桥梁结构设计原理.ppt

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1、结构设计原理,课程简介：,本课程是土木工程（道路与桥梁工程方向）专业的主干专业基础理论课（必修）。本课程主要介绍钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和圬工结构的各种基本构件受力特性、设计原理、计算方法和构造设计。,1、知识目标：掌握钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和圬工结构概念、构造及计算原理和计算方法。2、能力目标：能够应用所学知识进行简单构件截面设计、承 载力计算及校核，能对简单的钢筋混凝土构件进 行配筋计算。,GENERAL INSTRUCTIONAL OBJECTIVE,总体教学目标,1、课堂教学：以选用的孙元桃主编的结构设计原理为 首选教材，采用多媒体教学为主、结合板书的教 学手段。2、

2、课堂讨论：对知识重点以及难点进行课堂讨论。3、课程设计：针对重点内容的课程设计（大作业）。,拟采用的教学方法,课前预习是关键：在学习本门课程之前同学们最好提前浏览教 材，对即将要进行的课程有所熟悉。学习各环节要积极主动：听课、课堂讨论、课后作业、课程设计都要积极主动并且认真完成。勤奋学习的精神：学习本门课程以及今后事业成败的关键。,学习方法,LEARNING METHOD,1、先行课程：建筑力学道路建筑材料。本门课程 必须是在学习了以上两门课程的基础之上进行 的。2、后续课程：桥梁工程。学习本门课程是为了今后学 习桥梁工程打下基础。桥梁工程是道桥专业非常 重要的一门专业课，因此本课程的重要性可

3、见一 斑。,与本门课程有关课程：,主要内容,COURSE MATERIALS,0 总 论,第一章 钢筋混凝土材料的力学性能,第二章 结构按极限状态法设计的原则,第三章 钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算,第四章 钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力计算,第五章 钢筋混凝土受弯构件在施工阶段应力计算,第六章 钢筋混凝土构件的变形与裂缝验算,第七章 轴心受压构件承载力计算,第八章 偏心受压构件承载力计算,第九章 预应力混凝土结构的基本概念及材料,第十章 受弯构件按承载能力极限状态设计计算,第十一章 受弯构件按正常使用极限状态设计计算,第十二章 预应力混凝土简支梁设计,第十三章 圬工结构设计计算简介,课时

4、分配：,SCORING SYSTEM,成绩评定,叶见曙主编：结构设计原理，人民交通出版社，2005年12月 中华人民共和国行业标准公路钢筋混凝土及预应力 混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004），2004年，北京：人民交通出版社。中华人民共和国行业标准圬工桥涵设计规范2004 年，北京：人民交通出版社。中华人民共和国行业标准公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004），2004年，北京：人民交通出版社。,REFERENCES,参考书目,学期第一课,课堂三不许、三必须,不许睡觉不许玩儿手机、听音乐不许说话必须按时上下课必须按时完成作业必须养成良好的生活习惯,课前提问：,请问中国的“桥梁

5、之都”是那个城市？这座城市是那年被评为中国的“桥梁之都”的？茅以升桥梁委员会2005年年会认定：重庆是中国惟一的“桥都”。重庆现有各类桥梁4500多座，主城嘉陵江和长江 上已有大桥14座，数量和密度远远超过中国其他城市，建 设密度和施工难度世所罕见。,总论,结构设计原理三大学习任务：1、学会设计构件：确定合理截面尺寸，如：构件截面形状、大小 等；了解构件的具体构造，为施工打基础。2、验算所设计构件可靠度：根据所设计构件的截面尺寸，在外部荷载已知的 情况下，验算其承载力、稳定性、刚度、裂缝。3、为学习桥梁工程打好基础。,结构组成及其分类,结构：建筑物中承受作用和传递作用的各个部件 的总和称为结构

6、。因此，结构是由若干基本构件 组成。基本构件按受力特点分为：受拉构件 受压构件 受弯构件 受扭构件,构件承载力,承载力：构件抵抗破坏和抵抗变形的能力。影响承载力的因素有：1、组成材料的性质 2、截面的几何形状 3、截面尺寸 4、受力特点及工作条件 5、施工因素等,结构的分类,结构按照组成材料的分类：钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 圬工结构 钢结构 木结构结构设计原理的研究对象：就是组成桥梁结构的基本构件（梁、板、柱）,各结构的特点及适用范围,国内外桥梁发展趋势：轻型化、标准化、机械化。三种结构特点对比：1、结构质量：预应力混凝土结构适用于大跨度结构。2、使用性能：延性、耐久性、耐火性钢筋混凝

7、土结构好；钢结 构强度高。3、建筑速度 钢结构建筑速度最快。,各种结构的适用范围：钢筋混凝土结构：应用最广泛：桥梁、涵洞、挡土墙、路 面、房屋建筑、水工结构等预应力混凝土结构：多用于大跨度桥梁结构中圬工结构：砌筑拱圈、墩台、基础、挡土墙等结构,结构设计的原则及基本要求：,设计原则：安全、适用、经济、美观设计要求：具有足够的可靠度。承载力：设计使用期内各构件有足够安全储备稳定性：结构及其构件在荷载作用下处于稳定的 平衡状态。刚度：变形控制在运行范围内。耐久性：结构在设计基准期内不得过早发生破坏,第一章,钢筋混凝土材料的基本概念及力学性能,定义：钢筋混凝土是由两种力学性能不同的材 料钢筋和混凝土结

8、合成整体，共同发挥作用 的一种建筑材料。,第一节 钢筋混凝土结构的基本概念,一、素混凝土构件和钢筋混凝土构件受力和破坏形态比较：,现将素混凝土梁和配置钢筋的梁进行荷载试验：,a)素砼梁 极限荷载 P=8kN 由砼抗拉强度控制 破坏形态：脆性,b)钢筋砼梁 极限荷载 P=36kN 由钢筋受拉、砼受压而破坏 破坏形态：延性,由此得出钢筋和混凝土结合的有效性：,大大提高结构的承载力,结构的受力性能得到改善,荷载试验结果表明：,例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截面尺寸200300mm，混凝土为C20。如图所示：,钢筋与混凝土合理的组合原则,钢筋混凝土结构不是钢筋和混凝土之间的任意组合。,

9、其组合的原则：发挥钢筋抗拉、抗压强度高的特点；发挥混凝土抗压强度高，而避免抗拉强度低的弱点。,钢筋与混凝土长期共同工作的原因,1.混凝土结硬后，能与钢筋牢固地粘结在一起，传递应力。,2.二者具有相近的线胀系数，不会由于温度变化产生较大的温度应力和相对变形而破坏粘结力。,钢筋 st=1.2 105,混凝土 ct=1.0 1.5 105,3.呈碱性的混凝土可以保护钢筋，使钢筋混凝土结构具有较好的耐久性。,钢筋混凝土结构的主要优缺点,优点：,1.就地取材，节约钢筋；,2.耐久性好，耐火性好；,3.可模性好，便于结构型式的实现；,4.现浇或装配整体式结构的整体性好，刚大。,缺点：,1.自重大 g=25

10、kN/m3,轻骨料砼。,2.抗裂性差,施加预应力。,第二节 混凝土,混凝土的组份：,水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等级的砼。,骨料,水泥结晶体,水泥凝胶体,弹性变形的基础,塑性变形的基础,砼的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。,一、混凝土的强度,1.立方体抗压强度 fcu,影响立方体强度的因素：试件尺寸、温度、湿度、试验方法。,由于尺寸效应的影响：fcu(150)=0.95 fcu(100),fcu(150)=1.05 fcu(200),混凝土强度等级：,用标准制作方式制成的150150mm的立方体试块，在标准养护条件下养护28天，用标准试验方法测得具有95保证率的抗压强度。,常用

11、等级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C55,C60，C65，C70，C75，C80,2.轴心抗压强度 fck,真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。,为消除端部约束的影响,用立方体强度反映：,考虑实际情况(施工状况、养护条件等),混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度。,3.轴心抗拉强度 ftk,直接测试方法,间接测试方法(弯折，劈裂),考虑施工因素，取,二、混凝土的变形,混凝土的变形,体积变形（收缩、膨胀）,受力变形（由荷载引起）,（一）混凝土的受力变形,1、混凝土在一次短期荷载作用下的的受力变形,曲线中最大应力值及其对应的应变值,应力-应变曲线形状,

12、破坏时的极限应变值,A,0,cu,a,fcd,C,c,c,max,混凝土一次短期加荷时的应力-应变曲线,混凝土棱柱体一次短期加荷轴心受压应力-应变曲线,c=0.00080.003（计算时取0.002）,0 max：上升段,max C：下降段,cu=0.0020.006（有时可达0.008）,规范取cu=0.0033,几点说明：,影响混凝土塑性变形大小的因素：,加荷速度,荷载持续的时间（少于0.001s时变形为直线）,混凝土短期受拉曲线特征：,类似于受压曲线，区别在于曲率变化小。,c=0.00010.00015，仅为受压极限应变的120 115,混凝土受拉易开裂,2、混凝土在多次重复荷载作用下的

13、变形,如果我们将混凝土棱柱体试块加荷使其压应 力达到某个数值，然后卸荷至零，并把这 一循环多次重复下去，就称为多次重复荷载。,我们通常把能使试件循环200万次或次数稍多 时发生破坏的压应力称为混凝土的疲劳强度,用符号fp表示。（=0.5fcd）,BB：弹性后效,OB：残余应变,3、混凝土在长期荷载作用下的变形,徐变：,混凝土在长期荷载作用下，在荷载(应力)不变的情况下，变形(应变)随时间不断增长的现象。,徐变规律：,（1）徐变与混凝土应力大小有关，应力越大，徐变越大。,线性徐变 初应力 c0.5fcd,非线性徐变 c 0.5fcd,当c 0.8fc，徐变发展最终导致破坏,0.8fc,作为混凝土

14、的长期抗压强度。,（2）混凝土的徐变与时间参数有关,（3）加荷龄期对混凝土徐变有重要影响。混 凝土加载龄期越短，即混凝土越年轻，徐变越大；,（4）水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大。,（5）混凝土集料愈坚硬、养护时相对湿度越 高，徐变越小。,受荷后3-4个月徐变发展最（45%-50%）。全部徐变完成需要4-5年的 时间。,注意,徐变对结构的影响：,使构件的变形增加；,在截面中引起应力重分布；,在预应力混凝土结构中引起预应力损失。,4、混凝土的弹性模量,k,c,c,ce,cp,h,原点弹性模量：,17,16,割线模量：,19,切线模量：,弹性系数01.0,110,剪切模量：,c=ce+cp,18

15、,G=0.4Ec,（二）混凝土的体积变形,混凝土在空气中结硬体积减小的现象。,收缩：,收缩的原因,凝缩,干缩,砼凝结硬化时化学反应产生,砼自由水蒸发产生,收缩的影响因素,水泥用量、,集料质量,水泥强度等级,水灰比,混凝土振捣,养护湿度,收缩的危害,裂缝,第三节 钢筋,一、钢筋的种类：,按外形分：光圆钢筋、带肋钢筋、钢丝、钢绞线,按钢料品种分,碳素钢,合金钢,低碳钢（软钢）,中碳钢,高碳钢,硬钢,强度高可焊性差脆性大,碳素钢中添加少量的合金元素，从而改善了硬钢的不足,钢筋按照钢料品种分类,按生产工艺和加工条件分类,热轧光圆钢筋,热轧带肋钢筋,余热处理钢筋,冷轧带肋钢筋,钢丝,Q235,HRB33

16、5、HRB400、HRB500,KL400,CRB550、CBB650、CRB800、CRB970、CRB1170,按外形：,光圆P,螺旋肋H,刻痕I,按加工状态,冷拉钢丝,消除应力钢丝,低松弛钢丝,普通松弛钢丝,二、钢筋的主要力学性能：,钢筋的 曲线,比例极限,屈服强度,极限强度,fy,ft,e,d,流幅,a,b,c,oa弹性阶段,a比例极限,b屈服强度,cd强化阶段,0.2%,0.2,d极限强度,de 颈缩阶段,0.2条件屈服强度,钢筋力学性能指标：,对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度 fy 作为强度设计依据。,对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度 0.2作为强度设计依据。,屈服强度、极

17、限强度、伸长率、冷弯性能。,冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧。,冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高 钢材强度，节约钢筋。,冷加工对钢材性能的影响。,热处理是对某些特定型号的热轧钢进行 淬火和回火处理。,钢筋的冷加工和热处理,o,冷拉控制应力,(N/mm2),冷拉率,o,a,b,c,c,d,d,冷拉无时效,冷拉经时效,(a),(b),(a)为冷拉，可采用冷拉控制应力和冷拉率控制。冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服台阶变短。,(b)为冷拔，可同时提高钢材的抗拉和抗压强度。塑性降低很多。,冷轧后，钢筋表面轧成带肋，强度与冷拔低碳 丝接近，塑性要好一些。,三、钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求：,1、强

18、度：（屈服强度、极限强度）屈强比是衡量结构可靠性潜力的重要指标，屈 强比小则可靠性高，但过小的屈强比使钢筋的有 效利用率过低，故要适宜。,2、塑性：防止结构脆性破坏。,3、可焊性：保证焊接口处不出现裂纹。与碳、锰含量有关。,4、钢筋与混凝土之间的握裹力：,第四节 钢筋和混凝土之间的黏结,钢筋和混凝土之间粘结力的组成：,水泥浆凝结与钢筋表面的化学胶结力；,混凝土收缩将钢筋裹紧而产生的摩阻力；,钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。,l,T,d,max,黏结强度的计算,拔出实验测定粘结力的方法,锚固设计的基本原则是必须保证足够的锚固粘结强度以使钢筋强度得以充分利用，即,确保黏结强度的措施：

19、,保证锚固长度和搭接长度；,保证钢筋周围的混凝土有足够的厚度；(保护层厚度及钢筋净距),光圆筋在端部做成弯钩。,选用适宜的混凝土强度等级；,采用带肋钢筋；,设置一定数量的横向钢筋。,第二章,结构按极限状态法设计的原则,钢筋混凝土结构构件设计：,已知：（1）外部预计荷载（如桥梁建成后车辆的通行 量，人流量等）；（2）建设桥梁拟采用的材料（即材料的各性能 均已知）。求：（1）确定构件承受已知荷载所需的尺寸。（2）按照所确定的构件尺寸对构件进行配筋。（3）按照所设计尺寸和配筋进行安全验算。,钢筋混凝土结构设计理论的三个发展阶段,1、容许应力计算法 以弹性理论为基础的一种计算方法，不能如实 的反应构件

20、截面的应力状态，不能正确的计算出结 构的承载能力。,2、破坏阶段计算法 20世纪30年代所提出，以弹塑性理论为基础的 一种计算方法，比容许应力计算法有了很大的进 步。,3、极限状态计算法 20世纪50年代所提出，是破坏阶段计算法的发展。,2.1 作用与作用效应组合,一、作用及其分类：,按时间的变异分类：永久作用、可变作用、偶然作用,按随空间位置的变异分类：固定作用、可动作用,按结构的反应分类：静态作用、动态作用,结构或结构构件承受内力和变形的能力称为结构抗力R,作用,直接作用：,间接作用：,荷载,温度应力、基础沉降，地震作用,1.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

21、比可忽略不计的作用；2.可变作用：在结构使用期内，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；3.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。,1.作用的标准值:各种作用的基本代表值。其值可根据设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。,取值规定：永久作用采用标准值作为代表值：按结构构件的设计尺寸与容重确定 可变作用标准值：见规范,二、作用的代表值,2.可变作用频遇值：是指结构上较频繁出现的且量值较大的作用取值。频遇值标准值频遇系数1,3.可变作用准永久值 是指在结构上经常出现的且量值较小的荷载作用取值：准永久值标准值准永久值系数 2,注：2 1

22、 准永久值频遇值,4、公路桥涵设计时，对不同的作用应采用不同的代表值,（1）永久作用：采用标准值为代表值。,采用频遇值（短期效应组合设计时）,采用准永久值（长期效应组合设计时）,正常使用极限状态,承载能力极限状态：,采用标准值作为代表值,（2）可变作用：,2、作用效应与作用效应设计值,结构由于各种原因，所引起的内力和变形称为作用效应。,内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；,变形：挠度、转角、裂缝。,作用效应标准值与作用分项系数的乘积。,分项系数,作用分项系数,抗力分项系数,结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。,结构抗力的影响因素：,材料性能的不确定性,材料几何参数的不确定性,计算模式的不确定性

23、,结构抗力具有随机性,3、作用效应组合（1）基本组合 承载能力极限状态设计时，永久作用效应设计 值和可变作用效应设计值组合。（2）偶然组合 承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效 应,可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值 效应组合。（3）作用短期效应组合 正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效 应与可变作用频遇值效应组合。（4）作用长期效应组合 正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效 应与可变作用频遇值效应组合。,2.2 极限状态设计法的基本概念,一、结构的可靠性概念：,安全性：结构在正常施工和使用时应能承受可能出现的各种荷载及外部作用，以及在偶然事件发生时及发生后能保持必需的整体

24、稳定性。,安全性、适用性、耐久性,适用性：结构在正常使用时有良好的工作性能。,耐久性：结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，但仍能满足预定功能要求。,1、结构的功能要求,2、结构的可靠性与可靠度,结构的可靠性：,结构的安全性、适用性、耐久性之总和。,结构的可靠度：,结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。,所有结构构件均应进行承载力计算，对某些构件还需进行变形和裂缝宽度的验算。,规范规定：,在进行结构可靠性分析时，考虑持久状况下各 项基本变量与时间关系所取用的基准时间数。,3、设计基准期,桥梁结构取100年的设计基准期。,设计基准期=桥梁寿命？,设计基准期长，可靠度高；设计基

25、准期短，可靠性较低,二、极限状态的基本概念：,1、极限状态的定义和分类：,极限状态的分类：,承载能力极限状态,正常使用极限状态,当整个结构或结构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结构的极限状态。,结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临界状态。,承载能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。,承载能力极限状态,结构构件或连接处因超过材料强度而破坏,结构转变成机动体系,整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（滑动、倒塌）,结构或结构构件丧失稳定（柱的压曲失稳）,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

26、的某项规定限值。,影响正常使用或外观的变形,影响正常使用或耐久性能的局部损坏,影响正常使用的振动,影响正常使用的其它特定状态,正常使用极限状态,极限状态的 表现形式：,(承)：刚体失去平衡，材料强度不足，结构转变为机构，失稳,(正)：过大的变形，影响正常使用或耐久性能的局部损坏，过大的振动,注意,结构或构件能否完成预定功能与结构的作用效应S与结构的抗力R有关。,可靠概率有多大？,Z 0，,即RS 结构可靠,Z=0，,即R=S 结构处于极限状态。,即RS 结构失效,Z 0，,失效概率有多大?,2、三种设计状况：,我国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范规定的结构设计的三种状况：1、持久状况：

27、桥涵建成后承受自重、车辆荷载等作用持续时间很长的状况。该状况是指桥梁的使用阶段。进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计。2、短暂状况：桥涵施工过程中承受临时性（或荷载）的状况，该状况对应的是桥梁的施工阶段，一般只进行承载能力极限状态设计3、偶然状况：在桥涵使用过程中偶然出现的状况。（可能遇到地震等作用的状况。只进行承载能力极限状态设计,3、公路桥涵结构的安全等级,根据桥涵结构破坏所产生的后果的严重程度，可分为：一级、二级、三级。,公路桥涵结构的安全等级,2.3 我国桥涵设计规范规定的计算原则,一、持久状况承载能力极限状态计算原则,1、计算内容：承载力计算、稳定性计算,2、计算原则：作用效

28、应组合设计值（S）小 于或等于结构承载力设计（R）,3、承载能力极限状态设计表达式,0 S R,0 桥梁结构重要性系数，按公路桥涵的设计安全等级选用：一级、二级、三级分别取1.1,1.0,0.9,S 作用效应组合设计值（内力组合设计值）,R 结构构件的承载力设计值,R=R()=R(fd,d),fd 材料强度设计值,d 几何参数设计值,作用效应组合设计值（内力组合设计值）,式中 Gi 第i个永久作用分项系数，一般取1.2,SGik 第i个永久作用效应标准值。,Q1 汽车荷载分项系数。取=1.4,SQ1k 汽车荷载效应标准值。,Qj 除汽车荷载、风荷载外地第j个可 变作用效应分项系数，取1.4，风

29、荷载取1.1,SQjk 除汽车荷载效应外地其他滴j个 可变作用效应标准值。,c 除汽车荷载效应外的其他可变作用效应组合系数。,二、正常使用极限状态计算原则,1、计算内容：抗裂验算 裂缝宽度验算 挠度验算,在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其他可变作用效应的组合系数。当永久作用与汽车荷载和人群荷载（或其他一种可变作用）组合时，人群荷载（或其他一种可变作用）的组合系数 0.80；当其除汽车荷载（含汽车冲击力，离心力）外尚有两种可变作用参与组合时，其组合系数取 0.70；尚有三种其他可变作用参与组合时，0.60；尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时，0.50。,裂缝验算,规

30、范按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：,一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。,二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。,三级：允许开裂，应验算裂缝宽度,max max,2、正常使用极限状态设计时作用组合:,（1）作用短期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其表达式为:,（2）作用长期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其表达式为:,作用长期效应组合设计值；第j个可变作用效应的准永久值系数。汽车荷载（不计冲击力）0.4，人群荷载0.4，风荷载0.75，温度梯度作用0.8，其他作用1.0；第j个可变作用效应

31、的准永久值。,作用短期效应组合设计值；第j个可变作用效应的频遇值系数。汽车荷载（不计冲击力）0.7，人群荷载1.0，风荷载0.75，温度梯度作用0.8，其他作用1.0；第j个可变作用效应的频遇值。,举例,钢筋混凝土简支梁桥主梁在结构重力、汽车荷载和人群荷载作用下，分别得到在主梁的1/4跨径处截面的弯矩标准值为:结构重力产生的弯矩WGK552kN.m；汽车荷载弯矩MQ1K=459.7kN.m；人群荷载弯矩MQ2K=40.6kN.m。进行设计时的作用效应组合计算。,解：,1.承载能力极限状态设计时作用效应的基本组合,2.正常使用极限状态设计时作用效应组合,（1）作用短期效应组合作用短期效应组合设计

32、值为,（2）作用长期效应组合,作用长期效应组合设计值为:,三、混凝土结构的耐久性设计,（1）混凝土损伤,（2）钢筋的锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀等,（3）钢筋与混凝土之间黏结锚固作用的削弱,（1）混凝土碳化,（2）化学侵蚀,（3）碱集料反应,（4）冻融破坏,（5）温度变化的影响,（1）采用高耐久性混凝土,（2）加强桥面排水和防水层设计,（3）改进桥梁结构设计：,采用防腐蚀保护钢筋,加强构造配筋，控制裂缝发展,加大混凝土保护层厚度,第三章,受弯构件正截面承载 力计算,受弯构件：指截面上通常有弯矩和剪力共同作用而轴力可以忽略不计的构件。梁和板是典型的受弯构件。它们是土木工程中数量最多、使用面最广的一

33、类构件。,第一节 钢筋混凝土受弯构件的构造要求,受弯构件常见的破坏形态,在弯矩作用下发生正截面受弯破坏；,在弯矩和剪力共同作用下发生斜截面受剪或受弯破坏。,一、截面尺寸与配筋构造,主筋 行车道板d10mm,至少3根/m宽不弯起 人行道板d8mm,至少3根/m宽不弯起,双向板：周边支承且长边与短边小于2的板，需双向配主筋,70mm,人行道板:h80mm（现浇）h60mm（预制）行车梁空心板顶、底板厚不小于80mmT梁翼板厚端部厚不小于100mm，根部厚不小于1/10h梁,单向板：单边或对边支承；或虽周边支承但长边与短边之比大于2的板，按受力方向配主筋,分布钢筋 行车道板 d8mm,S200 人行

34、道板 d6mm,S200,1.板,当梁高大于1m时，设置水平纵向钢筋，减小因混凝土收缩、温度变化引起的表面裂缝。,现浇矩形梁高宽比2.0-2.5，梁的宽度一般取为100、120、150、(180)、200、(220)、250、300、350等mm。预制的T梁，构件高跨比一般为1/11-1/16，梁肋宽度常取150-200mm。T梁翼缘悬臂端厚度不小于100mm，梁肋处翼缘厚度不小于梁高的1/10。,一、截面尺寸与配筋构造,2.梁,第二节 受弯构件的实验研究,一、对适筋梁的试验：,可绘出跨中弯矩M/Muf点等曲线如图：,第一阶段 截面开裂前阶段。（整体工作阶段）,第二阶段 从截面开裂到纵向受拉钢

35、筋 到屈服阶段。（带裂缝工作阶段）,第三阶段 破坏阶段。,适筋梁的破坏过程,整体工作阶段（阶段）,试验表明：梁正截面变形受力过程中符合平截面假定，应变沿梁高呈线性分布,阶段,阶段,未开裂阶段,应力应变 基本 呈 线性增长 关系,适筋梁的破坏过程,带裂缝工作阶段（阶段）,阶段,阶段,已开裂，但钢筋未屈服阶段.,适筋梁的破坏过程,破坏阶段（阶段）,钢筋已屈服，挠度增长明显，混凝土达到极限抗压态，塑性破坏,阶段,阶段,对各阶段和各特征点进行详细的截面应力 应变分析：,My,fyAs,IIa,M,sAs,II,sAs,M,I,Mu,fyAs=Z,D,IIIa,M,fyAs,III,sAs,Mcr,Ia

36、,ftk,配筋率,纵向受力钢筋截面面积As与截面有效面积的百分比,二、配筋率对正截面破坏性质的影响,1.少筋梁：,一裂即断,由砼的抗拉强度控制,承载力很低。,破坏很突然,属脆性破坏。,砼的抗压承载力未充分利用。,设计不允许。,min,2.适筋梁：,一开裂,砼应力由裂缝截面处的钢筋承担,荷截继续增加,裂缝不断加宽。受拉钢筋屈服,压区砼压碎。,破坏前裂缝、变形有明显的发展,有破坏征兆,属延性破坏。,钢材和砼材料充分发挥。,设计允许。,min max,3.超筋梁：,开裂,裂缝多而细，钢筋应力不高,最终由于压区砼压碎而崩溃。,裂缝、变形均不太明显,破坏具有脆性性质。,钢材未充分发挥作用。,设计不允许。

37、,max,(a),(b),(c),第三节 三种截面受弯构件计算,课题一 正截面承载力计算基本要求,一、正截面承载力计算基本假定,1、两点说明：,（1）钢筋和混凝土应变符沿梁高线性分布。,（2）受压区混凝土等效矩形应力图。,D,D,D,Mu,Mu,Mu,Asfy,Asfy,Asfy,实际应力图,理想应力图,计算应力图,x0 实际受压区高度,x 计算受压区高度，x=x0。,混凝土受压区高度换算系数,等效原则矩形应力图的的合力与抛物线应力图的合力大小相等，作用点位置相同。,2、基本假定,（3）忽略混凝土的抗拉强度-假设中性轴附近的局部混凝土受拉对截面承载力贡献微小。,（2）正截面破坏时，构件受压区混

38、凝土应力取抗压强度设计值fcd，应力计算图形为矩形。,（1）构件弯曲后任保持平面，受压区混凝 土平均应变和钢筋的应变沿截面高度符合线性分布。,二、适筋梁的基本条件,1、适筋梁与超筋梁的界限,（1）界限破坏：受拉钢筋应力达到屈服强度的 同时，受压区混凝土边缘压应变也达到极限压应变，这样的破坏称界限破坏。,（2）相对受压区高度：,（3）相对界限受压区高度：,由以上分析可知:,b 适筋破坏,b 超筋破坏,=b 界限破坏,cu,保证不是超筋梁的条件X bh0,2、适筋梁与少筋梁的界限,为了保证梁的配筋不出现少筋梁，配筋率必须满足如下条件：,且不小于0.2%,3、几点说明：,经济配筋率,课题二 单筋矩形

39、截面受弯构件计算,一、适筋梁承载力基本公式及适用条件,适用条件,防止超筋脆性破坏,受弯构件正截面受弯承载力计算包括截面设计、截面复核两类问题。,防止少筋脆性破坏,二、计算内容,单排钢筋,双排钢筋时,按承载力要求进行新构件设计截面设计,对钢筋混凝土板,对绑扎钢筋骨架,对焊接多层钢筋骨架,（已知b、fsd、fcd,M d，求As）,按承载力要求进行新构件设计截面设计,二、计算内容,二、计算内容,既有构件承载力计算截面复核,素混凝土梁的受弯承载力Mcr,适筋梁的受弯承载力Mu,超筋梁的受弯承载力Mu,当采用单排钢筋时,当采用双排钢筋时,（已知b、h0、fsd、fcd、As，求Mu）,课题三 双筋矩形

40、截面受弯构件计算,一、选择双筋矩形截面的条件,1、荷载效应较大,而提高材料强度和截面尺寸受到限制；,2、存在反号弯矩的作用；,3、由于某种原因,已配置了一定数量的受压钢筋。,双筋矩形截面的特点：（1）不经济；（2）提高截面延性及抗震性能；（3）减少构件变形。,二、双筋矩形截面正截面承载力计算公式及适用条件,As fsd,As fsd,（a）构件截面图,（b）等效矩形应力图,适用条件:,1.防止超筋,2.限制受压钢筋 x 2as,三、双筋矩形截面正截面承载力计算内容,（1）截面设计,（2）承载力符合,（一）截面设计,（1）已知构件截面尺寸，求受拉钢筋面积 及受压钢筋面积。,As,As,(a),(

41、b),(c),M2=As fsd(h0as),M=M1+M2,As=As1+As2,计算步骤：,（2）已知构件截面尺寸及受压钢筋面积 求受拉钢筋面积。,As,As,按适筋梁求As1,按As未知重新求As和As,按单筋截面适筋梁求As1,但应进行最小配筋率验算,计算步骤：,（二）承载力复核,已知：bh,fcd,fsd,fsd,As,As,解：求x,截面处于适筋状态,将x代入求得,求：Mu,当2asxbh0,截面此时As并未充分利用，求得,及按单筋求得的Mu取两者的较大值作为截面的Mu。,截面处于超筋状态,应取x=xb,求得：,只有当Mu M时截面才安全。,当 x 2as，,当x bh0，,课题四

42、 单筋T形截面受弯构件计算,破坏时，大部分拉区混凝土已退出工作，故将受拉区混凝土的一部分去掉。在不减小承载力情况下，降低构件自重。,一、T形截面的概念,将压区混凝土挖去，可不是T形截面。,3.4 T形截面受弯构件,T梁翼板有效工作宽度,宽翼板T梁受弯时，沿翼板宽度方向，纵向应力分布是不均匀的这种现象称为剪力滞。最大应力与平均之比称为剪力滞系数，与梁的几何尺寸特征、边界条件、荷载形式均有关。,二、T梁翼板有效工作宽度的概念,3.4.2 T梁翼板有效工作宽度的概念,公路桥规bf取下列三者的最小值：1.简支梁l0/3；连续梁正弯矩区0.2l0（中跨）或0.7l0（边跨）；连续梁负弯矩区0.07（l0

43、1+l02）；,2.相邻梁梁的间距d。,3.下式计算 hf=b+2bh+12hf,3.4.3 基本公式及适用条件,中和轴位于翼缘,fsdAs,两类T形截面判别,I类,II类,中和轴位于腹板,3.4.3 基本公式及适用条件,T形截面开裂弯矩同截面为腹板的矩形截面的开裂弯矩几乎相同,按bfh的矩形截面计算,I类T形截面正截面承载力的简化计算方法,基本公式,适用条件,3.4.3 基本公式及适用条件,II类T形截面-和双筋矩形截面类似,3.4.3 基本公式及适用条件,基本公式,适用条件,3.4.4 公式应用,基于承载力的截面设计,按bfh单筋矩形截面进行设计,I类T形截面,II类T形截面,与As已知的

44、bh双筋矩形截面类似进行设计,3.4.4 公式应用,既有构件正截面抗弯承载力截面复核,按bfh的矩形截面计算构件的承载力,I类T形截面,按bh的矩形截面的开裂弯矩计算构件的承载力,II类T形截面,按bh的单筋矩形截面计算M1,第四章,受弯构件斜截面承载 力计算,目录,受弯构件斜截面承载力的受力特点和破坏形态影响受弯构件斜截面抗剪能力的主要因素斜截面抗剪承载力计算的基本公式和适用条件受弯构件的斜截面抗弯承载力全梁承载能力校核与构造要求小结,4.1 受弯构件斜截面受力特点和破坏形态,弯剪段（本章研究的主要内容）,统称腹筋-帮助混凝土梁抵御剪力,有腹筋梁-既有纵筋又有腹筋无腹筋梁-只有纵筋无腹筋,箍

45、筋肢数,单肢箍n=1,双肢箍n=2,四肢箍n=4,剪跨比（Shear span ratio）的概念,广义剪跨比：任意荷载，任意截面,4.1.1斜截面破坏形态,a1、a2剪跨(shear span)，分别为集中荷载P1、P2作用点到相邻支座的距离,计算剪跨比(狭义剪跨比),m1,m2,用于计算集中荷载作用下距离支座最近的集中荷载作用点处截面的剪跨比,剪跨比是影响无腹筋梁破坏形态的最主要参数。,梁沿斜截面破坏的主要形态,斜拉破坏:m3，垂直裂缝一出现，就迅速向受压区斜向伸展，斜截面承载力随之丧失。破坏荷载与出现斜裂缝时的荷载很接近，破坏过程急骤，破坏前梁变形小，具有明显的脆性，并且往往只有一条斜裂

46、缝，这种破坏是拱体混凝土被拉坏(在正应力和剪应力共同作用下发生的主拉应力破坏)，其承载力取决于混凝土的抗拉强度。,剪压破坏：1m3时常发生这种破坏。梁的受弯段先出现垂直裂缝，随着荷载增加，这些竖直裂缝将大体上沿着主压应力的轨迹向集中荷载作用点延伸。但荷载增加到某一数值时，在几条斜裂缝中回形成一条主要的斜裂缝，称为临界斜裂缝。临界斜裂缝形成后，梁还能继续承受荷载。裂缝变宽，导致剩余截面减小，剪压区混凝土在剪压复合应力作用下达到复合强度而破坏，梁丧失承载力。这种破坏有一定的预兆，破坏荷载较出现斜裂缝时的荷载高。但与适筋梁的正截面相比，剪压破坏仍属于脆性破坏。,斜压破坏:当m1梁的或腹板宽度较窄的T

47、形或工字形截面梁。在荷载作用点与支座间梁的腹部出现若干条平行的腹剪斜裂缝。随着荷载的增加，梁腹被这些斜裂缝分割为若干斜向短柱，最后因柱体被压碎而破坏。破坏时，斜裂缝多而密集，没有主裂缝。斜压破坏荷载很高，但变形小，属于脆性破坏。,4.1.2 受弯构件斜截面抗剪承载力的主要影响因素,1.剪跨比m,2.混凝土的强度,3.纵筋配筋率,在一定的范围内，腹筋配筋率增大,抗剪承载力提高,4.腹筋配筋率,4.2 受弯构件斜截面抗剪承载力计算,1.基本假定,斜截面的抗剪承载力Vu,综合考虑混凝土和箍筋的抗剪,梁发生剪压破坏时，与斜裂缝相交的箍筋和弯筋的拉应力都达到其屈服强度，但考虑拉应力的不均匀性影响，特别是

48、靠近剪压区的腹筋可能达不到屈服强度。梁剪压破坏时，在斜裂缝末端剪压混凝土，达到剪压复合应力状态下的极限强度。,2.基本公式,符号说明见P69,注意上述公式为半经验和半理论公式，使用时必须按规定的单位代入数值，而计算得到的承载力单位kN。,3.适用条件,1上限值最小截面尺寸,若符合下列条件，则不需进行斜截面抗剪计算，只需按构造配置箍筋：,2下限值按构造要求配箍的上限,为防止出现薄腹梁，使斜裂缝过大，要求：,课题二 等高度简支梁腹筋的初步设计,已知条件,1验算截面尺寸要求，即满足上限值公式的最小截面尺寸,设计步骤,2求按构造配腹筋的梁段区根据下限值公式计算,3公路桥规规定：箍筋与混凝土承担60%的

49、最大计算剪力V，弯起钢筋承担40%V,L0,截面尺寸，fcu,k，fsd,fsv,As及布置,0Vd的分布.,4箍筋设计,设计步骤,课题二 等高度简支梁腹筋的初步设计,*Vsbi按图中从距支点h/2处的0.4V为第一排值，然后依次取起弯点的分担剪力部分。后排弯终点必须伸过或接上前排弯起点。,设计步骤,5弯起钢筋设计,Asbi,课题二 等高度简支梁腹筋的初步设计,斜截面抗剪承载力复核,支座边缘处截面。受拉区弯起钢筋起点处截面。箍筋截面面积或间距改变处截面。腹板宽度改变处截面。,确定验算截面位置,斜截面顶端位置的确定,需要通过试算确定c值。书中推荐了一些简化计算方法。,4.3 受弯构件的斜截面抗弯

50、承载力,斜截面受弯承载力总能满足,支座处纵筋锚固不足,纵筋弯起、切断不当,需采取构造措施,斜截面抗弯承载力分析,4.4 全梁承载力校核,1.弯矩包络图二次抛物线分布,2.剪力包络图直线分布,3.抵抗弯矩图应在弯矩包络图之外，并保证斜截面抗弯要求。,指按实际配置的纵筋，绘制的梁上各截面正截面所能承受的弯矩图。,可简化考虑，抗力依钢筋面积的比例分配。即,抵抗弯矩图：,*材料抵抗弯矩图,反映材料的利用程度,确定纵筋的弯起数量和位置,确定纵筋的截断位置,斜截面抗剪,纵筋弯起的作用，作支座负钢筋,钢筋全部伸入支座,a,b,c,d,部分钢筋弯起,a,b,第五章,受弯构件应力计算,5.1 概 述,一、两种极