结构设计原理简答题

1．试述钢筋混凝土受弯构件第Ⅱ工作阶段计算的基本假定?（5分）

答：平截面、弹性体、不考虑受拉区混凝土承受拉应力

2．钢筋混凝土梁内有几种钢筋？每种钢筋有何作用？它们各自如何确定？（10分）答：五种。纵筋：承受纵向拉、压力，由正截面承载力计算确定。箍筋：抗剪、定位、构成钢筋骨架，由计算和构造要求确定。斜筋：抗剪，由计算和构造要求共同确定。架立钢筋：形成钢筋骨架，定位，由构造确定；纵向水平钢筋，防止混凝土收缩、温度变化而引起的开裂，由构造确定。

3．为什么预应力混凝土结构必须采用高强混凝土和高强钢筋？（10分）

答：采用高强混凝土的原因：预应力混凝土结构相对于普通钢筋混凝土结构而言，处在更高的应力状态，因而要求有较高的承压和其它能力，而高强混凝土具有较高的抗拉、抗弯、局部抗压等能力，而且有大的弹性模量，使得受力变形小、收缩徐变小、应力损失小，为了能充分发挥高强钢筋的作用，也必须采用高标混凝土。如果不使用高强钢筋，就无法克服由于预应力损失而建立起有效预应力。

1．什么是极限状态？试述《公路桥规》中承载能力极限状态计算的理论基础、设计原则及其表达式？（8分）答：结构或结构的一部分一旦达到某一状态就不能满足设计规定的功能要求，则此状态为极限状态。《公路桥规》中承载能力极限状态的计算以塑性理论为基础，设计的原则是作用效应的最不利组合的设计值必须小于结构抗力的设计值。R S d ≤0γ

2．钢筋混凝土梁斜截面抗剪承载力计算是建立在哪种斜截面破坏形式基础上的？其计算公式的上限值和下限值的意义是什么？（8分）答：斜截面剪压破坏形式基础上，计算公式的上限值用于控制截面最小尺寸；下限值来检查是否要按照计算配置箍筋。

3．简述先张法预应力混凝土的施工工艺流程。与后张法相比有何相同和不同点。（9分）

答：预制台座，张拉力筋、锚固力筋、浇筑混凝土并养生待强、放松张拉，运梁安装。相同：都可以使混凝土获得预应力；不同点：工艺不同、预应力的传递方式、有效预应力。

2．钢筋混凝土轴心受压短柱与长柱破坏各有什么特点？在计算中如何考虑长细比对柱的承载力的影响？（10分）答：钢筋混凝土短柱破坏时，柱中部的横向挠度很小，其破坏是材料破坏即混凝土被压碎破坏。

钢筋混凝土长柱破坏前，横向挠度增加很快，使长柱的破坏来得比较突然，导致失稳破坏。

承载力计算中用短柱的承载力乘以稳定系数即考虑构件长细比增大的附加效应使构件的承载力降低的计算系数来考虑长柱的影响效应。

3．预应力混凝土受弯构件设计时，除进行正截面、斜截面强度计算外，还应该进行哪些内容的计算或验算？（9分）

答：预加力计算、预应力损失计算、应力计算、抗裂验算，变形计算、端部锚固区计算等

1．混凝土强度的基本代表值有哪些？混凝土立方体强度是如何确定的?（7分）答：立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度。立方体抗压强度：边长为150mm 的立方体标准试件，在20℃±2℃的温度和相对湿度在95％以上的潮湿空气中养护28d ，依照标准制作方法和试验方式测得的抗压强度值。

2．有三根矩形截面梁，截面尺寸相同，但配筋不同：ρ<ρmin ，ρmin ≤ρ<ρmax ，ρ>ρmax ，问：它们各属于何种破坏形态？破坏时所能承受的最大弯矩怎样算？（以矩形截面为例用公式表示）（10分）答：少筋、适筋、超筋 少筋0W f M tk u γ=，适筋()20x h bx f M cd u -=，超筋()2000h h h b f M b b cd u ξξ-=

3．简述预应力混凝土受弯构件的破坏过程包括哪几个阶段以及各阶段若干不同的受力过程。（8分）

答：施工阶段：（1）预加应力阶段，此阶段是指从预加应力开始，至预加应力结束(即传力锚固)为止。（2）运输安装；

使用阶段：此阶段是指桥梁建成通车后的整个使用阶段。分为如下几个受力状态（根据构件受力后可能出现的特征状态）：消压、开裂、带裂缝工作；

破坏阶段：预应力混凝土受弯构件在破坏时预加应力损失殆尽，故其应力状态和普通钢筋混凝土构件相类似，其计算方法也基本相同。

1．钢筋混凝土结构裂缝按其产生的原因分为哪几类？这几类裂缝如何加以控制？（8分） 答：作用效应引起的裂缝，外加变形或约束变形引起的裂缝，钢筋锈蚀裂缝。

作用效应引起的裂缝：通过计算和构造措施加以控制。其他裂缝通过构造措施和施工工艺等措施加以控制。

2．简述钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算的基本假定。（5分）答：（简要）平截面假定、不计混凝土的抗拉、混凝土压区矩形应力图形、材料应力应变物理关系。

3．有两个轴心受拉构件，其配筋数量、材料强度、截面尺寸等均相同，只是一个施加了预应力，另一个没施加预应力，试问这两个构件的承载力和开裂荷载是否相同？为什么？（要求以配有钢筋面积A S 的矩形截面b ×h 为例写出各自的计算公式，钢筋强度f sd ，有效预压应力pc σ，钢筋混凝土开裂弯矩cr M ）（12分）答：两构件承载力相同，开裂荷载不同，施加了预应力的构件开裂荷载大。

计算承载力时，混凝土开裂不参加工作，只有钢筋参加工作，普通钢筋和预应力钢筋都到达屈服强度，故承载力为：u sd s N f A =

普通钢筋混凝土开裂弯矩为cr M ，而预应力混凝土构件的开裂弯矩＝pc σbh ＋cr M ，显然后

者比前者大

1．简述公路桥涵结构上作用的类型并解释。（8分）

答：公路桥涵结构上作用的类型分为：

永久作用（恒载）：在设计使用期内，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。

可变作用：在设计使用期内，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。

偶然作用：在设计使用期内，不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。

2．简述钢筋混凝土受弯构件斜截面抗剪钢筋设计的基本步骤。（10分）答：钢筋混凝土受弯构件斜截面抗剪钢筋设计的基本步骤为：

（1）复核截面尺寸是否满足要求（2）确定是否需按计算配腹筋：（3）计算剪力值的确定（4）箍筋设计（5）弯起钢筋设计

3．预应力损失的原因有哪些。（7分）

答：预应力损失的原因有：（1）预应力钢筋与管道壁间摩擦引起的应力损失（2）锚具变形，钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失（3）钢筋与台座间的温差引起的应力损失（4）混凝土弹性压缩引起的应力损失（5）钢筋松弛(徐舒)引起的应力损失（6）混凝土的收缩和徐变引起的应力损失

1．钢筋混凝土结构对所使用的钢筋有何要求？（5分）答：钢筋混凝土结构对所使用的钢筋要求：具有高强度，良好的塑性和可焊性，同时与混凝土有较好的粘结性能。

2．轴心受压构件设置纵向钢筋和箍筋的作用是什么？（8分）答：纵向钢筋的作用：（1）协助混凝土受压，减小截面尺寸（2）承受可能存在的不大的弯矩（3）防止构件的突然脆性破坏

普通箍筋的作用：防止纵向钢筋的局部压屈，并与纵向钢筋形成钢筋骨架，便于施工螺旋箍筋的作用：使截面中间部分（核心）混凝土成为约束混凝土，从而提高构件的强度和延性。

3．简述预应力混凝土受弯构件的预应力钢筋估算的一般方法。（12分）

答：预应力混凝土梁应进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态计算，并满足《公桥规》中对不同受力状态下规定的设计要求，预应力钢筋截面积估算应根据这些限值条件进行。预应力混凝土梁一般以抗裂性控制设计，因此预应力混凝土梁预应力钢筋截面积一般按正截面抗裂性要求估算预应力钢筋数量。

1．桥梁结构的功能包括哪几方面的内容？我国《公路桥规》规定了结构设计哪三种状况？（6分）答：桥梁结构的四项基本功能要求：（1）结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各种荷载、外加变形、约束变形等的作用；（2）结构在正常使用条件下具有良好的工作性能；（3）结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，具有足够的耐久性；(4）在偶然荷载作用下或偶然事件发生和发生后，结构仍能保持整体稳定性，不发生倒塌。我国《公路桥规》规定的三种状况：（1）持久状况；（2）短暂状况；（3）偶然状况

2．两类偏心受压构件的破坏特征有何区别？其判别条件是什么?（9分）答：大偏心受压破坏破坏特征：部分受拉，部分受压，受拉钢筋应力先达到屈服强度，随后，混凝土被压碎，受压钢筋达屈服强度。构件的承载力取决于受拉钢筋的强度和数量。破坏性质：塑性破坏。小偏心受压破坏破坏特征：，一般是靠近偏心力一侧的混凝土首先达到极限压应变而压碎，该侧的钢筋达到屈服强度，远离偏心力一侧的钢筋不论受拉还是受压，一般达不到屈服

强度。构件的承载力取决于受压区混凝土强度和受压钢筋强度。破坏性质：脆性破坏。

判别条件：当b ξξ≤时，为大偏心受压破坏b ξξ>时，为小偏心受压破坏

3．什么是先张法、后张法的预应力混凝土结构？比较他们的相同点和不同点。（10分）

答：先张法：先张拉钢筋后浇注混凝土，等混凝土强度达到设计所要求的值，再放张钢筋。

后张法：先浇注混凝土，等混凝土强度达到设计所要求的值，再张拉钢筋。

不同点：施工工艺不同，建立预应力的方法不同，先张法是靠钢筋和混凝土之间的粘结力来传递和保持预加应力，而后张法是靠工作锚具来传递和保持预加应力。

相同点：都是通过张拉钢筋在混凝土内部建立预压应力

1．什么是剪跨比？剪跨比的大小不同使无腹筋简支梁出现何种破坏形式？答：剪跨比：用0

Vh M m =来表示，此处M 和V 分别为剪弯区段中某个竖直截面上的弯矩和剪力，0h 为截面有效高度。一般把m 的这个表达式称为“广义剪跨比”，它实质上反映了梁内正应力σ与剪应力τ的相对比值。

剪跨比的大小不同使无腹筋简支梁出现：斜压破坏、剪压破坏、斜拉破坏。

2．简述预应力混凝土受弯构件的破坏过程包括哪几个阶段以及各阶段若干不同的受力过程。答：施工阶段：（1）预加应力阶段，此阶段是指从预加应力开始，至预加应力结束(即传力锚固)为止。（2）运输安装；使用阶段：此阶段是指桥梁建成通车后的整个使用阶段。分为如下几个受力状态（根据构件受力后可能出现的特征状态）：消压、开裂、带裂缝工作；

破坏阶段：预应力混凝土受弯构件在破坏时预加应力损失殆尽，故其应力状态和普通钢

筋混凝土构件相类似，其计算方法也基本相同。

3．什么是换算截面？以图示单筋矩形截面为例（换算系数或弹模比为αEs ），求钢筋的换算面积A sc 和钢筋混凝土开裂截面的换算截面面积A 0（给出过程和说明）并绘出换算截面图。 答：换算截面：将钢筋和受压区混凝土两种材料组成的实际截面换算成一种拉压性能相同的假想材料组成的匀质截面。

假想的混凝土所承受的总拉力应该与钢筋承受的总拉力相等，故s s sc c A A σσ= 而c s Ec σσα=，所以钢筋的换算面积为sc s s c Ec s A A A σσα==

受压区混凝土面积和受拉区面积所组成的截面为钢筋混凝土开裂截面的换算截面，换算截面面积为：

1．通过绘制简图和写出表达式，说明混凝土弹性模量的三种表示方法。（9分）答：简图略，混凝土弹性模量的三种表示方法：

原点弹性模量（初始弹性模量）：过原点作切线，该切线的斜率即原点弹性模量。

/0c ce E tg σεα==混凝土的切线模量：过应力应变曲线上某一应力作切线，该切线的斜率即为相应于该应力的切线模量。//c E d d σε=变形模量：连接混凝土应力应变曲线的原点O 及曲线上某一点作割线，该割线的斜率即变形模量。 ///1c c c E tg ασε==

2．采用双筋截面的条件是什么？（6分）答：（1）当截面承受的弯矩组合设计值较大，截面尺寸受到限制，混凝土强度不宜提高的情况下。（2）梁截面承受异号弯矩时。（2）构

造要求。

3．试说明引起后张法预应力混凝土构件应力损失的主要原因和预防措施。（10分）答：后张法预应力混凝土构件应力损失的主要原因有：

预应力钢筋与管道壁间摩擦引起的应力损失；锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失；混凝土弹性压缩引起的应力损失；钢筋松弛（徐舒）引起的应力损失；混凝土的收缩和徐变引起的应力损失。

预防措施有：可采用两端张拉、超张拉，选用变形小的锚具，采用低松弛预应力筋等。1．简述设置预拱度的目的，及按《公路桥规》规定如何设置预拱度？（6分）答：设置预拱度的目的：设置预拱度的目的是为了消除结构重力这个长期荷载引起的变形，另外，希望构件在平时无静活载作用时保持一定的拱度。

设置要求：当由短期效应组合并考虑长期效应影响产生的长期挠度不超过L/1600，可不设置预拱度；当不符合上述规定时则应设置预拱度。预拱度值＝结构自重长期挠度＋1/2可变荷载频遇值长期挠度。

2．简述适筋梁、超筋梁和少筋梁的的主要破坏特点。(9分) 答：适筋梁破坏始于受拉钢筋的屈服，而后受压混凝土压碎。由于破坏是由钢筋先屈服，钢筋塑性伸长得到充分发展，破坏前梁的裂缝发生、发展，挠度变形较大，属“塑性破坏”。超筋破坏是在钢筋较多的情况下，破坏时钢筋应力尚小于屈服强度，破坏始于受压混凝土先被压碎。破坏前，梁的裂缝不宽，挠度也不大，无明显破坏预兆，属“脆性破坏”。少筋梁在开裂前，荷载一挠度曲线基本为直线，梁一旦开裂，受拉钢筋立即达到屈服强度，挠度陡增，裂缝少而宽。沿梁高延伸，使梁的承载力很快丧失。破坏较突然属“脆性破坏”。

3．为什么预应力混凝土结构必须采用高强度等级的混凝土和高强钢筋？（10分）

答：（1）预应力混凝土结构施工的通常做法是张拉钢筋，使其伸长后再加以锚固，将其反

力传递于混凝土，造成钢筋受拉而混凝土受压的预应力状态。这种预应力状态必须依靠高强度钢筋的张拉和回压来建立，混凝土由于受到很高的压应力也必须采用高强度等级的混凝土。

（2）钢材强度越高，混凝土强度级别也相应提高，只有这样才能充分发挥高强钢材的抗拉强度，有效地减小构件截面尺寸，因而也可减轻结构自重。

（3）不采用高强度的钢筋，就无法克服由于各种因素所造成的应力损失，也就不可能有效地建立预应力。

1．试绘制混凝土棱柱体试件在一次短期荷载下的应力-应变曲线图，并简述曲线的组成和特征点。答：（1）图略；（2）曲线的组成由三个阶段：上升段OC，下降段CD和收敛段DE；（3）特征点：A点对应的应力为比例极限，C点对应的应力为峰值应力，对应的应变为峰值应变，D点为反弯点，E点为收敛点

2．钢筋混凝土轴心受压短柱与长柱在破坏时表现了什么不同的破坏特点？在承载力计算中如何考虑长柱影响效应的？答：钢筋混凝土短柱破坏时，柱中部的横向挠度很小，其破坏是材料破坏即混凝土被压碎破坏。；钢筋混凝土长柱破坏前，横向挠度增加很快，使长柱的破坏来得比较突然，导致失稳破坏。

承载力计算中用短柱的承载力乘以稳定系数即考虑构件长细比增大的附加效应使构件的承载力降低的计算系数来考虑长柱的影响效应。

-b)h ξ

3．预应力混凝土构件的优越性主要有哪些？不足之处体现在哪些方面？（11分） ．．答：预应力混凝土结构的优越性主要有：（1）提高肋构件的抗裂度和刚度。

（2）可以节省材料，减少自重。（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）预应力可作为结构构件连接的手段。

不足之处：（1）工艺复杂，对施工质量要求甚高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。

（2）需要有专门设备，如：张拉机具、灌浆设备等。先张法需要有张拉台座；后张法还要耗用数量较多、质量可靠的锚具等。（3）预应力反拱度不易控制。（4）预应力混凝土结构的开工费用较大，对于跨径小、构件数量少的工程，成本较高。

1．在进行钢筋混凝土结构构件计算时，为什么除满足承载力要求外还必须满足裂缝宽度和变形的要求？（5分）答：（1）还必须满足裂缝宽度的要求：a 、使用功能要求 ；b 、外观要求，心理界限；c 、 耐久性的要求 ；

（2）还必须满足变形的要求：a 、挠度过大，损坏使用功能；b 、使相邻构件开裂、压碎；c 、心理安全 ；d 、挠度过大，发生振动，动力效应。

2．试绘出第二类单筋T 形截面梁的截面承载力计算图示，并写出其基本计算公式和适用条件。（8分）

3．试述预应力混凝土受弯构件从预加应力到承受外荷载，直至最后破坏的各个阶段。给梁施加预应力是为了提高梁的承载力吗？为什么？（12分）

试绘出第二类单筋T 形截面梁的截面承载力计算图示，并写出其基本计算公式和适用条件。（8分）

答：（1）计算简图：

（2）基本公式：

（3）适用条件：

3．（12分）答：预应力受弯构件的破坏过程（三个主要阶段）：（一）施工阶段1、预加力阶段——施加预加力的全过程2、运输、安装阶段

（二）正常使用（营运）阶段（1）加载至手拉边缘混凝土预压应力为零（弹性阶段）

（2）加载至受拉区裂缝即将出现（弹性）（3）带裂缝工作阶段

（三）破坏阶段

承载能力不提高，因为在正常配筋范围内，预应力混凝土受弯构件的破坏弯矩主要与构件的组成材料受力性能有关，其破坏弯矩值与同条件普通钢筋同梁的破坏弯矩值几乎相同，只是大大改善了结构在正常使用阶段的工作性能。

1．与匀质弹性材料梁的变形计算相比，钢筋混凝土梁的变形计算有何不同？为什么？答：主要是使用阶段的刚度不同。对匀质弹性材料而言，当截面和材料一定时，截面刚度就是常数，弯矩M 和挠度f 成线性关系。对钢筋混凝土梁而言，裂缝出现后的带裂缝工作阶段，混凝土的变形模量降低，由于受拉区混凝土开裂，梁的惯性矩发生变化，刚度下降，挠度f 比弯矩M 增加得快，因而其计算刚度不能取EI ，刚度B 沿梁长是一个变数。

2．钢筋混凝土适筋梁受力破坏经历了哪几个工作阶段？简述各阶段中正截面上应力的变化情况。答：（1）经历了三个阶段：第Ⅰ阶段：梁没有裂缝，第Ⅱ阶段：梁带裂缝工())2())2(0(00f f f cd cd u d s

sd i i cd cd h h h b b f x h bx f M M A f b b h f bx f '-'-'+-=≤=-''+γ可不验算）()2()1(min ρρξξ≥≤b

作，第Ⅲ阶段：破坏阶段。

（2）第Ⅰ阶段：梁全截面工作，拉应力和压应力其本呈三角形分布，纵向钢筋承受正向拉应力。混凝土处于弹性工作阶段，应力与应变成正比。第Ⅰ阶段末：混凝土受压区其本呈三角形分布，受拉区混凝土的应力图形呈曲线形，受拉边缘混凝土拉应变临近极限拉应变，拉应力达到混凝土的抗拉强度。裂缝将要出现。第Ⅱ阶段：在裂缝截面上，拉区混凝土退出工作，钢筋承担所有的拉力，应力重新分布，压应力不再呈三角形分布，而形成微曲的曲线形，中和轴位置上移。第Ⅱ阶段末：钢筋应变达到屈服时的应变值，应力达到屈服强度。第Ⅲ阶段：钢筋拉应变增加很快，应力维持屈服强度不变，裂缝急剧开展，中和轴上升，受压区不断缩小，压应力不断增大。第Ⅲ阶段末：混凝土受压边缘应变达到极限压应变，压应力呈明显曲线形，压区混凝土压碎，构件破坏。

3．简述后张法预应力混凝土的施工工艺流程。与先张法相比有何相同和不同点。（8分） 答：（1）工艺流程：先浇混凝土，预留孔道，待混凝土达到要求强度后，将预应力筋插入孔道，张拉钢筋，并锚固在构件上，最后在孔道里注水泥浆。（2）相同：都可以获得预应力（3）不同（a ）施工工艺不同：先张法是张拉钢筋，再浇筑混凝土。（b ）建立预应力的方法不同：先张法是靠粘结力来传递并保持预应力的，后张法是靠锚具来传递和保持预应力的.（c ）有效预应力不同

1．什么是张拉控制应力？后张法预应力混凝土构件从施工阶段到使用阶段所发生的预应力损失分别有哪些？试述相应阶段的有效预应力。（12分）答：.张拉控制应力是指预应力钢筋锚固前张拉钢筋的千斤顶所显示的总拉力除以预应的钢筋截面积所求得的钢筋应力值。预应力损失有：预应力筋与管壁之的摩擦引起的应力损失，锚具变形钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失，混凝土弹性压缩引起的预应力损失，钢筋松弛引起的预应力损失，混凝土的改收缩和徐变引起应力损失。

施工阶段：2345(0.5)pe con l l l l σσσσσσ=-+++

使用阶段：23456()pe con l l l l l σσσσσσσ=-++++

2．采用双筋截面的条件是什么？（5分）答：（1）当截面承受的弯矩组合设计值较大，截面尺寸受到限制，混凝土强度不宜提高的情况下。（2）梁截面承受异号弯矩时。（2）构造要求。

3．钢筋混凝土梁的最大裂缝W fk与哪些因素有关？如裂缝值不满足要求，从设计角度而言可采取哪些措施？（8分）

答：（1）有关的因素有：钢筋表面形状，作用长期效应影响，构件受力性质，纵向受拉钢筋直径，纵向受拉钢筋配筋率，钢筋的弹性模量，由作用短期效用组合引起开裂截面纵向受拉钢筋在使用荷载作用下的应力。

（2）减小钢筋直径，适当增加纵向钢筋的纵向配筋率，增加截面的有效高度，采用带肋钢筋等。