結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（一）（新版）

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁◆第十六章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、考試大綱14.2.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料性能：鋼筋混凝土基本設(shè)計(jì)原則：結(jié)構(gòu)功能極限狀態(tài)及其設(shè)計(jì)表達(dá)式可靠度承載能力極限狀態(tài)計(jì)算：受彎構(gòu)件受扭構(gòu)件受壓構(gòu)件受拉構(gòu)件沖切局部承壓疲勞正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算：抗裂裂縫撓度預(yù)應(yīng)力混凝土：軸拉構(gòu)件受彎構(gòu)件單層廠房：組成與布置柱基礎(chǔ)多層及高層房屋：結(jié)構(gòu)體系及布置剪力墻結(jié)構(gòu)框-剪結(jié)構(gòu)框-剪結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)：普通規(guī)定構(gòu)造要求14.2.2鋼結(jié)構(gòu)鋼材性能：基本性能結(jié)構(gòu)鋼種類構(gòu)件：軸心受力構(gòu)件受彎構(gòu)件拉彎和壓彎構(gòu)件的計(jì)算和構(gòu)造銜接：焊縫銜接普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓銜接構(gòu)件間的銜接14.2.3砌體結(jié)構(gòu)材料性能：塊材砂漿砌體基本設(shè)計(jì)原則：設(shè)計(jì)表達(dá)式承載力：抗壓局部承壓混合結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)布置靜力計(jì)算構(gòu)造房屋部件：圈梁過梁墻梁挑梁抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)：普通規(guī)定構(gòu)造要求第一講二、復(fù)習(xí)指導(dǎo)按照考試大綱要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一章包括了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體以及高層混凝土結(jié)構(gòu)、抗震設(shè)計(jì)的部分內(nèi)容，主要考查巖土工程師是否控制±本理論知識?？忌鷳?yīng)緊扣大綱內(nèi)容，全面復(fù)習(xí)與突出重點(diǎn)相結(jié)合，即通過復(fù)習(xí)教程對基本概念、基本原理和基本知識有一個整體控制，并在此基礎(chǔ)上對每節(jié)的主要內(nèi)容重點(diǎn)復(fù)習(xí)，重點(diǎn)控制。按照基礎(chǔ)考試命題的特點(diǎn)，復(fù)習(xí)時(shí)不要偏重難度大，過于繁雜的知識，而應(yīng)注重基本知識的理解和記憶，控制“基本”概念、“基本”假設(shè)、“基本”思想及主要結(jié)論和應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括了三類不同的結(jié)構(gòu)，每一類結(jié)構(gòu)基本由三部分組成：①材料性能；②基本計(jì)算主意；③構(gòu)造。不同類型的結(jié)構(gòu)之間，或同一類結(jié)構(gòu)的不同受力構(gòu)件之間存在著相同點(diǎn)與不同點(diǎn)。第一節(jié)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料性能鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種材料組成。這兩種物理與力學(xué)性能不同的材料是因?yàn)榛炷劣不箐摻钆c混凝土之間產(chǎn)生了良好的粘結(jié)力。第二。鋼筋與混凝土這兩種材料的溫度膨脹系數(shù)臨近（鋼筋為1.2×10-5；混凝土為1.0×10-5），當(dāng)溫度變化時(shí)，兩者之間不會產(chǎn)生較大的相對變形而導(dǎo)致粘結(jié)力喪失。一、鋼筋（一）鋼筋的分類混凝土結(jié)構(gòu)中所用的鋼筋有鋼筋和鋼絲兩類，主要包括熱軋鋼筋、熱處理鋼筋、消除應(yīng)力鋼絲（光面鋼絲、螺旋肋鋼絲、刻痕鋼絲）和鋼絞線。按照鋼筋的力學(xué)性能可分為有顯然屈服點(diǎn)和顯然流幅的軟鋼、無顯然屈服點(diǎn)和無顯然流幅的硬鋼。其中熱軋鋼筋屬于軟鋼，熱處理鋼筋及消除應(yīng)力鋼絲則為硬鋼。（二）鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)1．極限抗拉強(qiáng)度該指標(biāo)對于軟鋼是作為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取值的根據(jù)，對于軟鋼，雖不作為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取值的根據(jù)，但仍有一個最低限值的要求，如HPB300級鋼筋不小于462MPa。2．屈服強(qiáng)度該指標(biāo)對于軟鋼是作為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取值的根據(jù)，并有最小限值的要求，如HPB300級鋼筋不小于300MPa;對于硬鋼，因無顯然屈服點(diǎn)，為了滿意設(shè)計(jì)理論的需要，普通常取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力值作為假定的屈服強(qiáng)度，稱為“條件屈服強(qiáng)度”或“條件屈服點(diǎn)”，用σ0.2表示。對于熱處理鋼筋、消除應(yīng)力鋼絲和鋼絞線，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)（以下簡稱《混凝土規(guī)范》）統(tǒng)一取0.85倍極限抗拉強(qiáng)度作為σ0.2。3．伸長率衡量鋼筋延性性能的一個指標(biāo)，《混凝土規(guī)范》明確提出了對鋼筋延性的要求。按照我國鋼筋標(biāo)準(zhǔn)，將最大力下總伸長率δgt作為控制鋼筋延性的指標(biāo)。最大力下總伸長率δgt不受斷口——頸縮區(qū)域局部變形的影響，反映了鋼筋拉斷前達(dá)到最大力（極限強(qiáng)度）時(shí)的勻稱應(yīng)變，故又稱為勻稱伸長率，其值為式中：l——鋼筋拉伸實(shí)驗(yàn)試件的應(yīng)變量測標(biāo)距；l′——試件經(jīng)拉斷并重新拼合后測得的標(biāo)距，即產(chǎn)生殘余伸長的標(biāo)距。4．冷彎性能檢驗(yàn)鋼筋塑性性能的另一種主意，并可以檢查鋼筋的脆性傾向。冷彎實(shí)驗(yàn)的兩個主要參數(shù)是彎心直徑D和冷彎角度α（見圖16-1）。對不同強(qiáng)度等級鋼筋，對D值及α值的規(guī)定要求不同。在規(guī)定的D及α值下冷彎實(shí)驗(yàn)后的鋼筋應(yīng)無裂縫、鱗落或斷裂現(xiàn)象。（三）對鋼筋的質(zhì)量要求對鋼筋的質(zhì)量要求有三個方面，即應(yīng)滿意強(qiáng)度、延行性能及可焊性的規(guī)定要求。在工程應(yīng)用中，對鋼筋的機(jī)械性能和冷彎性能及可焊性舉行檢驗(yàn)，應(yīng)滿意相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。（四）鋼筋的選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的縱向受力鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋，宜采用HRB400、HRB500鋼筋，也可采用HPB300、HRB335、RRB400鋼筋。箍筋宜采用HRB400.HPB300.HRB500鋼筋，也可采用HRB335鋼筋。預(yù)應(yīng)力筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絲，鋼絞線和預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋。二、混凝土混凝土是由水泥、砂、石和水按一定配合比，經(jīng)攪拌、振搗、養(yǎng)護(hù)凝結(jié)而成，并與時(shí)光因素有關(guān)，多孔隙非勻質(zhì)的彈塑性入造石材。（一）混凝土的強(qiáng)度等級及其選用混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值決定?！痘炷烈?guī)范》規(guī)定的混凝土強(qiáng)度等級有C15、C20、C25.C30.C35.C40、C45.C50.C55、C60.C65.C70.C75、C80共十四級。選用混凝±時(shí)應(yīng)遵循以下原則：(1)素混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C15；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20；采用強(qiáng)度等級400MPa及以上的鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C25。承受重復(fù)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C30。(2)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不宜低于C40，且不應(yīng)低于C30。（二）混凝土的力學(xué)指標(biāo)及其互相關(guān)系1．立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值?cu,k立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值?cu,k是混凝土各種力學(xué)指標(biāo)的基本代表值，它是指按照標(biāo)準(zhǔn)主意制作養(yǎng)護(hù)的邊長為150mm的立方體試件，在28d齡期用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)主意測得主意測得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度。也可采用截面為100mm×100mm×100mm或200mm×200mm×200mm的非標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，因?yàn)槌叽缧?yīng)的影響，必須將非標(biāo)準(zhǔn)試塊的強(qiáng)度乘以換算系數(shù)后換算為邊長150mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊的強(qiáng)度，其換算系數(shù)分離為0.95或1.05。2．軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值?ck軸心抗壓強(qiáng)度試件普通采用150mm×150mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱體，其制作和實(shí)驗(yàn)條件與立方體抗壓強(qiáng)度相同。按照實(shí)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)的公式為式中：αc1——棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度的比值，對混凝土強(qiáng)度為C50及以下αc1=0.76，對C80則αc1=0.82，中間值按線性內(nèi)插；αc2——混凝土脆性折減系數(shù)，對混凝土強(qiáng)度為C40及以下αc2=1.O，對C80則αc2=0.87，中間值按線性內(nèi)插?？紤]到結(jié)構(gòu)中混凝土強(qiáng)度與試件混凝土強(qiáng)度之間的差異，《混凝土規(guī)范》考慮試件混凝土強(qiáng)度修正系數(shù)為0.88，則(16-3)3．抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值?tk軸心受拉試件，我國采用100mm×100mm×500mm的棱柱體試件，兩端分離對中埋設(shè)長變?yōu)?50mm的φ16鋼筋。實(shí)驗(yàn)機(jī)夾緊兩端伸出鋼筋，使試件受拉，破壞時(shí)的平均應(yīng)力即為混疑土軸心抗拉強(qiáng)度值?；炷恋目估瓘?qiáng)度實(shí)驗(yàn)也有采用劈裂實(shí)驗(yàn)的主意。（三）復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度1、雙向受力時(shí)的強(qiáng)度(1)混凝土雙向受壓時(shí)其兩個方向的抗壓強(qiáng)度比單軸受壓時(shí)有所提高，最大的抗壓強(qiáng)度發(fā)生在兩個方向的壓應(yīng)力比介于0.5—2.0之間時(shí)，其中較大的壓應(yīng)力可比單軸時(shí)提高27%。雙向抗壓強(qiáng)度的提高是因?yàn)樽冃问艿郊s束的緣故。(2)混凝士一個方向抗壓，另一個方向受拉時(shí)，其抗壓或抗拉強(qiáng)度都比單軸抗壓或抗拉時(shí)的強(qiáng)度低，這是因?yàn)楫愄枒?yīng)力加速變形的發(fā)展，較快地達(dá)到極限應(yīng)變值的緣故。(3)混凝土雙向受拉時(shí)，其抗拉強(qiáng)度與單軸受拉時(shí)無顯然差別。2、三向受壓時(shí)的強(qiáng)度圓柱體在等側(cè)壓應(yīng)力下的三軸受壓實(shí)驗(yàn)表明，其抗壓強(qiáng)度有較大的提高，提高后的抗壓強(qiáng)度最低值約為圓柱體單軸受壓時(shí)的強(qiáng)度值加上4倍的側(cè)向壓應(yīng)力值。在實(shí)際工程中，對于鋼管混凝土柱或配置密排螺旋箍筋的鋼筋混凝土柱，因?yàn)榛炷潦艿戒摴鼙诨蚵菪康募s束，使它處于三向受力狀態(tài)，可以利用這一特性，考慮混凝土抗壓強(qiáng)度的提高。3、剪應(yīng)力與單軸正應(yīng)力共同作用下的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)存在剪應(yīng)力τ時(shí)，混凝土的抗壓抗拉強(qiáng)度都將有所降低。當(dāng)存在拉應(yīng)力時(shí)，其抗剪強(qiáng)度將降低。（四）短期荷載作用下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系1．一次加荷下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系一次加荷的應(yīng)力應(yīng)變σ-ε曲線如圖16-2所示，以峰值應(yīng)力為界可分為升高段與下降段。升高段大體又可分為三個階段,當(dāng)σ≤0.3?c時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，變形主要取決于混凝土內(nèi)部的彈性變形，粘結(jié)裂縫沒有顯然發(fā)展。2．混凝土的彈性模量與變形模量混凝土為彈塑性材料，反映應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的模量值不是常數(shù)，因此《混凝土規(guī)范》中給出了彈性模量(Ec)值的決定主意：采用棱柱體試件，取應(yīng)力上限值為0.5σ0，重復(fù)加荷5-10次，當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變趨于線性關(guān)系時(shí)，該直線斜率即為混凝土彈性模量的取值。應(yīng)力應(yīng)變曲線上任一點(diǎn)與原點(diǎn)連線的割線斜率稱為混凝土的變形模量Ec′。3．多次重復(fù)加荷下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系多次重復(fù)加荷實(shí)驗(yàn)表明，只要重復(fù)應(yīng)力上限值σ=(0.3～0.5)?c，加荷與卸荷循環(huán)多次將形成塑性變形堆積，但塑性變形堆積是收斂的，當(dāng)累積的變形超過混凝土的極限變形能力時(shí)，混凝土將疲勞壓壞，破壞時(shí)應(yīng)力的上限值稱為疲勞應(yīng)力。疲勞應(yīng)力的大小與循環(huán)應(yīng)力的上限與下限及循環(huán)次數(shù)有關(guān)。通常以使材料破壞所需荷載循環(huán)次數(shù)n≥2×106次時(shí)的疲勞應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度。（五）荷載持久作用時(shí)的變形——徐變混凝土在不變的應(yīng)力持久持續(xù)作用下，隨時(shí)光增長的變形稱為徐變。影響徐變的主要因素有持續(xù)應(yīng)力的大小、加荷齡期、混凝土配合比、振搗養(yǎng)護(hù)條件、結(jié)構(gòu)所處環(huán)境等。加載時(shí)的齡期越短，徐變越大；水灰比和水泥用量大、振搗不密實(shí)、養(yǎng)護(hù)與工作環(huán)境濕度小、養(yǎng)護(hù)時(shí)光短，則徐變大。為了減小徐變，應(yīng)注重養(yǎng)護(hù)與控制水灰比，不要過早地拆模板支柱或施加持久荷載。徐變能使構(gòu)件變形增大，使預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生損失，使高應(yīng)力受壓構(gòu)件發(fā)生驟然性破壞等不利影響；但徐變引起的內(nèi)力或應(yīng)力重分布及應(yīng)力松弛偶爾對結(jié)構(gòu)亦產(chǎn)生有利作用，如對軸心受壓柱，可使鋼筋與混凝土的應(yīng)力都可能達(dá)到各自的抗壓強(qiáng)度；徐變可使溫度應(yīng)力降低。（六）混凝土收縮混凝土在空氣中硬結(jié)時(shí)產(chǎn)生體積變小的現(xiàn)象稱為收縮，是一種非受力變形。收縮包括凝縮與干縮兩部分?；炷林兴嗯c水起化學(xué)作用產(chǎn)生體積變化為凝縮大部分浮上在凝結(jié)的早期。干縮是混凝土中自由水蒸發(fā)引起的體積縮小。收縮是使混凝土內(nèi)產(chǎn)生初始微裂縫的主要緣故，導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度降低與離散性大?；炷潦湛s主要浮上在早期，以后逐漸減慢，第一個月的收縮應(yīng)變可完成50%左右，兩個月可完成75%左右，一年以后逐漸趨于穩(wěn)定，總算收縮量約為(2～5)×10-4。對于普通混凝土可取3×10-6。除受力因素之外，凡對徐變產(chǎn)生影響的因素都對收縮產(chǎn)生影響。此外，水泥強(qiáng)度越高表面積對體積比越大，環(huán)境溫度越高，都使收縮值加大?；炷潦湛s時(shí)對結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的不利影響是產(chǎn)生收縮裂縫與預(yù)應(yīng)力的損失。通常采用限制水灰比、水泥用量，加強(qiáng)振搗與養(yǎng)護(hù)，適量設(shè)置構(gòu)造筋與變形縫及后澆縫等措施以減少收縮以及收縮帶來的不利影響。三、鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)與錨固鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)與錨固是兩者能共同工作的基礎(chǔ)。（一）形成粘結(jié)的因素(1)水泥膠的水化作用，使鋼筋與混凝土的接觸面上形成膠結(jié)力。(2)混凝土收縮對鋼筋產(chǎn)生的握裹力。(3)混凝土與鋼筋之間的機(jī)械咬合力。（二）鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力鋼筋與混凝土接觸的界面上沿鋼筋縱向分布的縱向剪應(yīng)力稱之為粘結(jié)力。在下列三種情況下可能產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力：(1)當(dāng)鋼筋伸入混凝土支座內(nèi)并受到拉力或壓力時(shí)，在鋼筋錨團(tuán)長度的范圍內(nèi)產(chǎn)生與拉力或壓力相平衡的縱向剪應(yīng)力，稱之為錨固粘結(jié)應(yīng)力。(2)當(dāng)彎矩沿跨度方向變化時(shí)，相鄰截面的受拉鋼筋的應(yīng)力也發(fā)生變化，產(chǎn)生應(yīng)力差，這使混凝土與鋼筋之間產(chǎn)生了粘結(jié)應(yīng)力，稱之為彎曲粘結(jié)應(yīng)力。(3)當(dāng)彎矩與軸力沿縱向不變，構(gòu)件一旦開裂，則在兩相鄰裂縫之間的鋼筋應(yīng)力不勻稱，存在應(yīng)力差，在混凝土與鋼筋之間產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力，稱之為局部粘結(jié)應(yīng)力。（三）鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度鋼筋與混凝土之間粘結(jié)面上單位面積所能承擔(dān)的最大粘結(jié)應(yīng)力，稱之為粘結(jié)強(qiáng)度。粘結(jié)強(qiáng)度的高低對鋼筋的錨固長度、搭接長度、裂縫的間距與寬度都有直接的影響。粘結(jié)強(qiáng)度越高，則錨固長度、搭接長度及裂縫間距和寬度都將減小。習(xí)題1對于有顯然屈服點(diǎn)的鋼筋，其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取值的根據(jù)()。A.極限抗拉強(qiáng)度B．屈服強(qiáng)度C．0.85倍的極限抗拉強(qiáng)度D．鋼筋比例極限對應(yīng)的應(yīng)力答案：B2《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，混凝土各種力學(xué)指標(biāo)的基本代表值是()。A．立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值B．軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值C．軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值D．軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值提醒：混凝土其他強(qiáng)度指標(biāo)均可用立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（混凝土強(qiáng)度等級）表示。答案：A3混凝土雙向受力時(shí)，何種情況下強(qiáng)度最低()。A．兩向受拉B．兩向受壓C．一拉一壓D．兩向受拉，且兩向拉應(yīng)力值相等時(shí)提醒：混凝土一個方向受拉，一個方向受壓時(shí)，其抗壓和抗拉強(qiáng)度均比單軸抗壓或抗拉強(qiáng)度低，這是因?yàn)楫愄枒?yīng)力加速變形的發(fā)展，使其較快達(dá)到極限應(yīng)變值。答案：C第二節(jié)基本設(shè)計(jì)原則按照國家標(biāo)準(zhǔn)《建造結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50068-2001》（以下簡稱《結(jié)構(gòu)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》）所決定的原則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)主意。一、結(jié)構(gòu)功能要求和設(shè)計(jì)使用年限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是要使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠完成所有預(yù)定功能要求，并具有充足的可靠性。結(jié)構(gòu)功能要求概括地說有下列三個方面：（一）安全性（二）適用性（三）耐久性上述功能要求，即結(jié)構(gòu)在規(guī)