第4章 轴心受力构件的性能 思考题参考答案
2013年华南理工大学_钢筋混凝土结构随堂练习_参考答案
第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第01章钢筋和混凝土材料的力学性能·1.1 钢筋）确定的。
参考答案：第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第01章钢筋和混凝土材料的力学性能·1.4钢筋与混凝土的粘结第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第01章钢筋和混凝土材料的力学性能·1.5轴心受力构件的应力分析第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第01章钢筋和混凝土材料的力学性能·1.6 混凝土的时随变形——收缩和徐变第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第02章梁的受弯性能的试验研究、分析·2.1 受弯性能的试验研究第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第02章梁的受弯性能的试验研究、分析·2.2 配筋率对梁的破坏特征的影响参考答案：第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第02章梁的受弯性能的试验研究、分析·2.4《规范》采用的极限弯矩计算方法第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第03章结构设计原理、设计方法·3.1 结构设计的要求第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第03章结构设计原理、设计方法·3.2 概率极限状态设计法第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第03章结构设计原理、设计方法·3.3 概率极限状态设计法的实用设计表达式参考答案：第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第04章受弯构件正截面承载力计算·4.1 概说第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第04章受弯构件正截面承载力计算·4.2 单筋矩形截面参考答案：案：D参考答案：参考答案：A参考答案：C第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第05章受弯构件斜截面承载力计算·5.4 弯起钢筋第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第07章受扭构件承载力计算·7.3 纯扭构件的承载力计算第 1 篇钢筋混凝土结构构件·第08章受压构件承载力计算·8.2 轴心受压柱的承载力计算。
混凝土结构设计原理简答题部分答案
《混凝土结构设计原理》第1章概论1.钢筋与混凝土共同工作的基础条件是什么？答：混凝土和钢筋协同工作的原因是：（1）钢筋与混凝土之间产生良好的粘结力，使两者结合为整体；（2）钢筋与混凝土两者之间线膨胀系数几乎相同，两者之间不会发生相对的温度变形使粘结力遭到破坏；（3）设置一定厚度混凝土保护层，混凝土的碱性环境使钢筋不易发生锈蚀，遇到火时不致因钢筋很快软化而导致结构破坏；（4）钢筋在混凝土中有可靠的锚固。
混凝土结构的特点是什么？答：优点——取材容易、合理用材、整体性好、耐久性好、耐火性好可塑性好缺点——自重大、抗裂性差、施工复杂、施工周期长、施工受季节影响、结构隔热隔声性能差、修复加固困难。
第2章钢筋和混凝土的力学性能《规范》规定混凝土强度等级答：混凝土强度等级有C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 共十四个等级，其中C50以下的为普通混凝土，C50以上的为高强度等级混凝土2.什么叫混凝土徐变？引起徐变的原因有哪些？答：（1）混凝土结构或材料在不变的应力或荷载长期持续作用下，混凝土的变形或应变随时间而缓慢增长的现象称为混凝土的徐变。
（2）内在因素：混凝土的组成成分是影响徐变的内在因素。
水泥用量越多，徐变越大。
水灰比越大，徐变越大。
集料的弹性模量越小徐变就越大。
构件尺寸越小，徐变越大。
环境因素：混凝土养护及使用时的温度是影响徐变的环境因素。
温度越高、湿度越低，徐变就越大。
若采用蒸汽养护则可以减少徐变量的20%-25%。
应力因素：施加初应力的大小和加荷时混凝土的龄期是影响徐变的应力因素。
加荷时混凝土的龄期越长，徐变越小。
加荷龄期相同时，初应力越大，徐变也越大。
3.钢筋冷加工的目的是什么？冷加工方法有哪几种？简述冷拉方法？答：（1）钢筋冷加工目的是为了提高钢筋的强度，以节约钢材。
除冷拉钢筋仍具有明显的屈服点外，其余冷加工钢筋无屈服点或屈服台阶，冷加工钢筋的设计强度提高，而延性大幅度下降。
第4章练习题参考答案
第4章练习题参考答案第4章练习题参考答案第四章练习题参考答案【4-1】已知某轴心受拉杆的截面尺寸300400b h mm mm=?，配有820φ钢筋，混凝土和钢筋的材料指标为：22.0/tf N mm =，42.110cE =?2/N mm ，2270/yfN mm =，522.110/s E N mm =?。
试问此构件开裂时和破坏时的轴向拉力分别为多少？【解】配820φ钢筋，查混凝土结构设计规范（GB50010-2010）附录A ，表A.0.1得22513sA mm =。
25132.09%3.0%300400s A bh ρ===300400120000A bh mm ==?=，542.110102.110s E c E E α?===?（1）由式（4-5），开裂荷载为 0(1)(1)tcrcEt tEN E A f A αρεαρ=+=+2.0120000(1100.0209)=??+?290160N= 209.16kN =（2）由式（4-7），构件的抗拉极限承载力为2702513678510678.51tuysN f A N kN ==?==【4-2】已知某钢筋混凝土轴心受拉构件，截面尺寸为200300b h mm mm ?=?，构件的长度2000l mm =，混凝土抗拉强度22.95/tfN mm =，弹性模量422.5510/cEN mm =?，纵向钢筋的截面积2615sAmm =，屈服强度2270/yfN mm =，弹性模量522.110/sEN mm =?，求（1）若构件伸长0.2mm ，外荷载是多少？混凝土和钢筋各承担多少外力？（2）若构件伸长0.5mm ，外荷载是多少？混凝土和钢筋各承担多少外力？（3）构件开裂荷载是多少？即将开裂时构件的变形是多少？（4）构件的极限承载力是多少？【解】615 1.025% 3.0%200300s A bh ρ===220030060000A bh mm ==?=542.1108.2352.5510s E c E E α?===?，442.95 1.157102.5510t t c f E ε-===??（1）○1由0.2l mm ?=可知，构件的应变为 440.2 1.010 1.157102000t l l εε--?===?<=? 构件未开裂，处于弹性工作状态，csεεε==，构件所受的拉力为44(1) 2.551060000(18.235 1.025%) 1.010t c E N E A αρε-=+=+3165.9110N=?165.91kN=○2此时混凝土承担的外力 4432.5510 1.010********.010153.0ts c N E A N kNε-===?=○3钢筋承担的外力165.91153.012.91ts t tc N N N kN=-=-=（2）○1由0.5l mm ?=可知，构件的应变为4400.52.510 1.157102000t l l εε--?===?>=?，且35270 1.286102.110y y sf E εε-<===??构件开裂，钢筋未屈服，sεε=，构件所受的拉力为542.110 2.51061532287.532.29t s s N E A N kNε-====○2此时，混凝土开裂，在开裂处混凝土应力0c σ= ○3钢筋的应力5422.110 2.51052.5/s s E N mm σε-=== （3）○1开裂荷载为 0(1)tcrcEt N E A αρε=+442.551060000(18.235 1.025%) 1.15710-=+191.96kN=○2即将开裂时构件的变形 41.1571020000.23t l l mm ε-?=?=??=（4）构件的极限承载力为 270615166050166.05tuysN f A N kN ==?==【4-3】某钢筋混凝土轴心受拉构件的截面尺寸为300300b h mm mm ?=?，配有822的纵向受力钢筋，已知22.3/t f N mm =，422.410/c E N mm =?，2345/y f N mm =，521.9610/s E N mm =?。
第4章轴心受力构件1211
轴 心 受 力 构 件
强度 （承载能力极限状态） 轴心受拉构件 刚度 （正常使用极限状态） 强度 轴心受压构件 稳定 刚度 （正常使用极限状态）
（承载能力极限状态）
设计轴心受拉构件时，应根据结构用途、构件受 力大小和材料供应情况选用合理的截面形式，并对所 选截面进行强度和刚度计算。 设计轴心受压构件时，除使截面满足强度和刚度 要求外尚应满足构件整体稳定和局部稳定要求。实际
结构构件，稳定计算比强度计算更为重要。强度问题与 稳定问题虽然均属第一极限状态问题，但两者之间概念 不同。强度问题关注在结构构件截面上产生的最大内力 或最大应力是否达到该截面的承载力或材料的强度，强 度问题是应力问题；而稳定问题是要找出作用与结构内 部抵抗力之间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长
的状态，属于变形问题。
N f An ,1 其中：An ,1 b n1 d 0 t ;
f 钢材强度设计值 ; d 0 螺栓孔直径； b 主板宽度；t 主板厚度。
拼接板的危险截面为2-2截面。
考虑孔前传力50%得： 2-2截面的内力为：
2
t1 t b
N
b1
N
0.5n2 N 0.5 N 1 n 2 n2 计算截面上的螺栓数； n 连接一侧的螺栓总数。 N f 其中：An , 2 b1 n2 d 0 t 1 ; An , 2
上，只有长细比很小及有孔洞削弱的轴心受压构件，
才可能发生强度破坏。一般情况下，由整体稳定控制 其承载力。 轴心受压构件丧失整体稳定常常是突发性的，容 易造成严重后果，应予以特别重视。
§4-2 轴心受力构件的强度和刚度
一、强度计算（承载能力极限状态）
钢结构原理-第4章轴心受力构件
存在，且都是变量，再 加上材料的弹塑性，轴 压构件属于极值点失稳， 其极限承载力Nu很难用 解析法计算，只能借助 计算机采用数值法求解。
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
缺陷通常只考虑影响最大的残余应力和初弯曲（l/1000）。 采用数值法可以计算出轴压构件在某个方向（绕 x 或 y 轴）的 柱子曲线，如下图，纵坐标为截面平均应力与屈服强度的比值， 横坐标为正则化长细比。
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.1 概述
4.1.1 定义：构件只承受轴心力的作用。 承受轴心压力时称为轴心受压构件。 承受轴心拉力时称为轴心受拉构件。
N
N
N
N
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.1.2 轴心受力构件的应用 平面及空间桁架（钢屋架、管桁架、塔桅、网架等）； 工业及民用建筑结构中的一些柱； 支撑系统；等等。
(a) N
(b) N
Hale Waihona Puke (c) NNN
N
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.4.3 理想轴心受压构件的弯曲屈曲 4.4.3.1 弹性弯曲屈曲
取隔离体，建立平衡微分方程
EyIN y0
用数学方法解得：N 的最 小值即分岔屈曲荷载 Ncr，又称 为欧拉荷载 NE 。
Ncr2EI/l2
对应的临界应力为：
《钢结构原理》 第4章 轴心受力构件
4.4 轴心受压构件的整体稳定
概念：在压力作用下，构件的外力必须和内力相平衡。 平衡有稳定、不稳定之分。当为不稳定平衡时，轻微的扰 动就会使构件产生很大的变形而最后丧失承载能力，这种 现象称为丧失稳定性，简称失稳，也称屈曲。 特点：与强度破坏不同，构件整体失稳时会导致完全 丧失承载能力，甚至整体结构倒塌。失稳属于承载能力极 限状态。与混凝土构件相比，钢构件截面尺寸小、构件细 长，稳定问题非常突出。只有受压才有稳定问题。
钢结构 武汉理工大学出版社 课后习题答案
钢结构课后习题答案（仅供参考）第三章 钢结构的连接3.1 试设计双角钢与节点板的角焊缝连接（图3.80）。
钢材为Q235B ，焊条为E43型，手工焊，轴心力N=1000KN （设计值），分别采用三面围焊和两面侧焊进行设计。
解：（1）三面围焊 2160/wf f N mm = 123α=213α= 确定焊脚尺寸：,max min 1.2 1.21012f h t mm ≤=⨯=，,min 5.2f h mm ≥==， 8f h mm = 内力分配：30.7 1.2220.78125160273280273.28w f f f N h b f N KN β=⋅⋅⋅=⨯⨯⨯⨯⨯==∑3221273.281000196.69232N N N KN α=-=⨯-= 3112273.281000530.03232N N N KN α=-=⨯-=焊缝长度计算：11530.032960.720.78160w wf fN l mm h f ≥==⋅⨯⨯⨯∑， 则实际焊缝长度为 1296830460608480wf l mm h mm '=+=≤=⨯=，取310mm 。
22196.691100.720.78160w wf fN l mm h f ≥==⋅⨯⨯⨯∑， 则实际焊缝长度为 2110811860608480wf l mm h mm '=+=≤=⨯=，取120mm 。
（2）两面侧焊确定焊脚尺寸：同上，取18f h mm =， 26f h m m = 内力分配：22110003333N N KN α==⨯=， 11210006673N N KN α==⨯= 焊缝长度计算：116673720.720.78160w wf f N l mm h f ≥==⋅⨯⨯⨯∑， 则实际焊缝长度为:mm h mm l f w48086060388283721=⨯=<=⨯+='，取390mm 。
223332480.720.76160w wf fN l mm h f ≥==⋅⨯⨯⨯∑， 则实际焊缝长度为:mm h mm l f w48086060260262481=⨯=<=⨯+='，取260mm 。
第四章 轴心受力构件的性能与计算
第四章轴心受力构件的性能与计算1、为什么轴心受拉构件开裂后，当裂缝增至一定数量时，不再出现新的裂缝？答：相邻裂缝之间距离不足以使将混凝土开裂的拉力传递给混凝土。
2、如何确定受拉构件的开裂荷载和极限荷载？答：开裂荷载：混凝土与钢筋的应变达到混凝土的峰值应变。
极限荷载：钢筋达到屈服强度。
3、在轴心受压短柱的短期荷载试验中，随着荷载的增加，钢筋的应力增长速度和混凝土的应力增长速度那个快？为什么？答：钢筋的增长速度快。
钢筋的弹性模量大。
4、如何确定轴心受压短柱的极限承载力？为什么在轴压构件中不宜采用高强钢筋？答：极限承载力：混凝土的应变达到峰值。
当钢筋的抗压强度大于400MPa时，只取400。
5、构件设计时，为什么要控制轴心受力构件的最小配筋率？如何确定轴心受拉和轴心受压构件的最小配筋率？答：为保证所设计的极限承载力大于截面的开裂弯矩，避免在极限状态下出现脆性破坏。
最小配筋率近似等于f t/f y。
6、配有普通箍筋的钢筋混凝土轴心受压构件中，箍筋的作用主要是什么？答：防止纵向钢筋压屈，并与纵筋形成钢筋骨架，使截面中间部分混凝土成为约束混凝土，提高构件的强度和延性。
7、钢筋混凝土轴心受压构件在长期荷载作用下，随着荷载作用时间的增长，钢筋的应力和混凝土的应力各发生什么变化？混凝土的徐变是否会影响短柱的承载力？答：徐变使钢筋的变形也随之变大，钢筋的应力相应地增大，混凝土的应力减小。
8、钢筋混凝土轴心受压构件的承载力计算公式中为什么要考虑稳定系数φ，稳定系数φ与构件两端的约束情况有何关系？答：柱子的长细比对轴心受压强度有较大的影响。
两端铰接：l0=H 一端自由，一端固定：l0=2H一端固定，一端铰接：l0=0.7H 一端固定，一段滑动：l0=0.5H9、为什么长细比l0/b>12的螺旋筋柱，不考虑螺旋筋对柱承载力的有利作用？答：此时的长细比比较大，易发生失稳现象。
10、如箍筋能起到约束混凝土的横向变形作用，则轴心受压短柱的承载力将发生什么变化？为什么？答：承载力将变大。
钢结构轴心受压答案
；
（2）强度验算：
查表5.1，
由于 可正、可负，故由 产生的应力可使翼缘压应力增大（或减少）、也可使腹板压应力增大（或减少）。即：
所以，强度满足要求且腹板边缘起控制作用。
（3）弯矩作用平面内稳定验算：
查附表4.2得：
有端弯矩和横向荷载共同作用且产生同向曲率，故 。
由前可知，腹板起控制作用，所以：
还应验算腹板是否可能拉屈：
，b类截面，按 查表得
，承载力无太明显的提高。
（3）如果轴心压力为330KN（设计值），I16能否满足要求？如不满足，从构造上采取什么措施就能满足要求？
8距uuuuuuuuuuuujuu因为 ，所以整体稳定不满足。
在侧向加一支撑，重新计算。
，b类截面，查表得
，整体稳定满足。
4.6 设某工业平台柱承受轴心压力5000KN（设计值），柱高8m，两端铰接。要求设计一H型钢或焊接工字形截面柱。
（1）截面几何特征
强度验算：
因为： ，故可以考虑截面塑性发展。
（3）弯矩作用平面内的稳定验算：
， 查附表4.2得
对x轴为悬臂构件，故
（4）弯矩作用面外的稳定验算：
因上半段和下半段支撑条件和荷载条件一致，故：
查附表4.2得
构件对y轴无论是上半段、还是下半段均为两端支撑，在弯矩作用平面内有端弯矩且端弯矩相等而无横向荷载，故 ，
（4）验算弯矩作用平面外的稳定：
绕对称轴的长细比应取计入扭转效应的换算长细比 ，可采用简化计算方法确定：
根据教材85页，有：
因此：
属于b类截面，查附表4.2得：
①弯矩使翼缘受压时：
与对x轴相同，取
②弯矩使翼缘受拉时：
由于腹板的宽厚比
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第4章 思考题参考答案
【4-1】为什么轴心受拉构件开裂后，当裂缝增至一定数量时，不再出现新的裂缝？
在裂缝处的混凝土不再承受拉力，所有拉力均由钢筋来承担，钢筋通过粘结力将拉力再传给混凝土。
随着荷载的增加，裂缝不断增加，裂缝处混凝土不断退出工作，钢筋不断通过粘结力将拉力传给相邻的混凝土。
当相邻裂缝之间距离不足以使混凝土开裂的拉力传递给混凝土时，构件中不再出现新裂缝。
【4-2】如何确定受拉构件的开裂荷载和极限荷载？
（1） 当0t t εε=时，混凝土开裂，这时构件达到的开裂荷载为：
000(1)tcr c t c E t N E A E A εαρε==+
（2） 钢筋达到屈服强度时，构件即进入第Ⅲ阶段，荷载基本维持不变，但变形急剧增加，这时构件达到其极限承载力为：
tu y s N f A =
【4-3】 在轴心受压短柱荷载试验中，随着荷载的增加，钢筋的应力增长速度和混凝土的应力增长速度哪个快？为什么？
（1）第Ⅰ阶段，开始加载到钢筋屈服。
钢筋增长速度较快。
此时若忽略混凝土材料应力与应变关系之间的非线性关系，则钢筋与混凝土的应力分别为s E ε和c E ε，由于s c E E >，因此钢筋增长的速度较快，若考虑混凝土非线性的影响，此时混凝土应力与荷载关系呈一条上凸的曲线，则钢筋增长的速度相对混凝土更快。
（2）第Ⅱ阶段，钢筋屈服到混凝土被压碎。
混凝土增长速度较快。
当达到钢筋屈服后，此时钢筋的应力保持不变，增加的荷载全部由混凝土承担，混凝土的应力加速增加，应力与荷载关系由原来的上凸变成上凹。
（图4-9）
【4-4】如何确定轴心受压短柱的极限承载力？为什么在轴压构件中不宜采用高强钢筋？
（1）当00.002εε==时，混凝土压碎，短柱达到极限承载力
cu c y s N f A f A ''=+
（2）由于当轴压构件达到极限承载力时00.002s εεε'===，相应的纵筋应力值为：
3
2
200100.002400/s s s E N m m σε''=≈⨯⨯=
由此可知，当钢筋的强度超过2
400/N mm 时，其强度得不到充分发挥，因此不宜采用
高强钢筋。
【4-5】 构件设计时，为什么要控制轴心受力构件的最小配筋率？如何确定轴心受拉和轴心受压构件的最小配筋率？
（1）轴心受拉构件，为保证所设计截面的极限承载力大于截面的开裂荷载，避免在极限状态下出现脆性破坏，需要控制最小配筋率；而轴心受压构件限制纵筋最小配筋率的主要作用是防止构件出现脆性破坏。
（2）轴心受拉构件可按的最小配筋率可按极限抗拉承载力和开裂荷载相等的原则来确定。
即m in m in 0(1)y s c E t t f A E A Af αρε=+≈；m in m in s t y
A f A
f ρ=
≈。
实际应用时中不同的规范还可能对m in ρ的值作适当调整。
轴心受压构件与受拉类似，不同规范对轴心受压构件中纵筋最小配筋率的取值各不相同。
【4-6】 配有普通箍筋的钢筋混凝土轴心受压构件中，箍筋的作用是什么？
配有普通箍筋的钢筋混凝土轴心受压构件中，箍筋的作用是防止纵向钢筋压屈，并与纵筋形成钢筋骨架，便于施工。
【4-7】 钢筋混凝土轴心受压构件在长期荷载作用下，随着荷载作用时间的增长，钢筋的应力和混凝土的应力各发生什么变化？混凝土的徐变是否会影响短柱的承载力？
钢筋混凝土轴心受压构件在长期荷载作用下，随着荷载作用时间的增长，由于混凝土徐变的影响，钢筋的压应力不断增加，混凝土的压应力不断减少。
（图4-10，图4-11）
混凝土徐变不会影响短柱的承载力，这是因为柱的承载力为：cu c y s N f A f A ''=+，据此公式可知，与混凝土徐变无关，徐变只是使钢筋与混凝土之间产生应力重分布。
4-8 钢筋混凝土轴心受压构件的承载力计算公式中为什么要考虑稳定系数ϕ，稳定系数ϕ与构件两端的约束情况有何关系？
稳定系数ϕ为长柱轴心抗压承载力与相同截面、相同材料和相同配筋的短柱抗压承载力的比值。
因为长柱在轴心压力作用下，不仅发生压缩变形，同时还产生横向挠度，出现弯曲现象。
初始偏心距产生附加弯矩，附加弯矩又增大了横向的挠度，这样相互影响，导致长柱最终在弯矩和轴力共同作用下发生破坏，致使长柱承载力降低。
因此，需要考虑ϕ的影响。
稳定系数ϕ主要与构件的长细比有关（表4-1），其中长细比中的0l 为构件的计算长度，
而
l的确定与构件两端的约束直接有关。
4-9 为什么长细比
0/12
l b≥的螺旋筋，不考虑螺旋筋对柱承载力的有利作用？
当
0/12
l b≥时，此时长细比较大，由于初始偏心距引起的侧向弯曲和附加弯矩的影响而使构件的承载力降低，螺旋筋有可能不能发挥作用，因此不考虑其的有利作用。
4-10 如箍筋能起到约束混凝土的横向变形作用，则轴心受压短柱的承载力将发生什么变化？为什么？
（1）此时短柱的承载能力提高。
（2）因为箍筋约束混凝土的横向变形，对它施加径向压力，使核心混凝土处于三向受压状态。