《結(jié)構(gòu)設計原理》習題

《結(jié)構(gòu)設計原理》習題三、名詞解釋1．抵抗彎矩圖答：抵抗彎矩圖是指按實際縱向受力鋼筋布置情況畫出的各截面抵抗彎矩，即受彎承載力Mu沿構(gòu)件軸線方向的分布圖形。2．混凝土收縮答：混凝土的凝結(jié)和硬化的物理化學過程中體積隨時間推移而減小的現(xiàn)象稱為收縮。3．混凝土徐變答：在荷載的長期作用下，混凝土的變形將隨時間而增加，亦即在應力不變的情況下，混凝土的應變隨時間繼續(xù)增長這種現(xiàn)象被稱為混凝土的徐變。4．可靠性答：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能。5．可靠度答：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率。6．承載能力極限狀態(tài)答：結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形或變位的狀態(tài)。7．正常使用極限狀態(tài)答：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項限值的狀態(tài)。8．剪跨比答：剪跨比是反映梁內(nèi)正應力和剪應力的相對比值。9．作用效應最不利組合答：所有可能的作用效應組合中對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生總效應最不利的一組作用效應組合。10．深受彎構(gòu)件答：鋼筋混凝土深受彎構(gòu)件是指跨度與其截面高度之比較小的梁。1.先張法答案：先張拉鋼筋，后澆筑構(gòu)件混凝土的方法。先在張拉臺座上，按設計規(guī)定的拉力張拉預應力鋼筋，并進行臨時錨固，再澆筑構(gòu)件混凝土，待混凝土達到要求強度鋼材拉伸的伸長率——試件拉斷后標距長度的伸長量與原來標距的比值。應力集中——在荷載作用下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面突變的某些部位將產(chǎn)生局部峰值應力，其余部位的應力較低且分布不均勻，這種現(xiàn)象成為應力集中。角焊縫——兩焊件形成一定角度相交面上的焊縫。摩擦型高強度螺栓——螺栓連接依靠高強度螺栓的緊固，在被連接件間產(chǎn)生摩擦阻力傳遞剪力，在受剪設計時以剪力達到摩擦力為承載能力的極限狀態(tài)。承壓型高強度螺栓——連接依靠螺栓桿抗剪和螺桿與孔壁承壓來傳遞剪力，受剪時，允許板件間發(fā)生相對滑移，外力可以繼續(xù)增加，以螺栓受剪或孔壁承壓破壞為極限狀態(tài)。鋼板梁——由三塊鋼板焊接或通過角鋼和高強度螺栓連接而成的工字型截面梁。鋼-混凝土組合梁——指鋼梁和所支承的鋼筋混凝土板組合成一個整體而共同抗彎的構(gòu)件。四、簡答題1．在什么情況下受彎構(gòu)件正截面承載力計算應設計成雙筋？答：（1）當截面的彎矩設計值超過單筋適筋構(gòu)件能夠承受的最大彎矩設計值，而截面尺寸、混凝土的強度等級和鋼筋的種類不能改變。（2）構(gòu)件在不同的荷載組合下，截面的彎矩可能變號。（3）由于構(gòu)造上的原因，在截面的受壓區(qū)已經(jīng)配置一定數(shù)量的受力鋼筋。2．受彎構(gòu)件斜截面受剪承載力的計算截面位置如何取？答：（1）支座邊緣處截面；（2）受拉區(qū)彎起鋼筋彎起點處截面；（3）箍筋截面面積或間距改變處截面；（4）腹板寬度改變處截面。3．鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗裂度﹑裂縫寬度﹑變形計算﹑強度計算，它們各自根據(jù)哪個應力階段計算的？答：截面抗裂驗算是建立在第Ⅰa階段的基礎之上；構(gòu)件使用階段的變形和裂縫寬度驗算是建立在第Ⅱ階段的基礎之上；而截面的承載力計算則是建立在第Ⅲa階段的基礎之上的。4．減小裂縫寬度和變形的有效措施有哪些？答：減小裂縫寬度的措施有：宜選擇較細直徑的鋼筋、采用變形鋼筋、增大鋼筋截面面積、采用預應力混凝土構(gòu)件等。減小變形的措施有：最有效的措施是增加截面高度；當設計上構(gòu)件截面尺寸不能加大時，可考慮增加縱向受拉鋼筋截面面積或提高混凝土強度等級；也可配置一定數(shù)量的受壓鋼筋；采用預應力混凝土構(gòu)件。5．鋼筋混凝土梁正截面的破壞形式有哪幾種？哪些因素決定破壞形式？每一種破壞形式對應于哪一種破壞性質(zhì)？答：適筋梁破壞、超筋梁破壞、少筋梁破壞。配筋量以及鋼筋和混凝土的強度等級決定梁正截面的破壞形式。適筋梁破壞屬于延性破壞，超筋梁破壞和少筋梁破壞屬于脆性破壞。6．偏心受壓構(gòu)件的破壞特征如何？主要影響因素是什么？答：破壞特征：大偏心受壓構(gòu)件的破壞從受拉鋼筋開始，受拉鋼筋先達到屈服強度，然后受壓區(qū)混凝土被壓壞；小偏心受壓構(gòu)件的破壞從受壓區(qū)開始，受壓區(qū)邊緣混凝土先達到極限壓應變而破壞，受拉鋼筋一般達不到屈服強度。主要影響因素：相對偏心距大小和配筋率。7．采取什么措施來防止斜拉破壞和斜壓破壞？答：斜壓破壞取決于混凝土的抗壓強度和截面尺寸，只要保證構(gòu)件截面尺寸不太小，就可防止斜壓破壞的發(fā)生。為了防止發(fā)生斜拉破壞，規(guī)定配箍率sv應滿足最小配箍率sv,min的要求，同時還規(guī)定了最大箍筋間距smax和箍筋的最小直徑dsv,min。8．彎剪扭構(gòu)件截面設計時縱向受力鋼筋及箍筋的用量是怎樣確定的？答：縱向受力鋼筋：根據(jù)受彎構(gòu)件基本公式求出受彎所需的縱向受拉鋼筋，將鋼筋布置在截面的受拉區(qū)；根據(jù)剪扭構(gòu)件的相關性求出剪扭所需的受扭縱筋；對抗扭所需的縱筋一般應均勻?qū)ΨQ的布置在截面周邊上。9．無腹筋梁斜截面受剪破壞形態(tài)有哪些？主要影響因素是什么？答：破壞形態(tài)：斜壓破壞、剪壓破壞、斜拉破壞。影響因素：剪跨比、混凝土強度、截面尺寸、縱筋配筋率。10．鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力有哪幾部分組成？各是什么？答：一是因為混凝土顆粒的化學作用產(chǎn)生的混凝土與鋼筋之間的膠合力；二是因為混凝土收縮將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生的摩檫力；三是因為鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機械咬合力。試述預應力混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。答案：優(yōu)點：提高了混凝土構(gòu)件的抗裂能力和剛度，改善了結(jié)構(gòu)的耐久性?？梢杂行У乩酶邚姸蠕摻詈透邚姸然炷?，有利于減輕結(jié)構(gòu)自重?？梢詼p小混凝土梁的豎向剪力和主拉應力。結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全可靠。施加預應力時，對結(jié)構(gòu)進行了一次強度檢驗?？勺鳛榻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的手段，促進了橋梁結(jié)構(gòu)新體系與施工方法的發(fā)展。提高了結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。缺點：工藝較復雜，施工技術水平要求高。需要專門的施工設備。需張拉設備、灌漿設備、張拉臺座、錨具等。預應力上拱度不易控制。開工費用大，對于跨徑小、構(gòu)件數(shù)量少的工程，成本較高。試述預應力損失的種類。答案：共六種，分別為：1）預應力筋與孔道之間的摩擦引起的預應力損失。2）錨具變形、鋼筋內(nèi)縮和接縫壓密引起的應力損失。3）預應力筋和臺座之間溫差引起的應力損失。4）混凝土彈性壓縮引起的預應力損失。5）預應力筋松弛引起的應力損失。6）混凝土收縮和徐變引起的預應力損失。試述實現(xiàn)部分預應力的三種方法。答案：實現(xiàn)部分預應力的三種方法為：1）全部采用高強鋼筋，一部分張拉到最大允許張拉應力，保留一部分作為非預應力鋼筋。2）將全部預應力鋼筋都張拉到一個比較低的應力水平。3）用普通鋼筋代替一部分預應力高強鋼筋，是應用最多的一種方法。什么叫做圬工結(jié)構(gòu)？答案：磚石結(jié)構(gòu)：以磚、石為建筑材料，通過砂漿或細石混凝土砌筑而成的砌體所組成的結(jié)構(gòu)?；炷两Y(jié)構(gòu)：用砂漿砌筑混凝土預制塊、整體澆筑的混凝土或片石混凝土等構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。圬工結(jié)構(gòu)：上述兩種結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱。試述砌體軸心受壓長柱的受力特點。答案：砌體細長柱承受軸心壓力時，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面中心，即產(chǎn)生了一定的初始偏心，會出現(xiàn)相應的初始側(cè)向變形，因而又增加了長柱的附加應力。隨著構(gòu)件長細比的增大，細長構(gòu)件在偏心壓力下的側(cè)向撓曲現(xiàn)象越來越明顯，附加偏心距隨壓力的增大而不斷增大。附加彎矩在構(gòu)件截面上產(chǎn)生相當大的附加應力，使構(gòu)件的承載力大大降低，這樣的相互作用加劇了構(gòu)件的破壞。1.鋼結(jié)構(gòu)與其它材料的結(jié)構(gòu)相比較，具有哪些優(yōu)點？答：材質(zhì)均勻，可靠性高；強度高，質(zhì)量輕；塑性和韌性好；制造與安裝方便；具有可焊性好和密封性；耐熱性較好。2.由低碳鋼拉伸試驗得到的應力-應變曲線，鋼材的受力可分為哪五個階段？答：彈性階段：卸除荷載后試件的變形能完全恢復，沒有殘余變形的階段。彈塑性階段：鋼材的變形分為彈性和塑性變形兩部分，其中塑性變形在卸除荷載后不能恢復。屈服階段：鋼材應力達到屈服強度后，應變急劇增長，而應力卻在很小的范圍內(nèi)波動，變形模量近似為零。強化階段：鋼材經(jīng)過屈服階段以后，其內(nèi)部組織因受力得到了調(diào)整，又部分恢復了承受增長荷載的能力。頸縮階段：鋼材應力達到極限強度后，在試件承載力最弱截面處，橫截面局部明顯變細出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。3.鋼材受力破壞有哪兩種形式？其各自特征是什么？答：(1)鋼材破壞形式有：塑性破壞和脆性破壞。(2)塑性破壞主要特征是破壞前構(gòu)件產(chǎn)生明顯的塑性變形，破壞后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗；脆性破壞主要特征是破壞前沒有任何預兆，破壞后斷口平直，呈現(xiàn)出有光澤的晶粒狀。4.鋼材的選用應考慮哪些因素？答：結(jié)構(gòu)的重要性結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件按照破壞可能產(chǎn)生后果的嚴重性可以分為：重要的、一般的和次要的；設計時應根據(jù)不同情況，有區(qū)別的選用鋼材，對重要的結(jié)構(gòu)選用質(zhì)量好的鋼材。荷載性質(zhì)對直接承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應選擇質(zhì)量好的鋼材。連接方法焊接結(jié)構(gòu)的材質(zhì)要求高于同等情況下的非焊接結(jié)構(gòu)。工作環(huán)境鋼材的塑性和韌性隨溫度的降低而降低，尤其是在冷脆臨界溫度以下韌性急劇降低，容易發(fā)生脆性斷裂。鋼材的厚度厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應采用材質(zhì)較好的鋼材。5.受剪普通螺栓連接有哪五種破壞形式？答：當螺栓直徑較小而板件相對較厚時，可能發(fā)生螺栓剪斷破壞；當螺栓直徑較大而板件相對較薄時，可能發(fā)生孔壁擠壓破壞；當板件因螺栓孔削弱太多，可能沿開孔截面發(fā)生鋼板拉斷破壞；當沿受力方向的端距過小時可能發(fā)生端部鋼板剪切破壞；當螺栓過長時可能發(fā)生螺栓受彎破壞。6.高強度螺栓摩擦型連接和承壓型連接的傳力機理各是什么？各有何特點？答：摩擦型高強度螺栓連接——依靠高強度螺栓的緊固，在被連接件間產(chǎn)生摩擦阻力傳遞剪力，在受剪設計時候以剪力達到摩擦力為承載能力的極限狀態(tài)。承壓型高強度螺栓連接——依靠螺栓桿抗剪和螺桿與孔壁承壓來傳遞剪力，受剪時，允許板件間發(fā)生相對滑移，然后外力可以繼續(xù)增加并以螺栓受剪或孔壁承壓破壞為極限狀態(tài)。7.為了獲得經(jīng)濟與合理的設計效果，選擇實腹式軸心受壓的截面時，應考慮的原則？答：等穩(wěn)定性：構(gòu)件在兩個主軸方向的穩(wěn)定承載力相同，以達到經(jīng)濟的效果。寬肢薄壁：在滿足板件寬（高）厚比限值的條件下，截面面積的分布應盡量開展，以增加截面的慣性矩和回轉(zhuǎn)半徑，提高構(gòu)件的整體穩(wěn)定性和剛度，達到用料合理。連接方便：一般選擇開敞式截面，便于與其它構(gòu)件進行連接；對封閉式的箱形和管形截面，由于連接困難，只在特殊情況下才有。制造省工：盡可能構(gòu)造簡單，加工方便，取材容易。8.什么是實腹式軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定？答：實腹式軸心受壓構(gòu)件一般由若干矩形平面板件組成，在軸心壓力作用下，這些板件都承受均布壓力。如果這些板件的平面尺寸很大而厚度又相對很薄，在均勻壓力作用下，當壓力達到某一臨界值時，板件不能繼續(xù)維持平面狀態(tài)而發(fā)生波狀屈曲，因為板件屈曲是發(fā)生在構(gòu)件的局部部位，這種現(xiàn)象稱為軸心受壓構(gòu)件喪失局部穩(wěn)定。9.與鋼板梁相比，鋼—混凝土組合梁具有那些優(yōu)點？答：受力合理。充分發(fā)揮了鋼材適用于受拉和混凝土適用于受壓的材料特性?？箯澇休d力高，節(jié)省鋼材、降低造價。梁的剛度大。由于鋼筋混凝土板有效地參與工作，組合梁的計算截面比鋼板梁大，增加了梁的剛度，從而減小了主梁的撓度。整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性好。組合梁的受壓翼緣為較寬和較厚的鋼筋混凝土板，增強了梁的側(cè)向剛度，能有效地防止梁的彎扭失穩(wěn)傾向。鋼梁部分大部分甚至全截面收拉，一般不會發(fā)生局部失穩(wěn)。施工方便。可以利用鋼梁作為現(xiàn)澆混凝土板的模板支撐，以方便施工且節(jié)約費用。組合梁在活荷載作用下比全鋼梁橋的噪聲小，在城市中采用組合梁橋更為合適。10.鋼管混凝土構(gòu)件具有哪些優(yōu)點？答：承載力高。由于鋼管混凝土構(gòu)件具有很高的抗壓、抗剪和抗扭承載力，適用于建造更大跨度的拱結(jié)構(gòu)。塑性和韌性好。鋼管混凝土耗能性能高、延性和韌性好，適用于承受動力荷載，有較好的抗震性能。施工方便。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，可省去模板；鋼管兼有縱向鋼筋和箍筋的作用，但鋼管的制作遠比鋼筋骨架制作省工省料；在施工階段，鋼管本身可作為施工承重骨架。經(jīng)濟效益顯著。與鋼筋混凝土柱相比，耗鋼量基本相同或略高，但節(jié)約混凝土并減輕自重，構(gòu)件橫截面積減小，從而增加了建筑的有效面積和降低了基礎造價。由于施工方便，縮短了施工工期，可更快地發(fā)揮投資效益。耐腐蝕性與耐火性能比鋼結(jié)構(gòu)好。五、計算題1.一鋼筋混凝土矩形截面梁bh=250mm500mm，混凝土強度等級為C30，鋼筋為HRB335，若梁承受的彎矩設計值M=180kN.m，Ⅰ類環(huán)境，安全等級為二級，試進行截面配筋設計。解：已知：=13.8MPa，=1.39MPa，=280MPa，=0.56，=1.0，設=40mm,梁的有效高度=500-40=460mm,（1）求受壓區(qū)高度由公式=bx(-)得解的=788mm(舍去)=133mm=258mm（2）求所需要的鋼筋數(shù)量==1639(3)選擇并布置鋼筋2B25+2B22(1742)最小配筋率計算45（）=45（）=0.22即配筋率應不小于0.22%且不小于0.2%故取=0.22%實際配箍率=＞（0.22%）配筋滿足要求。2.一鋼筋混凝土矩形截面梁bh=300mm650mm，混凝土強度等級為C30，鋼筋為HRB335，若梁承受的彎矩設計值M=380kN.m，Ⅰ類環(huán)境，安全等級為二級，試進行截面配筋計算。解：已知：=13.8MPa，=1.39MPa，=280MPa，=0.56，=1.0，設=40mm,梁的有效高度=650-40=610mm,（1）求受壓區(qū)高度由公式=bx(-)得解的=1044mm(舍去)=175.8mm=341.6mm（2）求所需要的鋼筋數(shù)量==2599(3)選擇并布置鋼筋??4B32(3217)最小配筋率計算45（）=45（）=0.22即配筋率應不小于0.22%且不小于0.2%故取=0.22%實際配箍率=＞（0.22%）配筋滿足要求。3.某鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，凈跨度ln=3.66m。截面尺寸b×h=250mm×600mm。該梁承受均布荷載的設計值為210kN/m(包括自重)，混凝土強度等級為C20，箍筋為HPB235鋼筋。試根據(jù)斜截面受剪承載力要求確定抗剪鋼筋。()解：（1）計算縱筋重要性系數(shù)則彎矩計算值1）求受壓區(qū)高度由公式=bx(-)得mm＞=313.6mm采用雙筋截面。==4172）求所需要的鋼筋數(shù)量選擇受壓鋼筋為412()受拉區(qū)鋼筋為432()(2)計算箍筋采用10mm==166.5若箍筋間距計算值取及400mm，是滿足要求的。配筋率＞0.18%，且小于=300mm和400mm在支座中心向跨徑長度方向的600范圍內(nèi)，設計箍筋間距；爾后至跨中截面統(tǒng)一的箍筋間距取。4.一鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，截面尺寸為b×h=250mm×600mm，受拉區(qū)縱筋為325。該梁承受均布荷載設計值100kN/m(包括自重)，梁的凈跨度ln=3.56m，混凝土強度等級為C30，箍筋為熱軋HPB235級鋼筋，縱筋為HRB335級鋼筋。求：箍筋的數(shù)量。(as=35mm)解：采用直徑為8mm的雙肢箍筋，箍筋截面積==481mm若箍筋間距計算值?。炯?00mm，取是滿足要求的。配筋率＞0.18%，且小于=300mm和400mm在支座中心向跨徑長度方向的600mm范圍內(nèi)，設計箍筋間距；而后至跨中截面統(tǒng)一的箍筋間距取5.某鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件，截面尺寸b×h=300mm×400mm。兩個方向的計算長度均為l0=4m。該構(gòu)件承受的軸向壓力設計值為192kN，相應的彎矩為110kN.m，混凝土強度等級為C20，縱向鋼筋為HPB335鋼筋。Ⅰ類環(huán)境，安全等級為二級，試進行截面配筋設計。解：=9.2MPa，=280MPa，=0.56，=1.01）截面設計軸向力計算值N==192KN,彎矩設算值M==110KNm可得到偏心距為===573mm彎矩作用平面內(nèi)的長細比為＞5故應考慮偏心距設=40mm則=-=400-40=360mm＞1?。?取則=1.052）大小偏心受壓的判定＞0.3=108mm故可先按大偏心受壓設計3）計算所需的縱向鋼筋面積取==23＜取現(xiàn)選擇受壓鋼筋為3B12，則實際受壓鋼筋面積，，＞0.2%。截面受壓區(qū)高度為==162＜＞2取由=＞（240）現(xiàn)選手拉鋼筋為422，，＞0.2%。＞0.5%。設計的縱向鋼筋截面短邊方向布置一排，因偏心壓桿采用水平澆筑混凝土預制構(gòu)件，故縱筋最小凈距采用。設計截面中取，鋼筋的混凝土保護層的厚度為，滿足規(guī)范要求。所需截面最小寬度＜1.如圖所示雙槽鋼和鋼板的連接，槽鋼壁厚為5mm，軸向拉力設計值N=400kN作用，采用側(cè)焊縫連接，手工焊，焊條E43。試設計此焊縫，不采用引弧板。([τf]=85N／mm2)解：角焊縫焊腳尺寸構(gòu)造要求 取=6mm采用側(cè)面角焊縫得到=280mm按構(gòu)造要求，焊縫的最小計算長度為max(8hf,40)=48mm最大計算長度8hf=360mm滿足要求不采用引弧板，每條實際長度為280+2hf=292mm，取長度300mm.2.圖示C級螺栓連接，鋼材Q235B，[σ]=140N／mm2，螺栓M20，栓孔直徑d0=21.5mm，[]=170N/mm2，[]=80N/mm2，計算該連接所能承受的最大軸力。解：連接接頭一端該連接所能承受的最大軸力為265.58kN.VM504×100=400