3、长期荷载载下混凝凝土的变变形东南大学学远程教教育工程结构构设计原原理第十五五讲主讲教师师：曹双双寅舒舒赣平平第15讲：材料的性性能（5）上一讲的的主要内内容1、受压的应应力应变变关系曲线特征征、影响响因素和和数学模模型2、简单受力力下混凝凝土的强强度立方体抗抗压强度度轴心抗压压强度轴心抗拉拉强度3、混凝土土强度指指标之间间的关系系第15讲：材料的性性能(19/34)二、混凝凝土的物物理力学学性能（（5/11）(3)混凝土的的变形模模量原点弹性性模量定义：过过原点作作切线的的斜率取值：变形模量量定义：原原点和任任意点作作割线的的斜率。。关系：弹弹性特特征系数数切线模量量：过任一一点作切切线的斜斜率为时时的切线线模量剪切模量量：根据弹弹性模量量和泊松松比确定定：第15讲：材料的性性能(20/34)二、混凝凝土的物物理力学学性能（（6/11）2、复杂应应力下混混凝土的(1)复合应力下混凝土强度和变形

多向受压双向压：强度提高；三向压(约束受压)：强度和延性明显提高，双向受拉:影响不大一拉一压：强度降低剪压或剪拉：剪拉：强度降低剪压：压应力较小：抗剪强度随压应力增加而增大；压应力较大：抗剪强度随压应力的增加而降低。

第15讲：材料的性性能(21/34)二、混凝凝土的物物理力学学性能（（7/11）(2)长期荷载载下混凝凝土的变变形混凝土的的徐变现象：在荷载载长期作作用下，，变形将将随时间间而增加加；原因：凝凝胶体的的粘性流流动，内内部微裂裂缝不断断产生和和发展等等影响：导导致变形形增大，，应力重重分布和和内力分分布等。。混凝土徐徐变曲线线特点：开开始增长长较快，，以后逐渐渐减慢，，逐渐趋于于稳定(收敛)卸载时变变形恢复复:瞬时弹性性恢复、、弹性后后效，永永久应变变第15讲：材料的性性能(22/34)二、混凝凝土的物物理力学学性能（（8/11）影响徐变变的主要要因素应力水平平：应力力越大，，徐变也也越大应力小于于0.5fc，线性徐变变；大于于0.5fc，非线性徐徐变。龄期：加加载时龄龄期越短短，徐变变越大组成：水水泥用量量越多，，水灰比比越大，，徐变也也越大；；骨料强度度和弹性性模量越越高，徐徐变越小小。养护和使使用环境境：养护护温度高高，湿度度大，徐徐变越小小；受力后环环境温度度越高，，湿度低低，徐变变就越大大。第15讲：材料的性性能（5）下一讲的的主要内内容1、重复荷载下下混凝土性性能2、钢筋与混凝凝土的粘结结东南大学远远程教育工程结构设设计原理第十六讲讲主讲教师：：曹双寅舒舒赣平平第16讲：材料的性能能（6）上一讲的主主要内容1、混凝土的变变形模量弹性模量、、变形模量量切线模量量和剪切模模量2、复杂应力下下混凝土的的强度和变变形三向受压双向受压、、双向受拉拉、一拉一一压剪压或剪拉拉3、混凝土的徐徐变徐变曲线、、影响因素素第16讲：材料的性能能(23/34)二、混凝土土的物理力力学性能（（9/11）(3)重复荷载下下混凝土性性能一次重复加加载下加载：随应应力增加应应变增加卸载：不重重复加载轨轨迹，有弹弹性后效和和残余变形形多次重复加加载下峰值小于疲疲劳强度：：每循环成成环，面积积逐渐减少少，至直线线；峰值大于疲疲劳强度：：开始与小小应力的相相似；成直线后，，凸凹方向向改变，斜斜率降低，，裂缝和变变形严重混凝土疲劳劳破坏：因荷载重重复作用而而引起的破破坏混凝土疲劳劳强度：疲劳破坏坏需要重复复荷载的最最小应力峰峰值(4)混凝土的收收缩、膨胀胀和温度变变形第16讲：材料的性能能(24/34)二、混凝土土的物理力力学性能（（10/11）3、钢筋与混混凝土的粘粘结(1)钢筋与混凝凝土粘结的的作用作用：保证力的的相互传递递，是共同同工作的基基本条件单元分析：假设：一端端力T，另端为T+dT根据平衡条条件：分析结果应力变化大大，粘结力力大，变化化小，粘结结小当钢筋应力力没有变化化时，粘结结应力等于于零第16讲：材料的性能能(25/34)二、混凝土土的物理力力学性能（（11/11）有关的设计计问题钢筋端部的的锚固裂缝间应力力的传递裂缝截面：：拉力为零零离开一段段距离：：混凝土土有拉力力两条裂缝缝中间：：混凝土拉拉力最大大(2)粘结力的的组成化学吸附附摩擦机械咬合合附加咬合合等作用用第16讲：材料的性性能（6）下一讲的的主要内内容1、砌体的材材料及种种类2、砌体的受受力特点点东南大学学远程教教育结构设计计原理第十七七讲讲主讲教师师：曹曹双寅舒舒赣平第17讲：材料的性性能（7）上一讲的的主要内内容1、重复荷载载下混凝凝土性能能一次和多多次重复复加载下下的变形形曲线混凝土疲疲劳破坏坏和混凝凝土疲劳劳强度2、钢筋与混混凝土粘粘结力粘结力作作用粘结力组组成3、与粘结有关关的设计计问题钢筋端部部的锚固固裂缝间应应力的传传递第17讲：材料的性性能(26/34)三、砌体体的物理理力学性性能（1/8）1、砌体的的材料及及种类(1)块体材料料砖普通砖：：240mm115mm53mm实心空心砖：：全国无无统一规规格分级：按按极限抗抗压强度度为6级，以“MU+极限强度度”表示示砌块按材料分分：粉煤煤灰、煤煤渣混凝凝土和混混凝土等等按尺寸分：小型<350、中型360～900和大型>900mm分级：按照极限抗压强度分5级，以“MU+极限强度”石材

按照加工的程度：分细料石、粗料石和毛料石。分级：按极限抗压强度，分9级，以“MU+极限强度”

第17讲：材料的性性能(27/34)三、砌体体的物理理力学性性能（2/8）(2)砂浆作用：使块体体连成整整体；抹抹平块体体表面；；填补块块体间缝缝隙；分类：按照组成成成分：：无塑性性掺合料料的水泥泥砂浆、、有塑性性掺合料的混合合砂浆、、不含水水泥的砂砂浆按照重力力密度：：大于1.5t/m3重砂浆，，小于1.5t/m3轻砂浆分级：按抗压压极限强强度分7级，以““M+极限强度度”表示示砌体对砂砂浆的基基本要求求符合强度度和耐久久性要求求；应具有一一定的可可塑性，，在砌筑筑时容易易且较均均匀地铺铺开；应具有足足够的保保水性，，即在运运输和砌砌筑时保保持质量量的能力力。第17讲：材料的性能(28/34)三、砌体的物物理力学性能能（3/8）(3)砌体的种类砌体是由块体体用砂浆砌筑筑成的整体。。砖砌体：实心砌体，，或空心砌体体，有一顺一顶或三三顺一顶砌筑筑法。石砌体：料石、毛石石和毛石混凝凝土砌体。砌块砌体砌块排列是要要有规律性，，减少通缝。。配筋砌体:在砌体内配置置适量的钢筋筋，形成配筋筋砌体，如在水平灰缝中中配置网状钢钢筋，形成网网状配筋砌体体；在砌体外或预预留槽内配置置纵向筋形成成组合砌体。。第17讲：材料的性能(29/34)三、砌体的物物理力学性能能（4/8）2、砌体的力学学性能(1)砌体的抗压强强度破坏过程及应应力特点受力全过程：：第一阶段：自自受力到单块块砖内出现竖竖向裂缝；第二阶段：单单块砖内裂缝缝发展，连接接并穿过若干干皮砖第三阶段：裂裂缝贯通，把把砌体分成若若干1/2砖立柱，失稳稳应力特点：不仅存在压应应力，而且有弯曲应应力和剪切应应力，以及横横向拉压应力力第17讲：材料的性能(30/34)三、砌体的物物理力学性能能（5/8）原因分析：水平灰缝厚度度和密实度不不均匀砖表面力分布布不均匀且上上下不对应横向变形时相相互约束受压时横向膨膨胀，砖和砂砂浆横向变形系数数不同，相互互约束。弹性地基梁作作用砂浆层受压将将产生压缩变变形，砖就象象在弹弹性地地基上上的梁梁，其内部部将产产生弯弯曲应应力和和剪应应力竖向灰灰缝处处的应应力集集中第17讲：材料的的性能能（7）下一讲讲的主主要内内容1、影响砌砌体强强度的的主要要因素素2、砌体的的抗压压强度度3、砌体的的抗拉拉强度度4、砌体体的抗抗弯强强度5、砌体体的抗抗剪强强度6、砌体体的模模量东南大大学远远程教教育结构设设计原原理第十十八八讲讲主讲教教师：：曹曹双寅寅舒舒赣平平第18讲：材料的的性能能（8）上一讲讲的主主要内内容1、砌体的的材料料块体材材料：：砖、、砌块块和石石材砂浆：：水泥泥砂浆浆、混混合砂砂浆、、其它它砂浆浆2、砌体的的种类类砖砌体体、石石砌体体、砌砌块砌砌体和和配筋筋砌体体3、砌体的的受压压性能能破坏过过程：：三个个阶段段应力特特点：：存在在压、、弯和和剪，，以及及横向向拉压压应力力第18讲：材料的的性能能(31/34)三、砌砌体的的物理理力学学性能能（6/8）影响砌砌体强强度的的主要要因素素块体和和砂浆浆的强强度砂浆的的弹塑塑性性性能:变形越越大，，弯曲曲剪切切等越越大，，强度度越低低；砂浆的的流动动性:砂浆的的流动动性大大，对对提高高砌体体强度度有利利；灰缝厚厚度：：过薄薄或过过厚将将引起起弯曲曲剪切切应力力，强强度降降低砌筑质质量砌体抗抗压强强度计计算及及取值值考虑因因素：：块体体强度度和砂砂浆强强度及及种类类等取值：：第18讲：材料的的性能能(32/34)三、砌砌体的的物理理力学学性能能（7/8）(2)砌体的的抗拉拉、抗抗弯和和抗剪剪强度度粘结分分类法向粘粘结力力切向粘粘结力力轴心抗抗拉强强度通缝截截面：：强度度低且且离散散性大大，不不能设设计为为轴心心受拉拉构件件沿齿缝缝截面面：与与砂浆浆的强强度等等级有有关：：沿块体体截面面：不考虑虑竖向向灰缝缝，与与块体的的强度度等级级有关关第18讲：：材料料的的性性能能(33/34)三、、砌砌体体的的物物理理力力学学性性能能（（8/8）弯曲曲抗抗拉拉强强度度通缝缝截截面面破破坏坏和和沿沿齿齿缝缝截截面面破破坏坏:块体体截截面面破破坏坏：：抗剪剪强强度度应力力应应变变关关系系曲曲线线弹性性模模量量取取值值：与抗抗压压强强度度成成正正比比，，比比例例系系数数与与砂砂浆浆等等级级等等有有关关。。剪切切模模量量：第18讲：：材料料的的性性能能(34/34)四、、本本章章要要点点一、、材材料料的的力力学学性性能能1、强强度度及及强强度度指指标标2、变变形形及及变变形形指指标标3、应应力力应应变变关关系系及及模模量量二、、不不同同条条件件下下的的强强度度特特点点1、简简单单条条件件下下（（压压、、拉拉等等））2、复杂条条件下（（约束受受力、反反复荷载载、长期期荷载等等）三、强度度取值及及选用1、不同强强度的获获取方法法：实验