结构概念设计――第3章 结构的水平体系1

概述(Introduction)第3章结构的水平体系TheHorizontalSystemofStructure3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析(MechanicalAnalysisofR.C.Beam)3.2结构水平体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)概述(Introduction)第3章概述(Introduction)由板、梁、桁架等多种水平构件组成在竖直方向，通过平面外弯、剪承受竖向荷载，把它传给竖向结构体系。结构的水平体系在水平方向，通过平面内的弯、剪承受水平荷载，并把它传给抗侧力的竖向结构体系。vqHqNVV应当指出（1）水平体系构件的竖向高度(例如板厚、梁高）比起它的跨度要小得多。（2）竖向荷载在数值上比水平荷载大得多。因此，水平体系构件在竖直方向上的弯剪承载力和变形是控制这些结构构件设计计算的主要因素。3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析(MechanicalAnalysisofR.C.Beam)3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析(MechanicalAnalysisofR.C.Beam)3.2结构水平体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)概述(Introduction)第3章结构的水平体系TheHorizontalSystemofStructure3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析梁是最常见的水平结构构件，应用很广，主要承受弯矩和剪力，是最典型的受弯构件。在混凝土梁的受拉区适当配置钢筋，由钢筋来承担混凝土中的拉应力，可大大提高梁的承载能力。实际上，钢筋混凝土梁(或结构)是钢筋和混凝土两种不同材料组合而成的组合结构，两种材料充分发挥各自的特长，共同工作，受力合理。凡是梁中混凝土抗拉不足的部位，都可以用钢筋来加强。VM根据力学知识，如果将钢筋沿梁的主拉应力迹线布置，受力最为合理。但通常钢筋是一根一根的直筋，这样布置施工上有一定困难。(a)3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁试验试验梁反力架分配梁3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土适筋梁正截面破坏纵筋首先屈服混凝土随后压碎3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土超筋梁正截面破坏混凝土受压区被压坏向上受拉破坏总之，是在垂直主压应力方向发生受拉破坏。3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁斜截面剪压破坏3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁斜截面剪压破坏剪压区(b)(c)弯起筋架立筋或受压筋钢箍纵筋(d)钢筋混凝土梁中的钢筋布置如图(b)所示，下部纵筋主要用来承受弯矩引起的拉力，钢箍和弯起钢筋主要用来承受斜截面上的主拉应力。支座附近弯矩小，纵筋在靠近支座附近不能被充分利用，所以可弯起来承受斜截面上的拉力。钢筋的抗压强度也很高，埋在混凝土中还不易失稳，有时也用来帮助受压区混凝土抗压，以提高受压区的承载力。由于钢筋拉应力较高，一般情况下钢筋混凝土梁是带裂缝工作的，主要有跨中附近的垂直裂缝和支座附近的斜裂缝。随着荷载的增大，裂缝会不断扩大和延伸。钢筋混凝土梁开裂以后的工作状态比较复杂，为加深对钢筋混凝土梁开裂后工作状态的理解，可以运用学得的结构概念，把它设想为某种我们已经比较熟悉的结构。3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析（1）把钢筋混凝土梁设想为带有下斜腹杆的一个平行弦桁架，此时受拉纵筋为下弦，上部受压混凝土为上弦(上部受压纵筋也可看作是上弦的一部分)，钢箍为竖向腹杆，而弯起钢筋则是下斜式受拉腹杆(图c)。跨中没有弯起钢筋的梁段，可以设想由混凝土充当受压斜腹杆。（2）把只有一排弯起筋的钢筋混凝土梁看作下沉式桁架(图d)，受力状态基本相同，只是中间由混凝土充当受压腹杆的梁段长一些而已。3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析（3）对于没有弯起钢筋的梁，可以设想为带有上斜腹杆的平行弦桁架，由梁腹混凝土充当斜向受压腹杆(图e)。学过钢筋混凝土基本构件的同学一定还记得，在梁的斜截面计算中有一个截面限制条件，对于一般截面梁，其表达式为：V=0.25×bh0fc式中：fc——混凝土的抗压强度设计值；b和h0——分别为截面宽度和有效高度。此式反应了梁在主压应力方向的极限承载力。在剪力V作用下梁在主拉应力方向产生拉应力的同时，在主压应力方向也将产生同样大小的压应力，过大的斜向压应力有可能使梁在斜压方向压碎。对比图e）的支座斜腹杆，假设此斜腹杆的截面高度为h1，则有bh1fcsina=V=0.25bh0fc得h1=0.25h0/sina设主压力近似为45°，将sin45°=0.707代入上式得h1=0.35h0也即这斜腹杆的截面高度大约相当于0.35h0。(e)3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析（4）对于裂缝开展得很严重的钢筋混凝土梁，可以认为受拉区混凝土已退出工作，此时，可以把它设想为一个带拉杆的拱，拱拉力由纵筋承担，拱压力由混凝土承担(图f)。梁上各截面的弯矩M由纵筋拉力与相应截面拱压力的水平分量组成的力偶来平衡；各截面的剪力由相应截面拱压力的竖向分量来平衡。越靠近支座，拱轴越倾斜，其抗剪力的竖向分量也越大。“拱”下梁腹部分混凝土开裂后基本上不起作用，挖几个洞对承载力也没有明显影响。因此，工程中常在薄腹梁(屋面大梁)跨中腹板处挖去几个圆洞，这样既可减轻自重，节省材料，还可以穿越管线。拉杆拱的拉力也可由支座推力来承担，只要支座能提供足够的推力，则拉杆可以取消(图g)，拱作用不会有任何变化。（f)（g)HHHHVVf3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析北京革命军事博物馆带地下拉杆的钢筋混凝土落地拱3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析敞肩式石拱桥3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析（5）在后张预应力混凝土梁中，有时也采用曲线配筋(图h)，此时曲线钢筋受拉，上部“弦杆”混凝土受压，受力状态与带拉杆的拱正好相反。各截面的剪力由曲线钢筋拉力在截面上的竖向分量来平衡，上弦只提供压力，以便与相应截面曲线钢筋拉力的水平分量组成力偶，来平衡该截面的弯矩。如果支座可以提供足够的水平力，那么上弦压杆也可以去掉，支座水平力与上弦压力的作用效应是一样的。可以看出，此时已变为一悬索结构(图i)。（h)HHHHVVf（i)3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析悬索桥3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析上述对钢筋混凝土梁受力状态的分析，目的在于深入了解钢筋混凝土梁的工作机理，加深对受弯构件的理解。从本质上来说，只要设法承受截面的弯矩M和剪力V，就能形成水平构件，跨越一定跨度。梁、拱、桁架、悬索等结构构件在这一点上并没有本质的区别。桁架、拱和悬索巧妙地将弯矩M和剪力V都转化为相应杆件的轴力，可以充分利用材料的受力特性和充分利用杆件的截面面积，使构件变得更经济合理，自重更轻。梁高相对其跨度而言是比较小的，例如，次梁的高跨比通常为1/12～1/16，主梁的高跨比通常为1/8～1/12。而桁架、拱和悬索结构在建筑结构中通常用在屋盖系统，可适当提高其有效高度，其截面高度相对其跨度而言，例如桁架的高跨比通常可高达1/4～1/7。很明显，增高结构高度可大大减小构件内力，从而使杆件截面更小，自重更轻，可跨越更大的跨度。在第一章中曾谈到结构尺度的概念，按比例放大一根梁是行不通的。因为梁自重的增加比其抗力的增加还要快，梁会被其自重压垮。而结构形式的改变，不但可使构件的受力状态发生改变(例如，从梁的受弯受剪，改变为桁架、拱、悬索结构以承受轴力为主)，增加内力臂而减少构件内力，同时也大大减轻了结构自重，这样才能使结构跨越更大的跨度。可见，从结构基本概念出发，合理改进结构形式，使结构受力更合理，对结构工程师来说，是十分重要的。同时也可以看到，一根梁虽然在材料强度利用上不是很好，但梁中隐含着上斜式平行弦桁架、下斜式平行弦桁架、带拉杆拱、悬索结构、下沉式桁架等多种结构受力状态，因此才有可能将梁截面的高度做得更小。当跨度不很大时，为了充分利用层高，尽可能减小结构高度，梁还是一种很有效的结构形式。