结构设计（一）（新版）

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页◆第十六章结构设计一、考试大纲14.2.1钢筋混凝土结构材料性能：钢筋混凝土基本设计原则：结构功能极限状态及其设计表达式可靠度承载能力极限状态计算：受弯构件受扭构件受压构件受拉构件冲切局部承压疲劳正常使用极限状态验算：抗裂裂缝挠度预应力混凝土：轴拉构件受弯构件单层厂房：组成与布置柱基础多层及高层房屋：结构体系及布置剪力墙结构框-剪结构框-剪结构抗震设计要点：普通规定构造要求14.2.2钢结构钢材性能：基本性能结构钢种类构件：轴心受力构件受弯构件拉弯和压弯构件的计算和构造衔接：焊缝衔接普通螺栓和高强度螺栓衔接构件间的衔接14.2.3砌体结构材料性能：块材砂浆砌体基本设计原则：设计表达式承载力：抗压局部承压混合结构房屋设计：结构布置静力计算构造房屋部件：圈梁过梁墙梁挑梁抗震设计要点：普通规定构造要求第一讲二、复习指导按照考试大纲要求，结构设计一章包括了钢筋混凝土结构、钢结构、砌体以及高层混凝土结构、抗震设计的部分内容，主要考查岩土工程师是否控制±本理论知识。考生应紧扣大纲内容，全面复习与突出重点相结合，即通过复习教程对基本概念、基本原理和基本知识有一个整体控制，并在此基础上对每节的主要内容重点复习，重点控制。按照基础考试命题的特点，复习时不要偏重难度大，过于繁杂的知识，而应注重基本知识的理解和记忆，控制“基本”概念、“基本”假设、“基本”思想及主要结论和应用。结构设计包括了三类不同的结构，每一类结构基本由三部分组成：①材料性能；②基本计算主意；③构造。不同类型的结构之间，或同一类结构的不同受力构件之间存在着相同点与不同点。第一节钢筋混凝土结构材料性能钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种材料组成。这两种物理与力学性能不同的材料是因为混凝土硬化后钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结力。第二。钢筋与混凝土这两种材料的温度膨胀系数临近（钢筋为1.2×10-5；混凝土为1.0×10-5），当温度变化时，两者之间不会产生较大的相对变形而导致粘结力丧失。一、钢筋（一）钢筋的分类混凝土结构中所用的钢筋有钢筋和钢丝两类，主要包括热轧钢筋、热处理钢筋、消除应力钢丝（光面钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝）和钢绞线。按照钢筋的力学性能可分为有显然屈服点和显然流幅的软钢、无显然屈服点和无显然流幅的硬钢。其中热轧钢筋属于软钢，热处理钢筋及消除应力钢丝则为硬钢。（二）钢筋力学性能指标1．极限抗拉强度该指标对于软钢是作为强度标准值取值的根据，对于软钢，虽不作为强度标准值取值的根据，但仍有一个最低限值的要求，如HPB300级钢筋不小于462MPa。2．屈服强度该指标对于软钢是作为强度标准值取值的根据，并有最小限值的要求，如HPB300级钢筋不小于300MPa;对于硬钢，因无显然屈服点，为了满意设计理论的需要，普通常取残余应变为0.2%时所对应的应力值作为假定的屈服强度，称为“条件屈服强度”或“条件屈服点”，用σ0.2表示。对于热处理钢筋、消除应力钢丝和钢绞线，《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)（以下简称《混凝土规范》）统一取0.85倍极限抗拉强度作为σ0.2。3．伸长率衡量钢筋延性性能的一个指标，《混凝土规范》明确提出了对钢筋延性的要求。按照我国钢筋标准，将最大力下总伸长率δgt作为控制钢筋延性的指标。最大力下总伸长率δgt不受断口——颈缩区域局部变形的影响，反映了钢筋拉断前达到最大力（极限强度）时的匀称应变，故又称为匀称伸长率，其值为式中：l——钢筋拉伸实验试件的应变量测标距；l′——试件经拉断并重新拼合后测得的标距，即产生残余伸长的标距。4．冷弯性能检验钢筋塑性性能的另一种主意，并可以检查钢筋的脆性倾向。冷弯实验的两个主要参数是弯心直径D和冷弯角度α（见图16-1）。对不同强度等级钢筋，对D值及α值的规定要求不同。在规定的D及α值下冷弯实验后的钢筋应无裂缝、鳞落或断裂现象。（三）对钢筋的质量要求对钢筋的质量要求有三个方面，即应满意强度、延行性能及可焊性的规定要求。在工程应用中，对钢筋的机械性能和冷弯性能及可焊性举行检验，应满意相应国家标准规定的要求。（四）钢筋的选用钢筋混凝土结构中的纵向受力钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋，宜采用HRB400、HRB500钢筋，也可采用HPB300、HRB335、RRB400钢筋。箍筋宜采用HRB400.HPB300.HRB500钢筋，也可采用HRB335钢筋。预应力筋宜采用预应力钢丝，钢绞线和预应力螺纹钢筋。二、混凝土混凝土是由水泥、砂、石和水按一定配合比，经搅拌、振捣、养护凝结而成，并与时光因素有关，多孔隙非匀质的弹塑性入造石材。（一）混凝土的强度等级及其选用混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值决定。《混凝土规范》规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25.C30.C35.C40、C45.C50.C55、C60.C65.C70.C75、C80共十四级。选用混凝±时应遵循以下原则：(1)素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25。承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30。(2)预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。（二）混凝土的力学指标及其互相关系1．立方体抗压强度标准值ƒcu,k立方体抗压强度标准值ƒcu,k是混凝土各种力学指标的基本代表值，它是指按照标准主意制作养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期用标准实验主意测得主意测得的具有95%保证率的抗压强度。也可采用截面为100mm×100mm×100mm或200mm×200mm×200mm的非标准立方体试块，因为尺寸效应的影响，必须将非标准试块的强度乘以换算系数后换算为边长150mm的标准试块的强度，其换算系数分离为0.95或1.05。2．轴心抗压强度标准值ƒck轴心抗压强度试件普通采用150mm×150mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱体，其制作和实验条件与立方体抗压强度相同。按照实验资料统计的公式为式中：αc1——棱柱体强度与立方体强度的比值，对混凝土强度为C50及以下αc1=0.76，对C80则αc1=0.82，中间值按线性内插；αc2——混凝土脆性折减系数，对混凝土强度为C40及以下αc2=1.O，对C80则αc2=0.87，中间值按线性内插。考虑到结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异，《混凝土规范》考虑试件混凝土强度修正系数为0.88，则(16-3)3．抗拉强度标准值ƒtk轴心受拉试件，我国采用100mm×100mm×500mm的棱柱体试件，两端分离对中埋设长变为150mm的φ16钢筋。实验机夹紧两端伸出钢筋，使试件受拉，破坏时的平均应力即为混疑土轴心抗拉强度值。混凝土的抗拉强度实验也有采用劈裂实验的主意。（三）复杂应力状态下的混凝土强度1、双向受力时的强度(1)混凝土双向受压时其两个方向的抗压强度比单轴受压时有所提高，最大的抗压强度发生在两个方向的压应力比介于0.5—2.0之间时，其中较大的压应力可比单轴时提高27%。双向抗压强度的提高是因为变形受到约束的缘故。(2)混凝士一个方向抗压，另一个方向受拉时，其抗压或抗拉强度都比单轴抗压或抗拉时的强度低，这是因为异号应力加速变形的发展，较快地达到极限应变值的缘故。(3)混凝土双向受拉时，其抗拉强度与单轴受拉时无显然差别。2、三向受压时的强度圆柱体在等侧压应力下的三轴受压实验表明，其抗压强度有较大的提高，提高后的抗压强度最低值约为圆柱体单轴受压时的强度值加上4倍的侧向压应力值。在实际工程中，对于钢管混凝土柱或配置密排螺旋箍筋的钢筋混凝土柱，因为混凝土受到钢管壁或螺旋箍的约束，使它处于三向受力状态，可以利用这一特性，考虑混凝土抗压强度的提高。3、剪应力与单轴正应力共同作用下的强度实验结果表明，当存在剪应力τ时，混凝土的抗压抗拉强度都将有所降低。当存在拉应力时，其抗剪强度将降低。（四）短期荷载作用下混凝土的应力-应变关系1．一次加荷下的应力-应变关系一次加荷的应力应变σ-ε曲线如图16-2所示，以峰值应力为界可分为升高段与下降段。升高段大体又可分为三个阶段,当σ≤0.3ƒc时，应力应变呈线性关系，变形主要取决于混凝土内部的弹性变形，粘结裂缝没有显然发展。2．混凝土的弹性模量与变形模量混凝土为弹塑性材料，反映应力应变关系的模量值不是常数，因此《混凝土规范》中给出了弹性模量(Ec)值的决定主意：采用棱柱体试件，取应力上限值为0.5σ0，重复加荷5-10次，当应力与应变趋于线性关系时，该直线斜率即为混凝土弹性模量的取值。应力应变曲线上任一点与原点连线的割线斜率称为混凝土的变形模量Ec′。3．多次重复加荷下的应力-应变关系多次重复加荷实验表明，只要重复应力上限值σ=(0.3～0.5)ƒc，加荷与卸荷循环多次将形成塑性变形堆积，但塑性变形堆积是收敛的，当累积的变形超过混凝土的极限变形能力时，混凝土将疲劳压坏，破坏时应力的上限值称为疲劳应力。疲劳应力的大小与循环应力的上限与下限及循环次数有关。通常以使材料破坏所需荷载循环次数n≥2×106次时的疲劳应力作为疲劳强度。（五）荷载持久作用时的变形——徐变混凝土在不变的应力持久持续作用下，随时光增长的变形称为徐变。影响徐变的主要因素有持续应力的大小、加荷龄期、混凝土配合比、振捣养护条件、结构所处环境等。加载时的龄期越短，徐变越大；水灰比和水泥用量大、振捣不密实、养护与工作环境湿度小、养护时光短，则徐变大。为了减小徐变，应注重养护与控制水灰比，不要过早地拆模板支柱或施加持久荷载。徐变能使构件变形增大，使预应力产生损失，使高应力受压构件发生骤然性破坏等不利影响；但徐变引起的内力或应力重分布及应力松弛偶尔对结构亦产生有利作用，如对轴心受压柱，可使钢筋与混凝土的应力都可能达到各自的抗压强度；徐变可使温度应力降低。（六）混凝土收缩混凝土在空气中硬结时产生体积变小的现象称为收缩，是一种非受力变形。收缩包括凝缩与干缩两部分。混凝土中水泥与水起化学作用产生体积变化为凝缩大部分浮上在凝结的早期。干缩是混凝土中自由水蒸发引起的体积缩小。收缩是使混凝土内产生初始微裂缝的主要缘故，导致混凝土抗拉强度降低与离散性大。混凝土收缩主要浮上在早期，以后逐渐减慢，第一个月的收缩应变可完成50%左右，两个月可完成75%左右，一年以后逐渐趋于稳定，总算收缩量约为(2～5)×10-4。对于普通混凝土可取3×10-6。除受力因素之外，凡对徐变产生影响的因素都对收缩产生影响。此外，水泥强度越高表面积对体积比越大，环境温度越高，都使收缩值加大。混凝土收缩时对结构与构件的不利影响是产生收缩裂缝与预应力的损失。通常采用限制水灰比、水泥用量，加强振捣与养护，适量设置构造筋与变形缝及后浇缝等措施以减少收缩以及收缩带来的不利影响。三、钢筋与混凝土之间的粘结与锚固钢筋与混凝土之间的粘结与锚固是两者能共同工作的基础。（一）形成粘结的因素(1)水泥胶的水化作用，使钢筋与混凝土的接触面上形成胶结力。(2)混凝土收缩对钢筋产生的握裹力。(3)混凝土与钢筋之间的机械咬合力。（二）钢筋与混凝土之间的粘结应力钢筋与混凝土接触的界面上沿钢筋纵向分布的纵向剪应力称之为粘结力。在下列三种情况下可能产生粘结应力：(1)当钢筋伸入混凝土支座内并受到拉力或压力时，在钢筋锚团长度的范围内产生与拉力或压力相平衡的纵向剪应力，称之为锚固粘结应力。(2)当弯矩沿跨度方向变化时，相邻截面的受拉钢筋的应力也发生变化，产生应力差，这使混凝土与钢筋之间产生了粘结应力，称之为弯曲粘结应力。(3)当弯矩与轴力沿纵向不变，构件一旦开裂，则在两相邻裂缝之间的钢筋应力不匀称，存在应力差，在混凝土与钢筋之间产生粘结应力，称之为局部粘结应力。（三）钢筋与混凝土之间的粘结强度钢筋与混凝土之间粘结面上单位面积所能承担的最大粘结应力，称之为粘结强度。粘结强度的高低对钢筋的锚固长度、搭接长度、裂缝的间距与宽度都有直接的影响。粘结强度越高，则锚固长度、搭接长度及裂缝间距和宽度都将减小。习题1对于有显然屈服点的钢筋，其强度标准值取值的根据()。A.极限抗拉强度B．屈服强度C．0.85倍的极限抗拉强度D．钢筋比例极限对应的应力答案：B2《混凝土结构设计规范》中，混凝土各种力学指标的基本代表值是()。A．立方体抗压强度标准值B．轴心抗压强度标准值C．轴心抗压强度设计值D．轴心抗拉强度设计值提醒：混凝土其他强度指标均可用立方体抗压强度标准值（混凝土强度等级）表示。答案：A3混凝土双向受力时，何种情况下强度最低()。A．两向受拉B．两向受压C．一拉一压D．两向受拉，且两向拉应力值相等时提醒：混凝土一个方向受拉，一个方向受压时，其抗压和抗拉强度均比单轴抗压或抗拉强度低，这是因为异号应力加速变形的发展，使其较快达到极限应变值。答案：C第二节基本设计原则按照国家标准《建造结构可靠度设计统一标准GB50068-2001》（以下简称《结构统一标准》）所决定的原则，结构设计时采用以概率理论为基础的极限状态设计主意。一、结构功能要求和设计使用年限结构设计的目的是要使所设计的结构能够完成所有预定功能要求，并具有充足的可靠性。结构功能要求概括地说有下列三个方面：（一）安全性（二）适用性（三）耐久性上述功能要求，即结构在规