结构设计原理知识点

第一章钢筋混凝土结构基本概念及材料的物理力学性能1.混凝土立方体抗压强度cuf：（基本强度指标）以边长150mm立方体试件，按标准方法制作养护28d，标准试验方法（不涂润滑剂，全截面受压，加载速度0.15~0.25MPa/s）测得的抗压强度作为混凝土立方体抗压强度cuf。影响立方体强度主要因素为试件尺寸和试验方法。尺寸效应关系：cuf（150）=0.95cuf（100）cuf（150）=1.05cuf（200）2.混凝土弹性模量和变形模量。①原点弹性模量：在混凝土受压应力—应变曲线图的原点作切线，该切线曲率即为原点弹性模量。表示为：E'=σ/ε=tanα0②变形模量：连接混凝土应力应变—曲线的原点及曲线上某一点K作割线，K点混凝土应力为σc（=0.5cf），该割线（OK）的斜率即为变形模量，也称割线模量或弹塑性模量。Ec'''=tanα1=σc/εc混凝土受拉弹性模量与受压弹性模量相等。③切线模量：混凝土应力应变—上某应力σc处作一切线，该切线斜率即为相应于应力σc时的切线模量''cE=dσ/dε3.徐变变形：在应力长期不变的作用下，混凝土的应变随时间增长的现象称为徐变。影响徐变的因素：a.内在因素，包括混凝土组成、龄期，龄期越早，徐变越大；b.环境条件，指养护和使用时的温度、湿度，温度越高，湿度越低，徐变越大；c.应力条件，压应力σ﹤0.5cf，徐变与应力呈线性关系；当压应力σ介于（0.5～0.8）cf之间，徐变增长比应力快；当压应力σ﹥0.8cf时，混凝土的非线性徐变不收敛。徐变对结构的影响：a.使结构变形增加；b.静定结构会使截面中产生应力重分布；c.超静定结构引起赘余力；d.在预应力混凝土结构中产生预应力损失。4.收缩变形：在混凝土中凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减少的现象称为收缩。混凝土收缩原因：a.硬化初期，化学性收缩，本身的体积收缩；b.后期，物理收缩，失水干燥。影响混凝土收缩的主要因素：a.混凝土组成和配比；b.构件的养护条件、使用环境的温度和湿度，以及凡是影响混凝土中水分保持的因素；c.构件的体表比，比值越小收缩越大。混凝土收缩对结构的影响：a.构件未受荷前可能产生裂缝；b.预应力构件中引起预应力损失；c.超静定结构产生次内力。5.钢筋的基本概念1.钢筋按化学成分分类，可分为碳素钢和普通低合金钢。2钢筋按加工方法分类，可分为a.热轧钢筋；b.热处理钢筋；c.冷加工钢筋（冷拉钢筋、冷轧钢筋、冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋。）6.钢筋的力学性能物理力学指标：（1）两个强度指标：屈服强度，结构设计计算中强度取值主要依据；极限抗拉强度，材料实际破坏强度，衡量钢筋屈服后的抗拉能力，不能作为计算依据。（2）两个塑性指标：伸长率和冷弯性能：钢材在冷加工过程和使用时不开裂、弯断或脆断的性能。7.钢筋和混凝土共同工作的的原因：（1）混凝土和钢筋之间有着良好的黏结力；（2）二者具有相近的温度线膨胀系数；（3）在保护层足够的前提下，呈碱性的混凝土可以保护钢筋不易锈蚀，保证了钢筋与混凝土的共同作用。第二章结构按极限状态法设计计算的原则1.结构概率设计的方法按发展进程划分为三个水准：a.水准Ⅰ，半概率设计法，只对影响结构可靠度的某些参数，用数理统计分析，并与经验结合，对结构的可靠度不能做出定量的估计；b.水准Ⅱ，近似概率设计法，用概率论和数理统计理论，对结构、构件、或截面设计的可靠概率做出近似估计，忽略了变量随时间的关系，非线性极限状态方程线性化；c.水准Ⅲ，全概略设计法，我国《公桥规》采用水准Ⅱ。2.结构的可靠性：指结构在规定时间（设计基准期）、规定的条件下，完成预定功能的能力。可靠性组成：安全性、适用性、耐久性。可靠度：对结构的可靠性进行概率描述称为结构可靠度。3.结构的极限状态：当整个结构或构件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功能的极限状态。极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态和破坏—安全状态。承载能力极限状态对应于结构或构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形，具体表现：a.整个构件或结构的一部分作为刚体失去平衡；b.结构构件或连接处因超过材料强度而破坏；c.结构转变成机动体系；d.结构或构件丧失稳定；e.变形过大，不能继续承载和使用。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定限值，具体表现：a.由于外观变形影响正常使用；b.由于耐久性能的局部损坏影响正常使用；c.由于震动影响正常使用；d.由于其他特定状态影响正常使用。破坏—安全状态是指偶然事件造成局部损坏后，其余部分不至于发生连续倒塌的状态。（破坏—安全极限状态归到承载能力极限状态中）4.作用：使结构产生内力、变形、应力、应变的所有原因。作用分为：永久作用、可变作用和偶然作用。永久作用：在结构使用期内，其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用可变作用：在结构试用期内，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。偶然作用：在结构使用期间出现的概率小，一旦出现其值很大且持续时间很短的作用。5.作用的代表值：作用的标准值。具体取值：永久作用标准值：结构构件的设计尺寸×重度。可变作用的标准值：《公桥规》相应规定。永久作用取代表值：应采用标准值为代表值。可变作用取代表值：（1）承载能力极限状态设计按弹性阶段计算结构强度时采用标准值作为可变作用代表值。（2）正常使用极限状态按短期效应组合设计时，采用频遇值作为可变作用的代表值。（3）按长期效应（准永久）组合设计时，采用准永久值作为可变作用的代表值。第三章受弯构件正截面承载力计算1.单筋截面：只在梁（板）的受拉区配置纵向受拉钢筋，此种构件称为单筋截面。2.双筋截面：如果同时在截面受压区和受拉区配置受力钢筋，此种构件称为双筋截面。3.配筋率ρ（%）：指所配置的钢筋截面面积与混凝土截面有效面积的比值。4.保护层：指钢筋边缘至构件截面表面之间的最短距离。设置保护层时为了保护钢筋不直接受到大气的侵蚀、氯盐和其他环境因素作用，也是为了保证钢筋和混凝土有良好的黏结，他是钢筋混凝土结构耐久性设计的重要指标。5.单向板：2l（长）/1l（短）≥2，荷载主要沿短边单方向传递，需要在短边单向配受力主钢筋。6.双向板：2l/1l＜2，荷载沿两个方向传递，板的双向都受力，成为双向板，需要在双向配受力主钢筋。7.钢筋构造布置：梁钢筋的最小混凝土保护层厚度应不小于钢筋的公称直径d和30mm，且应符合规范要求。当受拉区主筋的混凝土保护层厚度大于50mm时，应在保护层内设置直径不小于6mm，间距不大于100mm的钢筋网。8.截面的三个工作阶段：①阶段Ⅰ：不带裂缝的整体工作阶段；②阶段Ⅱ：带裂缝工作阶段；③阶段Ⅲ：失效阶段，裂缝迅速开展，钢筋达到屈服强度。三个特征点：第Ⅰ阶段末（用Ⅰa表示），裂缝即将出现；第Ⅱ阶段末（用Ⅱa表示），纵向受力钢筋屈服；第Ⅲ阶段末（用Ⅲa表示），梁受压区混凝土被压碎，整个梁截面破坏。9.受弯构件正截面破坏形态：（1）适筋梁的塑性破坏：梁的受拉区钢筋首先达到屈服强度，其应力保持不变而应变显著地增大，直到受压区边缘混凝土的应变达到极限压应变时，受压区出现纵向水平裂缝随混凝土压碎而破坏。这种破坏梁裂缝急剧开展，挠度较大，梁截面产生较大的塑性变形，因而有明显的破坏预兆，属塑性破坏。（2）超筋梁的脆性破坏：（第Ⅲ阶段缩短）当实际配筋率ρ＞ρmax时，梁破坏时压区混凝土被压坏，而受拉区钢筋应力尚未达到屈服强度，破坏前梁的挠度及截面曲率没有明显的转折点，受拉区裂缝开展不宽，延伸不高，破坏是突然的，没有明显预兆，属脆性破坏，称为超筋梁破坏。超筋梁破坏是压区混凝土抗压强度耗尽，而钢筋的抗拉强度没有得到充分发挥，因此超筋梁破坏时的弯矩uM与钢筋强度无关，仅取决于混凝土的抗压强度。（3）少筋梁脆性破坏：（第Ⅱ阶段缩短）当ρ＜ρmin，梁受拉区混凝土一开裂，受拉钢筋达到屈服，并迅速经历整个流幅而进入强化阶段，梁仅出现一条集中裂缝，不仅宽度大，而且沿梁高延伸，此时受压区混凝土还未压坏，而裂缝宽度已经很宽，挠度过大，钢筋甚至被拉断，由于破坏突然，属于脆性破坏。10.三个基本假定：（1）平截面假定：各级荷载作用下，截面上平均应变保持为直线分布，即截面任意点应变与该点到中和轴的距离成正比；（2）不考虑混凝土的抗拉强度：在裂缝截面处，受拉区混凝土已大部分退出工作，但在靠近中和轴附近，仍有一部分混凝土承担着拉应力；（3）材料的σ—ε曲线。11.相对界限受压区高度ξb：界限破坏为当受拉区钢筋达到屈服应变εy而开始屈服时，受压区混凝土边缘也同时达到其极限压应变而破坏，此时的受压区高度bx=ξb0h，ξb被称为相对界限受压区高度。第四章受弯构件斜截面承载力计算1.剪跨比：用m=M/V0h来表示，M和V分别为剪弯区段中某个竖直截面的弯矩和剪力，M也称广义剪跨比。对于集中荷载作用下的简支梁：m=M/V0h=a/0h，a为集中力作用点至简支梁最近的支座之间的距离，称为剪跨。M=a/0h为狭义剪跨比。2.计算截面位置的选取：a.距支座中心（梁高一半）处的截面；b.受拉区弯起钢筋弯起点处的截面，以及锚于受拉区的纵向钢筋开始不受力处的截面；c.箍筋数量或间距有改变处的截面；d.梁的肋板宽度改变处的截面。第七章偏心受压构件的正截面承载力计算1.偏心受压构件的破坏形态：（1）受拉破坏（大偏心受压破坏）：一般出现在相对偏心距0e/h较大，且受拉钢筋配置得不太多时的情况。破坏特征表现为：截面部分受拉，部分受压，受拉一侧钢筋应力先达到抗拉屈服强度，随后混凝土被压碎，受压区钢筋达到屈服强度，破坏形态与双筋截面梁相似。（2）受压破坏（小偏心受压破坏）：出现在偏心距较小，即使偏心距较大，但受拉钢筋数量比较多；当偏心距很小，尤其远离偏心力一侧的钢筋少，靠近偏心力一侧的钢筋过多时的情况。破坏特征表现：靠近偏心力一侧的混凝土首先达到极限压应变而压碎，该侧的钢筋达到压屈强度，远离偏心力一侧的钢筋可能受拉也可能受压，一般达不到屈服强度。2.界限破坏定义：受拉一侧钢筋达到屈服强度时，受压边缘混凝土也刚好达到极限压应变而压碎。3.大小偏心受压破坏界限的判别条件：用受弯构件相对界限受压区高度ξb判别：ξ≤ξb时，为大偏心受压构件；ξ＞ξb时，为小偏心受压构件。4.偏心受压构件的构造要求：minb≥300mm，h/b=1.5～3，边长宜采用50mm的倍数；纵向受力钢筋沿截面短边b配置，截面全部纵向钢筋最小配筋率ρmin=0.5%，一侧纵向钢筋ρmin=0.2%，长边h≥600mm时，应在长边h方向设置直径为10～16mm的纵向构造钢筋，必要时相应地设置附加箍筋或复合箍筋。第九章钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形计算1.钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形计算的内容：（1）施工阶段与使用阶段混凝土和钢筋应力；（2）使用阶段的变形；（3）使用阶段的最大裂缝宽度。2.计算的基本假定：（1）平截面假定：梁的正截面在梁受力并发生弯曲变形以后，仍保持为平面；（2）弹性体假定：压区混凝土近似按线性分布；（3）开裂后受拉区完全不承担拉应力，拉应力完全由钢筋承受。3.换算截面：将钢筋和混凝土两种材料组成的实际截面换算成为一种拉压性能相同的单一材料组成的当量截面，称换算截面。4.控制裂缝宽度的原因：（1）外观要求，裂缝宽度不宜超过0.3mm；（2）耐久性要求，防锈蚀，过宽的裂缝导致钢筋锈蚀，严重影响耐久性。5.产生裂缝的原因及控制措施：（1）由作用效应引起的裂缝。由于截面上的弯矩、轴力、扭矩等作用效应，会使混凝土产生裂缝，主要通过验算和采取构造措施加以控制。（2）由外加变形或约束变形引起的裂缝。主要通过采取构造措施和相关施工工艺加以控制。（3）钢筋锈蚀裂缝。采取保证混凝土保护层厚度和混凝土密实性的措施，严格控制早凝剂的掺入量等。6.影响裂缝宽度的主要因素：（1）钢筋应力σss。为主要因素，最大裂缝宽度与σss呈线性关系；（2）钢筋直径d。在配筋率ρ与钢筋应力大致相同的情况下，最大裂缝宽度maxfW随d的增加而增大；（