結(jié)構(gòu)設(shè)計原理cha16

1、 第三篇 圬工結(jié)構(gòu)第十六章 圬工結(jié)構(gòu)的基本概念與材料圬工結(jié)構(gòu)的基本概念與材料 l 圬工結(jié)構(gòu)的概念及污工結(jié)構(gòu)的特點。圬工結(jié)構(gòu)的概念及污工結(jié)構(gòu)的特點。 l 圬工材料的種類。圬工材料的種類。 l 砌體受壓破壞特征和應(yīng)力狀態(tài)以及影響因素。砌體受壓破壞特征和應(yīng)力狀態(tài)以及影響因素。 l 砌體的抗拉、抗彎、抗剪的破壞形式。砌體的抗拉、抗彎、抗剪的破壞形式。 本章的主要內(nèi)容：16.1 圬工結(jié)構(gòu)的基本概念與材料與特點 一、圬工結(jié)構(gòu)的基本概念一、圬工結(jié)構(gòu)的基本概念 1 1、圬工結(jié)構(gòu)圬工結(jié)構(gòu) 以磚、石材作為建筑材料，通以磚、石材作為建筑材料，通過將其與砂漿或小石子混凝土過將其與砂漿或小石子混凝土砌筑而成的砌體所建成

2、的結(jié)構(gòu)砌筑而成的砌體所建成的結(jié)構(gòu)用砂漿砌筑混凝土預(yù)制塊、整用砂漿砌筑混凝土預(yù)制塊、整體澆筑的混凝土或片石混凝土體澆筑的混凝土或片石混凝土等構(gòu)成的結(jié)構(gòu)等構(gòu)成的結(jié)構(gòu) 磚石結(jié)構(gòu)磚石結(jié)構(gòu) 混凝土結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu) 圬工結(jié)構(gòu)圬工結(jié)構(gòu)2 2、受力特點、受力特點 抗壓強度高而抗拉和抗剪強度低抗壓強度高而抗拉和抗剪強度低 3 3、應(yīng)用、應(yīng)用 圬工拱橋的拱圈、橋的重力式墩臺及擴大基礎(chǔ)、圬工拱橋的拱圈、橋的重力式墩臺及擴大基礎(chǔ)、涵洞及重力式擋土墻等涵洞及重力式擋土墻等 4 4、圬工結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點、圬工結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點： 原材料分布廣，易于就地取材，價格低廉；原材料分布廣，易于就地取材，價格低廉； 有較強的耐久性

3、、耐火性及穩(wěn)定性，維護(hù)費用低；有較強的耐久性、耐火性及穩(wěn)定性，維護(hù)費用低； 施工簡便，不需特殊設(shè)備，易于掌握；施工簡便，不需特殊設(shè)備，易于掌握； 具有較強的抗沖擊性能及較大的超載性能。具有較強的抗沖擊性能及較大的超載性能。 缺點：缺點： 自重大，材料用量多；自重大，材料用量多； 施工周期長，機械化程度低；施工周期長，機械化程度低； 抗拉、抗彎強度很低，抗震能力差?？估⒖箯潖姸群艿?，抗震能力差。主跨(Main Span)：13.45米橋梁類型(Type of the Bridge)：古代橋梁、圬工拱橋、拱橋所在地(Location)：北京、永定河全長(Length)：212.2米建成時間(co

4、mpleted year)：公元1192年北京宛平盧溝橋在北京廣安門外公里，跨永定河。橋始建于金大定二十八年(公元年），完工于金明昌三年(公元年）。橋全長米，共孔，凈跨不等，自米至米，橋?qū)捗祝諏捗字撩?。拱券接近半圓形。橋墩迎水面有尖端鑲有三角鐵柱的分水尖，背水面為削角方形。橋面上石攔桿共間，各望柱頭上，雕刻有石獅個。東門橋 橋梁類型(Type of the Bridge)：古代橋梁、拱橋、圬工拱橋 所在地(Location)：湖北、荊州 位于湖北省荊州市舊城(江陵）護(hù)城河上。石拱橋，共孔，每孔拱頂處有一龍頭，龍尾。解放后進(jìn)行了改建，龍頭嘴設(shè)有噴水裝置，噴水如霧，光照水霧彩虹橫貫，可稱一絕。二

5、、材料種類二、材料種類 1 1、石材、石材 概念：是無明顯風(fēng)化的天然巖石經(jīng)過人工概念：是無明顯風(fēng)化的天然巖石經(jīng)過人工開采加工后的建筑用材。開采加工后的建筑用材。 優(yōu)點：強度高、抗凍與抗氣性能好。優(yōu)點：強度高、抗凍與抗氣性能好。 應(yīng)用：廣泛用于建造橋梁基礎(chǔ)、墩臺、擋應(yīng)用：廣泛用于建造橋梁基礎(chǔ)、墩臺、擋土墻等。土墻等。 類型：類型： 片石：是由爆破或楔劈法開采的不規(guī)則石塊。片石：是由爆破或楔劈法開采的不規(guī)則石塊。 塊石：一般是按巖石層理放炮或楔劈而成的石材。塊石：一般是按巖石層理放炮或楔劈而成的石材。 細(xì)料石：是由巖層或大塊石材開劈并經(jīng)修鑿而成。細(xì)料石：是由巖層或大塊石材開劈并經(jīng)修鑿而成。 半細(xì)料

6、石：同細(xì)料石，但表面凹陷深度不大于半細(xì)料石：同細(xì)料石，但表面凹陷深度不大于15mm15mm。 粗料石：同細(xì)料石，但表面凹陷深度不大于粗料石：同細(xì)料石，但表面凹陷深度不大于20mm20mm。 強度等級：強度等級：MU30MU30、MU40MU40、MU50MU50、MU60MU60、MU80 MU80 、MU100MU100、MU120 MU120 2 2、混凝土、混凝土 強度等級：強度等級：C15C15、C20C20、C25C25、 C30C30、C35C35和和C40C40。 類型：類型： 混凝土預(yù)制塊混凝土預(yù)制塊 特點：特點： 節(jié)省石料的開采加工工作，加快施工進(jìn)度；節(jié)省石料的開采加工工作，

7、加快施工進(jìn)度； 由于混凝土預(yù)制塊形狀和尺寸統(tǒng)一，故砌體表面整由于混凝土預(yù)制塊形狀和尺寸統(tǒng)一，故砌體表面整齊美觀。齊美觀。 整體澆筑的混凝土整體澆筑的混凝土 特點：特點： 收縮變形較大，易產(chǎn)生收縮裂縫或溫度收縮變形較大，易產(chǎn)生收縮裂縫或溫度收縮裂縫；收縮裂縫； 澆注時耗費木材較多，工期長，質(zhì)量澆注時耗費木材較多，工期長，質(zhì)量較難控制。較難控制。 小石子混凝土。小石子混凝土。 特點：特點： 節(jié)省水泥和砂，在一定條件下是水節(jié)省水泥和砂，在一定條件下是水泥砂漿的代用品。泥砂漿的代用品。 3 3、砂漿、砂漿 定義：砂漿是由一定比例的膠結(jié)料、細(xì)定義：砂漿是由一定比例的膠結(jié)料、細(xì)骨料及水配制而成的砌筑材料。

8、骨料及水配制而成的砌筑材料。 作用：作用： 將塊材粘結(jié)成整體；將塊材粘結(jié)成整體； 鋪砌時抹平塊材不平的表面，使塊材在受壓時鋪砌時抹平塊材不平的表面，使塊材在受壓時能比較均勻地受力。能比較均勻地受力。 砂漿填滿了塊材間隙，提高密實度，保溫性與砂漿填滿了塊材間隙，提高密實度，保溫性與抗凍性。抗凍性。 類型：類型： 無塑性摻料的（純）水泥砂漿無塑性摻料的（純）水泥砂漿 有塑性摻料的混合砂漿有塑性摻料的混合砂漿 石灰（石膏、粘土）砂漿石灰（石膏、粘土）砂漿 強度等級：強度等級：M5M5、M7.5M7.5、M10M10、M15M15和和M20M20等。等。 基本要求：強度、可塑性和保水性。基本要求：強度

9、、可塑性和保水性。 三、砌體種類三、砌體種類 1 1、種類、種類 片石砌體片石砌體 塊石砌體塊石砌體 粗料石砌體粗料石砌體 半細(xì)料石砌體半細(xì)料石砌體 細(xì)料石砌體細(xì)料石砌體 混凝土預(yù)制塊砌體混凝土預(yù)制塊砌體 2 2、砌筑要求、砌筑要求 遵循施工技術(shù)規(guī)范中砌體的砌筑規(guī)則；遵循施工技術(shù)規(guī)范中砌體的砌筑規(guī)則； 砌體中各工作層的豎向灰縫上下錯縫，內(nèi)外砌體中各工作層的豎向灰縫上下錯縫，內(nèi)外搭砌。搭砌。四、砌體的強度與變形四、砌體的強度與變形 1 1、砌體的抗壓強度、砌體的抗壓強度 受壓破壞特征：受壓破壞特征： 從荷載作用開始受壓到破壞大致分從荷載作用開始受壓到破壞大致分為下列三個階段：為下列三個階段： 第

10、第I I階段為整體工作階段：從砌體開始加階段為整體工作階段：從砌體開始加載到個別單塊塊材內(nèi)第一批裂縫出現(xiàn)的階載到個別單塊塊材內(nèi)第一批裂縫出現(xiàn)的階段。作用荷載大致為砌體極限荷載的段。作用荷載大致為砌體極限荷載的50%50%70%70%。此時，如外荷載作用不增加，。此時，如外荷載作用不增加，裂縫也不再發(fā)展。裂縫也不再發(fā)展。 第第IIII階段為帶裂縫工作階段：砌體隨荷載再繼階段為帶裂縫工作階段：砌體隨荷載再繼續(xù)增大，單塊塊材內(nèi)裂縫不斷發(fā)展，并逐漸連續(xù)增大，單塊塊材內(nèi)裂縫不斷發(fā)展，并逐漸連接起來形成連續(xù)的裂縫。此時外荷載不增加，接起來形成連續(xù)的裂縫。此時外荷載不增加，而已有裂縫會緩慢繼續(xù)發(fā)展。而已有裂

11、縫會緩慢繼續(xù)發(fā)展。 第第IIIIII階段為破壞階段：當(dāng)荷載再稍微增加，階段為破壞階段：當(dāng)荷載再稍微增加，裂縫急劇發(fā)展，并連成幾條貫通的裂縫，將砌裂縫急劇發(fā)展，并連成幾條貫通的裂縫，將砌體分成若干壓柱，各壓柱受力極不均勻，最后，體分成若干壓柱，各壓柱受力極不均勻，最后，柱被壓碎或喪失穩(wěn)定導(dǎo)致砌體的破壞柱被壓碎或喪失穩(wěn)定導(dǎo)致砌體的破壞。 受壓時的應(yīng)力狀態(tài)受壓時的應(yīng)力狀態(tài) 特征：是單塊材料先開裂，在受壓破壞時，特征：是單塊材料先開裂，在受壓破壞時，砌體的抗壓強度低于所使用的塊材的抗壓砌體的抗壓強度低于所使用的塊材的抗壓強度。強度。 原因：砌體即使承受軸向均勻壓力，砌體原因：砌體即使承受軸向均勻壓力，

12、砌體中的塊材實際上不是均勻受壓，而是處于中的塊材實際上不是均勻受壓，而是處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。 影響砌體抗壓強度的主要因素影響砌體抗壓強度的主要因素 塊材的強度：主要因素塊材的強度：主要因素 塊材形狀和尺寸：塊材形狀和尺寸： 塊材形狀規(guī)則，砌體抗壓強度塊材形狀規(guī)則，砌體抗壓強度高高 砌體強度隨塊材厚度的增大而增加砌體強度隨塊材厚度的增大而增加 砂漿的物理力學(xué)性能：砂漿的強度等級、砂漿的可砂漿的物理力學(xué)性能：砂漿的強度等級、砂漿的可塑性和流動性、砂漿的彈性模量塑性和流動性、砂漿的彈性模量 砌縫厚度：水平砌縫越厚，砌體強度越低，（砌縫厚度：水平砌縫越厚，砌體強度越低，（10101212）

13、mmmm為宜。為宜。 砌筑質(zhì)量砌筑質(zhì)量 2 2、砌體的抗拉、抗彎、抗剪強度、砌體的抗拉、抗彎、抗剪強度 軸向受拉的破壞形式軸向受拉的破壞形式 沿砌體齒縫截面發(fā)生破壞，破壞面呈齒狀沿砌體齒縫截面發(fā)生破壞，破壞面呈齒狀 沿豎向砌縫和塊材破壞沿豎向砌縫和塊材破壞 沿通縫截面發(fā)生破壞沿通縫截面發(fā)生破壞 彎曲抗拉的破壞形式彎曲抗拉的破壞形式 通縫截面發(fā)生破壞通縫截面發(fā)生破壞 齒縫截面發(fā)生破壞齒縫截面發(fā)生破壞 抗剪抗剪 通縫截面受剪破壞通縫截面受剪破壞 沿砌體齒縫截面發(fā)生破壞，破壞面呈齒狀沿砌體齒縫截面發(fā)生破壞，破壞面呈齒狀4、砌體的其他性能、砌體的其他性能 彈性模量彈性模量 彈性模量取值：受壓應(yīng)力上限為

14、抗壓強度平均值彈性模量取值：受壓應(yīng)力上限為抗壓強度平均值的的4050時，此時的割線模量簡稱為彈性模時，此時的割線模量簡稱為彈性模量。量。 設(shè)計中取值：簡單方法，取應(yīng)力為設(shè)計中取值：簡單方法，取應(yīng)力為0.43倍的砌體倍的砌體抗壓強度的割線模量?？箟簭姸鹊母罹€模量。 按不同等級的砂漿，以砌體彈性模量與砌體抗壓按不同等級的砂漿，以砌體彈性模量與砌體抗壓強度成正比的關(guān)系確定。強度成正比的關(guān)系確定。 線膨脹系數(shù)、收縮變形與摩擦系數(shù)線膨脹系數(shù)、收縮變形與摩擦系數(shù) 線膨脹系數(shù)取值見教材表線膨脹系數(shù)取值見教材表16-3。 收縮變形：一般通過砌體收縮試驗確定干縮變形的收縮變形：一般通過砌體收縮試驗確定干縮變形的

15、大小，如對混凝土預(yù)制塊砌體，其大小，如對混凝土預(yù)制塊砌體，其28天的干縮變形天的干縮變形約為約為0.2mm/m。 摩擦系數(shù)：砌體摩擦系數(shù)的大小，取決于接觸砌體摩擦系數(shù)：砌體摩擦系數(shù)的大小，取決于接觸砌體摩擦面的材料種類和干濕情況等。砌體的摩擦系數(shù)摩擦面的材料種類和干濕情況等。砌體的摩擦系數(shù)可參照教材表可參照教材表16-4選用。選用。 第十七章 圬工結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力計算圬工結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力計算 l 圬工結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力計算的原則。圬工結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力計算的原則。 l 受壓構(gòu)件的承載力計算。受壓構(gòu)件的承載力計算。 l 截面局部承壓以及受彎、受剪構(gòu)件的承載力計算截面局部承壓以及受彎、受剪構(gòu)件的承載力計算

16、。 本章的主要內(nèi)容：17.1 計算原則l公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTG D60-2004JTG D60-2004）對公路）對公路橋梁圬工結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計橋梁圬工結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，以分項安全系數(shù)的設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行計算。方法，以分項安全系數(shù)的設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行計算。 l正常使用極限狀態(tài)的要求采取相應(yīng)的構(gòu)造措施保證。正常使用極限狀態(tài)的要求采取相應(yīng)的構(gòu)造措施保證。 l圬工橋涵結(jié)構(gòu)構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，表達(dá)式圬工橋涵結(jié)構(gòu)構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，表達(dá)式如下：如下： ),(0ddafRS 17.2 受壓構(gòu)件的承載力計算一、砌體受壓短柱的承

17、載力分析砌體受壓短柱的承載力分析 l 受力特點受力特點 u軸壓時，砌體截面上產(chǎn)生均勻的壓應(yīng)力軸壓時，砌體截面上產(chǎn)生均勻的壓應(yīng)力; ; 破壞時，正破壞時，正截面所能承受的最大壓力即為砌體的抗壓承載力。截面所能承受的最大壓力即為砌體的抗壓承載力。 u偏壓時，砌體截面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力是不均勻的，表現(xiàn)偏壓時，砌體截面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力是不均勻的，表現(xiàn)出出彈塑性性能。彈塑性性能。破壞時該側(cè)壓應(yīng)變比軸心受壓時的均破壞時該側(cè)壓應(yīng)變比軸心受壓時的均勻應(yīng)變略高，而邊緣壓應(yīng)力也勻應(yīng)變略高，而邊緣壓應(yīng)力也比軸心抗壓強度略大比軸心抗壓強度略大。 隨著隨著e e的增大，在遠(yuǎn)離偏心壓力作用的截面邊的增大，在遠(yuǎn)離偏心壓力作用的截

18、面邊緣，由受壓逐步過渡到受拉，但只要在受壓邊緣，由受壓逐步過渡到受拉，但只要在受壓邊壓碎之前受拉邊的拉應(yīng)力尚未達(dá)到通縫的抗拉壓碎之前受拉邊的拉應(yīng)力尚未達(dá)到通縫的抗拉強度，則截面的受拉邊就不會開裂。強度，則截面的受拉邊就不會開裂。 若若e e再大時，砌體受拉區(qū)出現(xiàn)水平裂縫。已開再大時，砌體受拉區(qū)出現(xiàn)水平裂縫。已開裂的截面脫離工作，實際受壓區(qū)面積減小，受裂的截面脫離工作，實際受壓區(qū)面積減小，受壓區(qū)應(yīng)力的合力將與作用的偏心壓力保持平衡，壓區(qū)應(yīng)力的合力將與作用的偏心壓力保持平衡，這種平衡隨裂縫的不斷展開被打破而達(dá)到新的這種平衡隨裂縫的不斷展開被打破而達(dá)到新的平衡，剩余截面的壓應(yīng)力進(jìn)一步加大，并出現(xiàn)平衡

19、，剩余截面的壓應(yīng)力進(jìn)一步加大，并出現(xiàn)豎向裂縫，最后由于受壓區(qū)的豎向裂縫，最后由于受壓區(qū)的承載能力耗盡而承載能力耗盡而破壞破壞l 縱向力的偏心影響系數(shù)：縱向力的偏心影響系數(shù)： l 2)/(1)/(1xymyyieye17-917-10 二、砌體受壓長柱的受力特點二、砌體受壓長柱的受力特點 受力特點：受力特點： 細(xì)長柱在承受軸心壓力時，由于材料不均勻和各種細(xì)長柱在承受軸心壓力時，由于材料不均勻和各種偶然因素的影響，軸向力不可能完全作用在砌體截偶然因素的影響，軸向力不可能完全作用在砌體截面中心，即會產(chǎn)生一定的初始偏心。面中心，即會產(chǎn)生一定的初始偏心。 在偏心壓力作用下，會發(fā)生偏心距在偏心壓力作用下，

20、會發(fā)生偏心距e e及在此基礎(chǔ)上產(chǎn)及在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的附加偏心距生的附加偏心距u u，實際的偏心距已達(dá)到（，實際的偏心距已達(dá)到（e e+ +u u），），使構(gòu)件承載力大大降低。使構(gòu)件承載力大大降低。 在砌體構(gòu)件中，水平砂漿縫削弱砌體在砌體構(gòu)件中，水平砂漿縫削弱砌體整體性，故縱向彎曲現(xiàn)象較鋼混更為整體性，故縱向彎曲現(xiàn)象較鋼混更為明顯。構(gòu)件的長細(xì)比越大，這種縱向明顯。構(gòu)件的長細(xì)比越大，這種縱向彎曲的影響就越大。彎曲的影響就越大。 由以上特點可知，對于細(xì)長構(gòu)件，由以上特點可知，對于細(xì)長構(gòu)件，不論是軸壓還是偏壓，構(gòu)件長細(xì)比的變化不論是軸壓還是偏壓，構(gòu)件長細(xì)比的變化將影響砌體的承載能力。所以，應(yīng)根據(jù)砌將影響

21、砌體的承載能力。所以，應(yīng)根據(jù)砌構(gòu)件長細(xì)比大小、砂漿強度等考慮縱向彎構(gòu)件長細(xì)比大小、砂漿強度等考慮縱向彎曲對砌體構(gòu)件承載能力的影響。曲對砌體構(gòu)件承載能力的影響。 l偏心受壓構(gòu)件的偏心受壓構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)：縱向彎曲系數(shù)： )/(33. 11)3(112yxxxxie )/(33. 11)3(112yyyyyie7-117-12三、砌體受壓構(gòu)件的承載力計算三、砌體受壓構(gòu)件的承載力計算l 承載力計算公式承載力計算公式cdudAfNN0103 , 93 , 63 , 33 附表cdfl影響系數(shù)的確定影響系數(shù)的確定1111yx)/(33. 11)3(11)(1)(122yxxxyxmxxxxieiexe

22、)/(33. 11)3(11)(1)(122xyyyxymyyyyieieye四、混凝土受壓構(gòu)件的承載力計算四、混凝土受壓構(gòu)件的承載力計算cdcudfANN0說明：在確定偏心受壓構(gòu)件的受壓區(qū)面積說明：在確定偏心受壓構(gòu)件的受壓區(qū)面積A Ac c時，采取軸向時，采取軸向力作用點與受壓區(qū)法向應(yīng)力的合力作用點相重合的原則，力作用點與受壓區(qū)法向應(yīng)力的合力作用點相重合的原則，因此，可由軸向力偏心距因此，可由軸向力偏心距e e得出受壓區(qū)面積重心離截面重心得出受壓區(qū)面積重心離截面重心軸的距離軸的距離e ec ce e，再由受壓區(qū)面積重心即可得出受壓區(qū)面積，再由受壓區(qū)面積重心即可得出受壓區(qū)面積A Ac c 。五

23、、偏心距驗算五、偏心距驗算 為了保證結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)和截面的穩(wěn)定性，應(yīng)該為了保證結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)和截面的穩(wěn)定性，應(yīng)該對軸向力作用的對軸向力作用的e e有所限制。建議砌體和混凝土的單向和雙有所限制。建議砌體和混凝土的單向和雙向偏心受壓構(gòu)件，其偏心距向偏心受壓構(gòu)件，其偏心距e e的限值應(yīng)符合教材表的限值應(yīng)符合教材表17-417-4的規(guī)的規(guī)定。定。 當(dāng)軸向力的偏心距當(dāng)軸向力的偏心距e e超過表超過表17-417-4規(guī)定的偏心距限值時規(guī)定的偏心距限值時，構(gòu)件承載力應(yīng)按下列公式計算：，構(gòu)件承載力應(yīng)按下列公式計算：) 1(0WAeAfNNtmdud) 1(0 xyyxtmdudWAeWAeAfNN17.3截面局部承壓以及受彎、受剪構(gòu)件的承載力計算一