结构设计原理期末复习答疑

（2010.06.04）结构设计原理期末复习答疑（文本）

中央电大工学院王卓 2010年06月08日

王卓：各位同学、老师好，欢迎参加本次网上教学活动。本次活动针对期末考试进行辅导和答疑。

考核方式

本课程采用形成性考核与终结性考试相结合的考核方式，满分100分，及格60分。终结性考试成绩占考核总成绩的80％；形成性考核占考核总成绩的20％。终结性考试为笔试，时间为90分钟。学员参加考试应带钢笔、铅笔、三角板或直尺、橡皮和计算器。

命题依据

命题依据是本课程的借用教材，即中央广播电视大学出版社出版的、由常春伟主编的《结构设计原理》。

出题范围包括以下几章：

第1章绪论

第2章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能

第3章钢筋混凝土受弯构件正截面的承载力计算

第4章钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力的计算

第6章钢筋混凝土轴向受力构件承载力

第7章钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形

第8章预应力混凝土结构的基本原理

第10章砌体与混凝土结构

试题类型和结构

期末考试试题类型为选择题30分、判断题15分、简答题40分、计算题15分。题目数量分别是15、15、5、1。

第1章绪论

考核要求：

1．掌握各种材料结构的特点及其应用。

2．了解结构各种计算方法。

3．了解极限状态、可靠度的概念。

复习要点：

1．钢结构在荷载作用下截面应力的计算值最能反映实际受力情况，因而结构工作的可靠性高。由于钢材的强度高，所以承受同样荷载，构件所需的截面积很小，故与其它结构相比，钢结构自重较轻。钢构件可以在工厂制作，在工地拼装连接，因而施工效率高。钢结构的主要缺点是耐高温差、易腐蚀。钢结构应用范围很广，例如，在大跨径的钢桥、高层建筑、人行天桥、钢屋架等永久建筑中使用。此外，还用于钢支架、钢模板、钢围堰等临时结构中。

2．结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形的状态称为承载能力极限状态。当结构或构件出现下列状态之一时，认为超过了承载能力极限状态：

（1）作为刚体失去平衡，如倾覆、滑移等；

（2）因被超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）或因过度塑性变形而不适于继续承载；

（3）变为机动体系；

（4）丧失稳定，如压屈等。

3．结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值时的状态称为正常使用极限状态。当结构或构件出现下列状态之一时，则认为超过了正常使用极限状态：

（1）影响正常使用或外观的变形；

（2）影响正常使用或耐久性的局部损坏（包括裂缝）；

（3）影响正常使用的振动；

（4）影响正常使用的其他特定状态。

4．结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性。可靠性用可靠度来度量。结构的可靠度就是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。

第2章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能

考核要求：

1．掌握混凝土及钢筋的材料力学性能。

2．理解钢筋与混凝土的共同工作的概念。

3．掌握钢筋的品种、等级及加工。

复习要点：

1．计算钢筋混凝土结构时，对于有明显流幅的钢筋，取它的屈服强度作为设计强度的依据。这是因为构件中钢筋的应力到达屈服强度后，将产生很大的塑性变形，这时钢筋混凝土构件将出现很大的变形和不可闭合的裂缝，以致不能使用。

2．对没有明显流幅或屈服点的钢筋，其比例极限大约相当于极限强度的65%。在实用上取残余应变为0.2％时的应力（相当于极限强度的80%）作为假定的屈服点，即条件屈服点（又称协定屈服点）。

3．通常把屈服强度与抗拉极限强度的比值称为屈强比，它代表了材料的强度储备，一般屈强比要求不大于0.8。

4．钢筋的塑性通常用伸长率和冷弯性能两个指标来衡量。

5．混凝土立方体抗压强度又被称为混凝土标号。《公路桥规》中规定用于公路桥梁承重部的混凝土标号分为15、20、25、30、40、50和60号7个等级。钢筋混凝土构件的混凝土标号不宜低于15号；当采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋时，混凝土标号不宜低于20号。

6．在荷载的长期作用下，混凝土的变形将随时间而增加。即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长，这种现象被称为混凝土的徐变。

7．混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。

第3章钢筋混凝土受弯构件正截面的承载力计算

考核要求：

1．掌握受弯构件的构造要求。

2．掌握受弯构件正截面受力的三个工作阶段及三种破坏形式。

3．理解受弯构件正截面计算的基本假定及压区混凝土等效应力图形。

4．理解受弯构件正截面的承载力计算的方法。

复习要点：

1．钢筋混凝土梁正截面工作划分为：弹性工作阶段（整体工作阶段），带裂缝工作阶段和破坏阶段。第一阶段——弹性工作阶段（整体工作阶段）末Ia可作为受弯构件开裂弯矩的计算依据；第Ⅱ阶段——带裂缝工作阶段，相当于梁使用时的应力状态，可作为正常使用阶段的变形和裂缝宽度计算的依据；第Ⅲ阶段——破坏阶段末可作为承载能力极限状态计算时的依据。

2．根据梁的破坏形式不同，梁的破坏可分为：适筋梁、超筋梁和少筋梁三类。

3．当钢筋和混凝土强度确定后，一根梁总会有一个特定的配筋率，它使得钢筋应力达到屈服强度的同时，受压区边缘纤维应变也恰好到达混凝土受弯时的极限压应变。这种梁的破坏叫“界限破坏”，即适筋梁与超筋梁的界限。“界限破坏”梁的破坏特点是：受拉筋应力达到屈服的同时，受压混凝土压碎而梁立即破坏。梁的“界限破坏”时所对应的配筋率为最大配筋率。

第4章钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力的计算

考核要点：

1．掌握斜截面的破坏特征及影响斜截面抗剪能力的主要因素。

2．理解斜截面抗剪承载力的计算方法，掌握斜截面抗剪承载力的构造要求。

3．了解全梁承载能力校核的方法。

4．了解斜截面抗弯承载力计算方法。

5．了解连续梁斜截面破坏特点及抗剪计算方法。

6．了解深梁破坏形态及构造要求。

复习要点：

1．有腹筋梁与无腹筋梁的受力机制区别在于：①箍筋和弯起钢筋的作用明显；②斜裂缝间的混凝土参加了抗剪。

2．梁斜截面破坏的三种形态为斜拉破坏、剪压破坏和斜压破坏。

斜拉破坏：当剪跨比较大（m>3）时，或箍筋配置过少时，常发生这种破坏。

剪压破坏：当剪跨比约为1～3，且腹筋配置适中时，常发生这种破坏。

斜压破坏：当剪跨比m较小（m<1）时，或剪跨比适中（1

3．斜拉破坏的特点：这种破坏可与正截面的少筋破坏相类比。其破坏荷载与出现斜裂缝时的荷载很接近，破坏过程急骤，破坏面较整齐，破坏前梁的变形很小，具有明显的脆性。

4．剪压破坏的特点：破坏性质类似于正截面的适筋破坏，但其变形很小，仍属于脆性破坏。

5．斜压破坏的特点：这种破坏形态可与正截面的超筋破坏相类比，也属于脆性破坏。

6．影响受弯构件斜截面抗剪性能的因素有：剪跨比、混凝土的强度、骨料品种、纵筋强度和配筋率、配箍率和箍筋强度、梁的截面尺寸、荷载形式、支座约束条件等等。其中，最主要的因素有剪跨比、混凝土强度、纵筋配筋率和配箍率和箍筋强度。

7．随着剪跨比m的增加，梁的破坏形态按斜压（m<1）、剪压（13）的顺序演变，而抗剪承载力逐步降低。当m>3后，剪跨比的影响已不明显，抗剪承载力趋于稳定。

8．受弯构件斜截面受剪破坏的主要形态有：斜拉破坏、剪压破坏、斜压破坏。

斜拉破坏特征：破坏过程急速且突然，弯曲裂缝一旦出现，就迅速向受压区斜向伸展，直至荷载板边缘，使混凝土裂通，梁被撕裂成两部分，而丧失承载能力。

剪压破坏特征：梁破坏时，与斜裂缝相交的腹筋达到屈服强度，同时剪压区的混凝土在压应力和剪应力的共同作用下，达到了复合受力时的极限强度。

斜压破坏特征：首先混凝土在加载点与支座间被斜裂缝分割成若干个斜向短柱，当混凝土中的压应力超过其抗压强度时,混凝土即被压坏。破坏时，与斜裂缝相交的腹筋往往达不到屈服强度。

第6章钢筋混凝土轴向受力构件承载力

考核要求：

1．掌握轴心受拉、轴心受压构件的破坏特点，理解承载力计算方法。

2．掌握轴向受力构件的构造要求。

3．理解螺旋箍筋柱、偏心受压构件的承载力计算方法。

4．了解长细比对受压构件承载力的影响、偏心受压构件截面破坏形态。

5．了解大小偏心受压的界限、偏心矩增大系数。

复习要点：

1．当荷载的合力通过构件截面重心的受压构件即为轴心受压构件。钢筋混凝土轴心受压构件按配筋方式不同可分为两种形式：

（1）配有纵向钢筋及箍筋的轴心受压构件，称为普通箍筋柱；（2）配有纵向钢筋及螺旋箍筋(或焊接环形箍筋)的轴心受压构件，称为螺旋箍筋柱，也称为间接箍筋柱。

2．如果在钢筋混凝土轴心受压构件采用高等强度钢筋，一般是混凝土先被压碎而钢筋尚未达到屈服强度。所以在受压构件设计中，采用高强度钢筋是不经济的，也是没有必要的。

3．钢筋混凝土长柱承载力与相同条件下短柱承载力的比值称为钢筋混凝土构件的纵向弯曲系数。纵向弯曲系数与柱的长细比、混凝土和钢筋强度以及配筋率有关，与长细比关系最大。长细比越大，纵向弯曲系数越小。

4．钢筋混凝土偏心受压构件根据破坏特征不同分为大偏心受压构件和小偏心受压构件。

形成大偏心受压破坏的条件是：相对偏心距较大，且受拉钢筋配筋率较小的情况；形成小偏心受压破坏的条件是：相对偏心距较小，或虽然相对偏心距较大，但构件配置的受拉钢筋较多的情况。

大偏心受压构件的破坏特征是：偏心受压构件的破坏是由于受拉钢筋首先达到屈服强度而导致受压混凝土压碎。构件临界破坏时有明显的征兆，横向裂缝开展显著。构件的承载力取决于受拉钢筋的强度和数量。

小偏心受压构件的破坏特征一般是：首先受压区边缘混凝土的应变达到极限压应变，受压区混凝土被压碎；同一侧的钢筋压应力达到屈服强度，而另一侧的钢筋，不论受拉还是受压，其应力均达不到屈服强度。构件破坏前，受压区高度略有增加，破坏时无明显预兆。其正截面承载力取决于受压区混凝土强度和受压钢筋强度。

5．轴心受压构件的截面破坏特点是什么（分短柱和长柱）？

对配有中等强度钢筋（Ⅰ～Ⅱ级）的短柱在破坏时，总是纵向钢筋先达到屈服点，继而混凝土达到最大压力破坏。当采用高等强度钢筋时，一般是混凝土先被压碎而钢筋尚未达到屈服强度。

对长柱，其破坏是由于构件丧失纵向稳定所造成。破坏时，构件产生较大的侧向挠曲，一侧混凝土被压碎，纵向钢筋在箍筋之间向外弯凸，另一侧混凝土发生横向的受拉裂缝。

第7章钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形

考核要求：

1．了解正常使用极限状态的要求。

2．了解换算截面法的基本假定和计算方法。

3．了解受弯构件应力计算方法。

4．了解钢筋混凝土受弯构件裂缝宽度和变形的计算方法。

5．理解裂缝产生原因、裂缝主要形式、宽度计算理论及改善裂缝宽度的措施。

复习要点：

1．钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形计算时有何基本假定？

答：钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形计算时的基本假定有：平截面假定、弹性体假定和受拉区混凝土不参加工作假定。

（1）平截面假定

平截面假定是材料力学中最基本的假定之一。这个假定认为所有与杆轴线垂直的截面在杆件变形后仍保持为平面。这样截面上每一个点的变形趋势就可以确定，如果知道了中性轴的位置和任意一点的应变（变形），整个断面的应变就可以知道，这是建立该假设的基础。实验也证明匀质弹性体根据此项假定所得的计算结果是准确的。对于钢筋混凝土构件，如取较长的一段（一般需包扩两个裂缝间距以上）的平均变形来研究，则实验结果证明，平截面假定基本上符合实际情况，也就是平截面假定依然成立。

（2）弹性体的假定

该假定的目的是确定本构关系，也就是应力和应变之间的关系。我们知道，对理想弹性体而言，应力和应变的关系是线性的，但混凝土结构不是理想的弹性体而是弹塑性体，其应力与应变的关系是非线性的。如果以非线性来推导结构的承载力等，推导公式难度较大，也不实用。因此，近似认为其本构关系是线性的。

（3）受拉区混凝土不参加工作

对混凝土结构而言，受拉区混凝土实际上总有一小部分参加工作，但受力情况相当复杂，且其影响非常微小，将它忽略不计，假定拉应力全由钢筋承受，可使计算大为简化。

第8章预应力混凝土结构的基本原理

考核要求：

1．掌握预应力混凝土结构的基本概念。

2．掌握预应力混凝土结构的特点、应用。

3．了解预加应力技术与设备。

4．掌握预应力度的概念、理解预应力结构的分类。

5．了解锚具的分类、常用锚具的种类。

复习要点：

1．所谓预应力混凝土，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，而且其数值和分布有利于抵消使用荷载产生的应力。这种结构称为预应力混凝土结构。

2．通过预先对混凝土施加压应力，可以抵消外荷载产生的拉应力。因而使得截面不出现拉应力；或允许出现拉应力，限制拉应力的大小；或允混凝土许出现裂缝，限制裂缝的宽度。

3．预应力混凝土结构具有下列主要优点：1）节省材料，减轻自重，增加跨越能力；2）提高构件的抗裂性、增加截面刚度；3）可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力；4）结构质量安全可靠；5）改进了施工方法；6）具有良好的经济性。此外，还可以提高结构的耐疲劳性能。因为预应力的存在，由加载和卸载引起的截面应力变化幅度相对较小，所以引起疲劳破坏的可能性也减小。这对承受动荷载的桥梁结构来说是有利的。

4．实现预加应力的方法，一般是通过张拉钢筋（称之为预应力钢筋）来实现的。张拉设备将预应力钢筋拉伸并锚固在构件端部，外界张拉约束力撤消后，利用预应力钢筋回弹对混凝土施加预压应力。施加预应力的方法有先张法和后张法。

5．先张法与后张法的施工工艺不同，建立预应力的先后秩序也不同。后张法是先浇筑构件混凝土，靠工作锚具来传递和保持预加应力的；先张法则是先张拉力筋，靠钢筋与混凝土的粘结力来传递并保持预加应力的。

第10章砌体与混凝土结构

考核要求：

1．掌握砌体与混凝土结构受力特点。

2．理解材料的性能、砂浆的力学性能、砌体的变形。

3．了解砌体与混凝土结构承载力的计算。

复习要点：

1．砌体结构亦称圬工结构。由块材（石材、预制块）和胶结材料（砂浆）按一定的砌筑规则组成的受力整体称为砌体结构。由于砌筑用的石材、预制块及混凝土等材料的共同特点是抗压强度高而抗拉、抗弯、抗剪强度低，在结构工程中常作为以承压为主的结构构件。例如拱桥的主拱圈、桥梁的墩台及基础、挡土墙、涵洞及隧道的衬砌与洞门建筑等。

2．砌体及混凝土结构的缺点是：（1）自重大，砌体块材的强度，一般来说低于其他结构材料的强度，故需采用较大的截面尺寸。（2）砌筑工作相当繁重，费工费时，机械化程度低。（3）由于砌体是属于一种松散结构，故久经震动后易产生裂缝而失去抗拉能力。

3．影响砌体抗压强度的因素：（1）块材强度；（2）砂浆的物理力学性能；（3）砌缝厚度；（4）块材的尺寸与形状。

计算题典型题型

1．已知钢筋混凝土单筋矩形截面梁，断面为30cm×55cm，跨中计算弯矩Mj=170kN?m,，采用20号混凝土（Ra=11MPa）和II级钢筋（Rg=340MPa），试用基本公式求所需的钢筋面积Ag。（设a=40mm, ξjg=0.55, γc=γs=1.25，最小配筋率0.10%）。

王卓：本次活动就到这里，祝同学们复习愉快，再见！