第十一章容许应力ppt课件.ppt
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1、第十一章,混凝土结构按容许应力法计算基本原理,本章主要内容,容许应力法的概念;,按容许应力法进行抗弯强度计算的基本原理;,单筋矩形截面梁的计算。,双筋矩形截面梁的计算;,T形截面梁的计算。,大、小偏心受压构件的计算;,箍筋和斜筋的设计;,以弹性理论为基础;容许应力由材料强度除以安全系数;安全系数则依工程经验和主观判断确定。,11.1 容许应力法的基本概念,公式表达:,式中:,构件截面的最大计算应力;,材料的容许应力;,材料的标准强度;,安全系数。,适用范围:,钢筋混凝土构件在施工、运输和安装等阶段的计算;,预应力混凝土构件在使用阶段的计算;,铁路普通钢筋混凝土桥梁的设计计算;,优缺点:,安全系
2、数凭经验而定,过于保守,但比较实用。,11.2 受弯构件抗弯强度计算,一、 抗弯强度计算的基本原理,1 基本假定和计算的计算应力图形,基本假定:,匀质弹性体假定,平截面假定,受拉区混凝土不参加工作,计算依据:受弯构件受力第二阶段,计算应力图形,2 换算截面,概念:,提出此概念的原因 :,钢筋混凝土梁的截面不是匀质截面。,定义 :,把钢筋和混凝土这两种弹性模量不同的实际截面,按功能相等的原则换算成由一种抗压性能相同的假想材料组成的匀质截面,此匀质截面即为换算截面。,换算原则:,换算方法:,功能相等:,二者应变相同;,二者所受力的大小、方向和作用点都相同。,把钢筋换算成与它功能相等的既能受压也能受
3、拉的假想的混凝土,且,。,由受力的方向和作用点不变得:,由二者应变相同,可得应力关系:,的重心仍在钢筋重心处,,所以:,由受力的大小不变可得面积关系:,所以:,结论:,换算截面中,假想的能受拉的混凝土的应力比钢筋缩小了n倍,而其面积为钢筋面积的n倍,且合力重心位置不变。其中n值为钢筋弹性模量和混凝土弹性模量的比值,可查表11-2。,二、 单筋矩形截面梁的计算,1 截面复核,(1) 确定中性轴的位置:,计算依据 :,换算截面的中性轴必定通过其换算截面的重心。,计算原则 :,推导过程 :,即:,引入符号:相对受压区高度,,配筋率,,得:,解方程得:,受压区高度:,由上式可知:受压区高度与材料、配筋
4、率及截面尺寸有关,而与荷载弯矩无关。,(2) 求混凝土和钢筋的最大应力 :, 换算截面法,在换算截面法的基础上,应用材料力学的公式直接求解。,求换算截面对中性轴的惯性矩,求受压区最外缘混凝土的最大压应力,求受拉钢筋重心处的拉应力, 内力偶法,求内力偶臂长度:,求受压区最外缘混凝土的最大压应力 :,对受拉钢筋重心取矩,由,得:,求受拉钢筋重心处的拉应力 :,对受压区混凝土合力作用点取矩,由,得:, 多层钢筋的处理,验算理由 :,由于各层钢筋的应力与其到中性轴的距离成正比,因此,,有必要进行验算。,所以:,,按应力直线变化关系:,验算方法 :,(3) 弯矩校核:,原则:,截面所能承受的最大弯矩应大
5、于实际的荷载弯矩。,与混凝土达到容许应力相对应的弯矩:,与钢筋达到容许应力相对应的弯矩:,要求:,(4) 截面配筋率的校核 :,为保证塑性破坏,要求:,截面最小配筋率,使按应力阶段III所求得的钢筋混凝土截面的抗弯能力不小于相同截面的素混凝土按应力阶段所求得的抗弯能力的配筋率,可查附表2.8。,截面最大配筋率,适筋梁和超筋梁的界限配筋率为截面最大配筋率,计算得出。,2 截面设计,平衡设计,钢筋和混凝土的应力同时达到容许值,低筋设计,钢筋应力达到容许值时,混凝土应力还低于容许值,(理论上合理,但实际难保证),(适当加大截面后,可减少钢筋用量,比较经济),(1) 平衡设计:,超筋设计(不宜采用),
6、混凝土应力达到容许值时,钢筋应力还低于容许值,(由于梁高受到限制,需增加钢筋用量,一般改为双筋截面),原则:,条件:,荷载弯矩、材料容许应力、n值。,选择梁的截面尺寸b、h,计算钢筋的面积,并布置。,要求:,具体步骤:, 确定理想的相对受压区高度,由式:,得:, 确定混凝土截面尺寸,所以:,再由构造要求联合求出截面尺寸,计算梁的自重,和外荷载叠加后算得总荷载弯矩。, 确定钢筋的截面积,由,得:,所以:, 用实际选定的截面尺寸和钢筋面积进行截面复核,并适当 进行调整。,(2) 低筋设计:,原则:,条件:,要求:,荷载弯矩、材料容许应力、n值,一般还按建筑要求或经济比例给出截面尺寸。,计算钢筋的面
7、积,并布置。,具体步骤:, 首先判断是否能用低筋设计,判别依据:,h0低h0平h0超,判别方法:,h0平,其中:,若h0低h0平,则进行低筋设计。, 试算确定,由,由, 用实际选定的截面尺寸和钢筋面积进行截面复核,并适当 进行调整。,三、 双筋矩形截面梁的计算,1 概述,(1) 双筋梁适用范围:,混凝土截面尺寸受到建筑高度等的限制,以至用单筋 设计时需采用超筋方案;,截面上同时有正、负弯矩存在;,由于构造上的原因(如连续梁的中间支座处纵筋不切断 时),在截面的受压区已经配置了一定数量的压筋。,(2)双筋梁计算应力图形及压筋应力 :,计算应力图形:,压筋应力与混凝土应力的关系:,压筋应力与受拉区
8、钢筋重心处应力的关系:,2 截面复核,(1) 确定中性轴的位置:,计算依据 :,换算截面的中性轴必定通过其换算截面的重心。,计算原则 :,推导过程 :,(2) 求混凝土和钢筋的最大应力 :, 换算截面法,在换算截面法的基础上,应用材料力学的公式直接求解。,求换算截面对中性轴的惯性矩,求受压区最外缘混凝土的最大压应力,求受拉钢筋重心处的拉应力,求受压钢筋重心处的压应力, 内力偶法,求内力偶臂长度:,其中:,受压区换算截面对中性轴的惯性矩,受压区换算截面对中性轴的面积矩,求受拉钢筋重心处的拉应力,求受压钢筋重心处的压应力,求受压区最外缘混凝土的最大压应力,(3) 截面配筋率的校核 :,为保证塑性破
9、坏,要求:,最小配筋率可查表。,3 截面设计,条件 :,荷载弯矩、材料容许应力、n值,一般还按建筑要求或经济比例给出截面尺寸。,要求 :,基本思路 :,把双筋截面所受的弯矩设想为两组弯矩之和,即:,其中:,(1) 确定是否作双筋设计,为充分利用混凝土截面,先按单筋矩形截面的平衡设计进行,则:,其中:,(2) 求,所以:,(3) 求,所以:,(4) 求,又由平衡条件:,得:,压筋应力:,(5) 截面复核,用实际选定的截面尺寸和钢筋面积进行复核截面应力和配筋率,并根据结果适当进行调整。,1 对T形截面有效翼缘的规定,bi,L/3b+SnB+12hi或b+2e+12hi,四、 T形截面梁的计算,2
10、中性轴位置不同的截面图形,T形截面分中性轴在翼缘内和在梁肋内两种。,3 截面复核,(1) 判别中性轴的位置:,判别方法:,则:,(2) 确定T形梁中性轴的位置:,计算依据 :,换算截面的中性轴必定通过其换算截面的重心。,计算原则 :,推导过程 :,(2) 求混凝土和钢筋的最大应力 :, 换算截面法,求换算截面对中性轴的惯性矩,求受压区最外缘混凝土的最大压应力,在换算截面法的基础上,应用材料力学的公式直接求解。,求受拉钢筋重心处的拉应力,多层钢筋时,求最外层受拉钢筋重心处的拉应力, 内力偶法,求内力偶臂长度:,其中:,求受拉钢筋重心处的拉应力,多层钢筋时,求最外层受拉钢筋重心处的拉应力,求受压区
11、最外缘混凝土的最大压应力,2 截面设计,(1) 确定截面尺寸 :,条件:,荷载弯矩、材料容许应力、n值。,选择梁的截面尺寸b、h,计算钢筋的面积,并布置。,要求:,(2) 估计,近似取,(3) 截面复核,用实际选定的截面尺寸和钢筋面积进行复核截面应力和配筋率,并根据结果适当进行调整。,11.3 受弯构件抗剪强度计算,一、 剪应力、主应力及主拉应力的分配,1 剪应力,(1) 计算公式:,采用换算截面:,其中:,换算截面计算点以上部分对中性轴的面积矩;,换算截面对中性轴的惯性矩。,计算剪力;,计算点处的截面宽度。,单筋矩形截面 :,(2)钢筋混凝土结构剪应力分布图形 :,T形截面 :,(3) 求最
12、大剪应力 的简化计算, 等高度梁,其中:,初步设计中,单筋矩形梁,双筋矩形梁,T形梁,取微段dl作为隔离体,x=0,M=T.Zdl很小,认为Z不变,dM=Z.dT,推导:, 变高度梁,2 主应力,(1) 受压区:,采用换算截面,则受压区主应力变化规律与匀质弹性梁相同。,主拉应力:,主压应力:,方向:,主拉应力:,(负号表示受拉),主压应力:,方向:,(2) 受拉区:,3 抗剪强度的验算内容,(1) 受压区:,最大主拉应力和最大剪应力均发生在中性轴及其 以下部位,且数值相等,但混凝土抗拉强度抗 剪强度,故只需验算主拉应力。,(2) 受拉区:,三种应力大小相等,但混凝土抗拉强度抗剪强度抗压强度,故
13、只需验算主拉应力。,结论:全截面只需对主拉应力进行验算。,4 桥规腹筋设计原则和主拉应力的容许值,可以不配腹筋的情况:主拉应力很小时,可以由混凝土承担全部的主拉应力而不致开裂。需要配腹筋的情况:主拉应力较大,必需配置腹筋来抵抗主拉应力。在这种情况下,全部主拉应力由腹筋承担。需要加大截面尺寸或强度等级的情况:主拉应力超过一定值后,斜裂缝严重发展,不能靠增加腹筋来控制。,梁中主拉应力容许值,有箍筋及斜筋时主拉应力的最大容许值,无箍筋及斜筋时主拉应力的最大容许值,梁部分长度内全由混凝土承受的主拉应力的容许值,(1) 梁中,处理措施:,(2) 梁中,处理措施:,由于混凝土自身能承受这一主拉应力,故无需
14、按计算配筋,但必须按构造要求配箍筋,以避免脆性破坏。,处理措施:,处理措施:,此处裂缝延伸不到,混凝土自身能承受这一主拉应力,故无需按计算配筋,但必须按构造要求配箍筋,以避免脆性破坏。,(3) 梁中,按计算结果配腹筋。,(4) 梁部分长度内,解题思路:1、计算主拉应力的大小及分布,判断是否需计算配筋2、计算总斜拉力的大小3、箍筋和斜筋设计,1、最大主拉应力分布,以等高度矩形截面简支梁均布荷载情况为例,最大主拉应力分布,(1)截面上主拉应力、剪应力分布规律与剪力一致 (2)主拉应力与剪应力沿梁长有相同的变化规律,但力的作用方向与梁轴成45角,应分布在45的斜方向上。,控制强度的是最大主拉应力,所
15、以只要知道截面上最大主拉应力的值。,剪应力与主斜拉力两者横坐标间的关系式为 故主拉应力图的面积为剪应力图面积的0.707倍,即 0.7070总的斜拉力为0.707b0 ,斜拉力作用线则为剪应力图的重心作垂线与中性轴的交点,再作过交点45的斜线方向。,2、总斜拉力大小及作用线,按剪应力图计算,0,已知斜拉力大小和作用线位置后,便可设计箍筋与斜筋。,图中面积的含义:, 梁在某段长度上,单位宽度内梁中性轴处剪应力 的合力,为单元剪力(N/m);, 梁在某段长度上,中性轴处剪应力的合力,为剪力(N);,梁在某段长度上,单位宽度内梁中性轴处主拉应力的合力,为单元斜拉力(N/m);,梁在某段长度上,中性轴
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