第三章结构设计原理
《机车总体结构及设计》03走行部原理及基本结构
二、轴箱定位装置结构形式 （1）固定定位
轴箱与转向架侧架铸成一体，或是轴箱 与侧架用螺栓及其其它紧固件连接为一个整体， 轴箱与侧架之间不能产生任何相对运动。
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第三章 走行架 轮对 轴箱 弹簧悬挂元件 减振元件 驱动机构 基础制动装置
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第一节 机车转向架概述
转向架的任务（作用）：
承受重量辅体力（车体、动力装置及辅助装置）； 保证黏着传递力； 缓和冲击保平稳； 通过曲线制动力。
组成：相对廉价制簧区
（6）拉杆式定位
拉杆两端分别与构架和轴箱相连，拉杆 可以允许轴箱与构架在上下方向有较大的相对 位移。拉杆橡胶垫、套分别限制轴箱与构架之 间的横向与纵向的相对位移，实现弹性定位。
（7）转臂式定位
又称弹性铰定位，定位转臂一端与圆筒 形的轴箱体固结，一端以橡胶弹性节点与焊在 构架上的安装座相连接。
（8）橡胶弹簧定位
固定定位
（2）导框式定位
轴箱上有导槽，构架（或侧架）的导框 插入轴箱的导槽内，这种结构允许轴箱与构架 或侧架之间在铅垂方向有较大的相对位移，但 在前后、左右方向仅能在允许的间隙范围内， 有相对小的位移。
导框 轴箱
导框式定位
（3）干摩擦导柱式定位
安装在构架上的导柱及坐落在弹簧托盘 上的支持环均装配有磨耗套，车辆上下振动时 磨耗套之间是干摩擦。它的定位作用是由于轴 箱橡胶垫产生不同方向的剪切变形，实现弹性 定位作用。
滚动轴承轴箱具有起动阻力小、维护方便、节油、节省有 色金属等优点，所以目前机车上均采用滚动轴承轴箱。
叶见曙结构设计原理第四版第3章
3.2 受弯构件正截面受力全过程和破坏形态
图3-9所示跨径为1.8m的钢筋混凝土简支梁作为试验梁， 矩形梁截面尺寸为b×h=100mm×160mm，配有2ϕ10钢筋。试 验梁混凝土棱柱体抗压强度实测值 fc=20.2MPa，纵向受力钢 筋抗拉强度实测值 fs=395MPa。
18 图3-9 试验梁布置示意图（尺寸单位：mm）
钢筋未屈服。 （2）破坏时，弯曲竖向裂缝宽度小，钢筋混凝土梁的
跨中变形（下挠）小，结构破坏前的无明显预兆，为脆性 破坏。
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3）少筋梁破坏——脆性破坏
（ρ<ρmin）
图3-13 梁的破坏形态 c) 少筋梁破坏
钢筋混凝土梁弯曲裂缝一旦出现，钢筋应力立即达到 屈服强度，这时的配筋率称为最小配筋率ρmin。
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• 少筋梁破坏特征 （1）钢筋混凝土梁弯曲竖向裂缝一出现，裂缝处受拉钢
筋立即屈服，梁破坏。 （2）受拉钢筋经历整个流幅，并进入强化阶段，梁仅出
现一条集中裂缝，不仅混凝土裂缝宽度较大，且沿梁高延 伸很高，截面受压区混凝土尚未被压碎。
（3）截面失效是以裂缝出现或变形值控制。 少筋梁截面的抗弯承载力取决于混凝土的抗拉强度，在 桥梁工程中不允许采用。
纵向受力钢筋的拉应力随荷载的增加而增加； 形成微曲的曲线形分布的混凝土压应力接近三 角形分布，截面中和轴位置向上移动。
第 II 阶段末：纵向受力钢筋拉应变达到屈服 时的应变值，表示钢筋应力达到其屈服强度， 第II阶段结束。
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第III阶段：在这个阶段里，纵向受力钢 筋的拉应变增加很快，但热轧钢筋的拉应 力一般仍维持在屈服强度不变。
并不少于主钢筋截面积的1/4。
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（2）分布钢筋
分布钢筋 —— 是在主钢筋上按一定间距设置，起连接作 用的横向钢筋，属于构造配置钢筋。
结构设计原理知识点
第一章 钢筋混凝土结构基本概念及材料的物理力学性能1.混凝土立方体抗压强度cu f ：（基本强度指标）以边长150mm 立方体试件，按标准方法制作养护28d ，标准试验方法（不涂润滑剂，全截面受压，加载速度0.15~0.25MPa/s ）测得的抗压强度作为混凝土立方体抗压强度cu f 。
影响立方体强度主要因素为试件尺寸和试验方法。
尺寸效应关系： cu f （150）=0.95cu f （100）cu f （150）=1.05cu f （200）2.混凝土弹性模量和变形模量。
①原点弹性模量：在混凝土受压应力—应变曲线图的原点作切线，该切线曲率即为原点弹性模量。
表示为：E '=σ/ε=tan α0②变形模量：连接混凝土应力应变—曲线的原点及曲线上某一点K 作割线，K 点混凝土应力为σc （=0.5c f ），该割线（OK ）的斜率即为变形模量，也称割线模量或弹塑性模量。
E c '''=tan α1=σc /εc 混凝土受拉弹性模量与受压弹性模量相等。
③切线模量：混凝土应力应变—上某应力σc 处作一切线，该切线斜率即为相应于应力σc 时的切线模量''c E =d σ/d ε3 . 徐变变形：在应力长期不变的作用下，混凝土的应变随时间增长的现象称为徐变。
影响徐变的因素：a. 内在因素，包括混凝土组成、龄期，龄期越早，徐变越大；b. 环境条件，指养护和使用时的温度、湿度，温度越高，湿度越低，徐变越大；c. 应力条件，压应力σ﹤0.5c f ，徐变与应力呈线性关系；当压应力σ介于（0.5～0.8）c f 之间，徐变增长比应力快；当压应力σ﹥0.8c f 时，混凝土的非线性徐变不收敛。
徐变对结构的影响：a.使结构变形增加；b.静定结构会使截面中产生应力重分布；c.超静定结构引起赘余力；d.在预应力混凝土结构中产生预应力损失。
4.收缩变形：在混凝土中凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减少的现象称为收缩。
钢筋混凝土结构设计原理 -第三章 受弯构件正截面承载力计算
1.3 钢筋的构造
混凝土保护层c(Concrete cover)
定义:钢筋边缘到构件截面的最短距离 作用:1.保证钢筋和混凝土之间的粘结
2.避免钢筋的过早锈蚀 规范给出了各种环境条件下的最小混凝土保护层厚度c(P496, 附表1-8)。
1.3 钢筋的构造
板的配筋：由于受力性能不同，现浇和预制的配筋不同。
梁的配筋
纵向受力钢筋(主钢筋)、弯起钢筋或斜钢筋、箍筋、架立筋、水平纵向钢筋
1）钢筋骨架的形式
架立钢筋
箍筋
弯起钢筋
纵向钢筋
绑扎钢筋骨架
架立钢筋
斜筋
弯起钢筋
斜筋
纵向钢筋
焊接钢筋骨架示意图
2）钢筋种类
(1)主钢筋：承受弯矩引起的拉力，置于梁的受拉区。有时在受压区也配 置一定数量的纵向受力钢筋，协助混凝土承担压应力。
数量由正截面承载力计算确定，并满足构造要求 作用：协助混凝土抗拉和抗压，提高梁的抗弯能力。 直径： d12～ d32mm,≤d40mm
排列总原则：由下至上，下粗上细，对称布置
最小混凝土保护层厚度：应不小于钢筋的公称直径，且应符合规范要求 钢筋净距：
a) 绑扎钢筋
b) 焊接钢 筋
架立筋
箍筋 主钢筋
≥≥40mm
主钢筋
c
≥ (三层及三层以下)
c
净距
≥ (三层以上)
目录
1.受弯构件的截面形式和构造 2.受弯构件正截面受力全过程及破坏形态 3.受弯构件正截面承载力计算的基本假定 4.单筋矩形截面正截面承载力计算 5.双筋矩形截面正截面承载力计算 6.T形截面受弯构件
受剪破坏：M，V作用,沿剪压区段内的某个斜截面（与梁的纵轴线 或板的中面斜交的面）发生破坏
结构设计原理 第三章 习题答案
第三章 习题参考答案习题1：解：查表f sd =280MPa ，f cd ＝11.5MPa ，f td ＝1.23MPa ，ξb ＝0.56令a s =40mm ，则h 0＝h －a s ＝500-40＝460mm 。
b f M h h x cd d 02020γ--==mm 1.1662505.11101800.1246046062=⨯⨯⨯⨯--x <ξb h 0=0.56×460＝257.6mm 满足要求。
24.17052801.1662505.11mm f bx f As sd cd =⨯⨯==选424，As=1810mm 2， b min ＝5×30+4×27＝258mm > b ＝250mm ，不满足要求。
重选328，As=1847mm 2，b min ＝4×30+3×30.5＝212mm < b ＝250mm ，满足要求。
h 0＝h －a s ＝500-(30+15)＝455mm 。
％＝％，取2.02.0%198.028023.14545min min ρρ<=⨯==sd td f f 。
%2.0%6.14552501847A min 0=>=⨯=ρρbh s ＝，满足要求。
习题2：解：查表f sd =195MPa ，f cd ＝11.5MPa ，f td ＝1.23MPa ，ξb ＝0.62由4Φ18得As ＝1018 mm 2，由a s =40mm ，得h 0＝h －a s ＝500-40＝460mm 。
％＝％，取28.02.0%28.019523.14545min min ρρ>=⨯==sd td f f ， %28.0%9.04602501018A min 0=>=⨯=ρρbh s ＝，满足要求。
mm b f As f x cd sd 0.692505.111018195=⨯⨯==，x <ξb h 0=0.62×460＝285.2mm 满足要求。
混凝土结构设计原理第三章作业及参考资料
第三章 受弯构件正截面承载力计算习题及作业一、思考题1、 试述少筋梁、适筋梁和超筋梁的破坏特征，在设计中如何控制梁的破坏形态。
2、 什么是有效截面高度、相对受压区高度、界限相对受压区高度、最小配筋率和最大配筋率？3、 梁的截面高度、截面宽度与哪些因素有关,设计中通常如何选取？4、 梁中共有几种钢筋，其作用分别是什么？5、 受弯构件计算中采用了几个基本假定,这些基本假定是什么?如何理解?6、 单筋矩形截面梁的计算方法是什么？对矩形截面受弯构件而言，为提高其受弯承载力，可采取的措施有多少种？其中最有效的是哪种？7、 何时采用双筋截面梁？双筋截面梁的计算方法是什么？双筋截面梁有少筋或超筋问题吗?如何在设计中进行控制？8、 T 形截面形成的原因？如何计算T 形截面最小配筋率，为什么? 9、 T 形截面的计算方法是什么？工程中何时采用T 形截面进行计算?10、翼缘在受拉区的T 形截面对承载力有无影响?工程中还有无应用价值？若有价值何时采用？二、作业题1、某办公楼一钢筋混凝土简支梁，梁的计算跨度m l 2.50 ，承受均布线荷载，其中可变荷载标准值为8m kN /,永久荷载标准值为9.5m kN /(不包括梁的自重），拟采用C30混凝土和HRB335级钢筋，结构安全等级为二级，环境类别为一类.钢筋混凝土容重为25m kN /3。
试设计该构件所需的纵向钢筋面积，并选配钢筋.2、某办公楼一矩形截面简支梁,截面尺寸为200X450mm 2，计算跨度4。
5m ，承受均布荷载设计值为79kN/m （含自重).结构安全等级为二级，环境类别为一类。
混凝土强度等级C30，钢筋采用HRB500级。
A 、试设计该梁？B 、若该梁已经配有HRB500级受压钢筋320，受拉钢筋需要多少？3、已知梁截面尺寸为b ×h ＝250×500mm,混凝土强度等级C30，纵向钢筋级别为HRB335，受压区配有216钢筋，受拉区配有625钢筋，试求该梁能够承受的极限弯矩是多少？4、一T 形截面梁,截面尺寸如图，混凝土强度等级C30，钢筋级别为HRB400,结构安全等级为二级,环境类别为一类.试按以下三种弯矩设计值M ，分别设计纵向受拉钢筋面积。
结构设计原理第四版课后答案叶见曙
结构设计原理第四版课后答案目录第一章 (1)第二章 (3)第三章 (5)第四、五章 (13)第六章...........16 第七、八章.......18 第九章.. (26)第一章1-1 配置在混凝土截面受拉区钢筋的作用是什么？答：当荷载超过了素混凝土的梁的破坏荷载时，受拉区混凝土开裂，此时，受拉区混凝土虽退出工作，但配置在受拉区的钢筋将承担几乎全部的拉力，能继续承担荷载，直到受拉钢筋的应力达到屈服强度，继而截面受压区的混凝土也被压碎破坏。
1-2 试解释一下名词：混凝土立方体抗压强度；混凝土轴心抗压强度；混凝土抗拉强度；混凝土劈裂抗拉强度。
答：混凝土立方体抗压强度：我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）规定以每边边长为150mm 的立方体为标准试件，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法测得的抗压强度值（以MPa 为单位）作为混凝土的立方体抗压强度，用符号cu f 表示。
混凝土轴心抗压强度：我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）规定以150mm ×150mm ×300mm 的棱柱体为标准试件，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法测得的抗压强度值（以MPa 为单位）称为混凝土轴心抗压强度，用符号c f 表示。
混凝土劈裂抗拉强度：我国交通部部颁标准《公路工程水泥混凝土试验规程》（JTJ 053-94）规定，采用150mm 立方体作为标准试件进行混凝土劈裂抗拉强度测定，按照规定的试验方法操作，则混凝土劈裂抗拉强度ts f 按下式计算：20.637ts F F f A ==πA 。
混凝土抗拉强度：采用100×100×500mm 混凝土棱柱体轴心受拉试验，破坏时试件在没有钢筋的中部截面被拉断，其平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度，目前国内外常采用立方体或圆柱体的劈裂试验测得的混凝土劈裂抗拉强度值换算成轴心抗拉强度，换算时应乘以换算系数0.9，即0.9t ts f f =。
结构的可靠度和极限状态方程
能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该
功能的极限状态。极限状态实质上是区分结构可靠与
失效的界限。
极限状态分为两类：
承载能力极限状态
—— 安全性
正常使用极限状态 —— 适用性、耐久性
通常对结构构件先按承载能力极限状态进行承载能力计算，然后根据 使用要求按正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂等验算。
抗力R均符合正态分布，
bz
因此结构的功能函数也
符合正态分布。如图：
Pf
结构功能函数 Z = R - S
Pf =P (S >R) =P(Z< 0)
z
Z=R- S
z Z 的平均值 z Z 的标准差
Pf
b
Z Z
R S
2 R
2 S
13
4 结构构件的可靠指标(reliability index)
Pf
2
第三章 结构设计方法
• 钢筋混凝土简支梁极限状态
表 4.1 钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念
结构的功能
可靠
极限状态
失效
安全性 受弯承载力 适用性 挠度变形
M < Mu f < [f]
M = Mu f = [f]
M > Mu f > [f]
耐久性 裂缝宽度 wmax< [wmax] wmax= [wmax] wmax> [wmax]
★永久荷载G ★可变荷载Q
S CG G CQ1 Q1 ★偶然荷载（作用）
◆实际作用在结构上的荷载大小具有不定性，应当按随机变量， 采用数理统计的方法加以处理。这样确定的荷载是具有一定 概率的最大荷载值，该值称为荷载标准值（符号Gk，Qik）。
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第三章 轴心受力构件
本章的意义和内容：在设计以承受恒荷载为主的多层房屋的内柱及桁架的腹杆等构件时，可近似地按轴心受力构件计算。
轴心受力构件有轴心受压构件和轴心受拉构件。
本章主要讲述轴心受压构件的正截面受压承载力计算、构造要求，以及轴心受拉构件的受拉承载力计算等问题。
本章习题内容主要涉及：
轴心受压构件——荷载作用下混凝土和钢筋的应力变化规律；稳定系数ϕ的确定；配有纵筋及普通箍筋柱的强度计算；配有纵筋及螺旋形箍筋柱的强度计算；构造要求。
轴心受拉构件——荷载作用下构件的破坏形态；构件的强度计算。
一、概 念 题
（一）填空题
1. 钢筋混凝土轴心受压构件计算中，ϕ是 系数，它是用来考虑 对柱的承载力的影响。
2. 配普通箍筋的轴心受压构件的承载力为u N = 。
3. 一普通箍筋柱，若提高混凝土强度等级、增加纵筋数量都不足以承受轴心压力时，可采用 或 方法来提高其承载力。
4. 矩形截面柱的截面尺寸不宜小于 mm 。
为了避免矩形截面轴心受压构件长细比过大，承载力降低过多，常取≤l 0 ，≤h l 0 （0l 为柱的计算长度，b 为矩形截面短边边长，h 为长边边长）。
5.《混凝土结构设计规范》规定，受压构件的全部纵筋的配筋率不应小于 ，且不宜超过 ；一侧纵筋的配筋率不应小于 。
6.配螺旋箍筋的钢筋混凝土轴心受压构件的正截面受压承载力为
sso y s y cor c u 2(9.0A f A f A f N α+''+=），其中，α是 系数。
（二）选择题
1. 一钢筋混凝土轴心受压短柱，由混凝土徐变引起的塑性应力重分布现象与纵筋配筋率ρ'的关系是：[ ]
a 、ρ'越大，塑性应力重分布越不明显
b 、ρ'越大，塑性应力重分布越明显
c 、ρ'与塑性应力重分布无关
d 、开始，ρ'越大，塑性应力重分布越明显，但ρ'超过一定值后，塑性应力重分布反
而不明显了
2. 配置螺旋箍筋的钢筋混凝土柱的抗压承载力，高于同等条件下不配置螺旋箍筋时的抗压承载力是因为 [ ]。
a 、又多了一种钢筋受压
b 、螺旋箍筋使混凝土更密实
c 、截面受压面积增大
d 、螺旋箍筋约束了混凝土的横向变形
3. 一圆形截面钢筋混凝土螺旋箍筋柱，柱长细比为d l 0=13。
按螺旋箍筋柱计算该柱的承载力为550kN ，按普通箍筋柱计算，该柱的承载力为400kN 。
该柱的承载力应视为 [ ]。
a 、400kN
b 、475kN
c 、500kN
d 、550kN
4. 一圆形截面钢筋混凝土螺旋箍筋柱，柱长细比为d l 0=10。
按螺旋箍筋柱计算该柱的承载力为480kN ，按普通箍筋柱计算，该柱的承载力为500kN 。
该柱的承载力应视为[ ]。
a 、480kN
b 、490kN
c 、495kN
d 、500kN
5. 两个轴心受拉构件的截面尺寸、混凝土强度等级和钢筋级别均相同，只是纵筋配筋率ρ不同，则即将开裂时[ ]。
a 、配筋率ρ大的钢筋应力s σ也大
b 、配筋率ρ大的钢筋应力s σ小
c 、直径大的钢筋应力s σ小
d 、两个构件的钢筋应力s σ相同
6.《混凝土结构设计规范》规定：按螺旋箍筋柱计算的承载力不得超过普通柱的1.5 倍，这是为了[ ]。
a 、限制截面尺寸
b 、不发生脆性破坏
c 、在正常使用阶段外层混凝土不致脱落
d 、保证构件的延性
（三）判断题
1. 实际工程中没有真正的轴心受压构件。
[ ]
2. 受压构件的长细比越大，稳定系数ϕ值越高。
[ ]
3. 螺旋箍筋既能提高轴心受压柱的承载力，又能提高柱的稳定性。
[ ]
4. 轴心受压构件计算中，考虑到受压时容易压屈，所以钢筋的抗压强度设计值最多取为4002N/mm 。
[ ]
5. 构件截面上的塑性应力重分布现象，不仅在钢筋混凝土超静定结构中存在，在钢筋混凝土静定结构中也存在。
[ ]
6. 钢筋混凝土轴心受拉构件破坏时，混凝土被拉裂，全部外力由钢筋来承担。
[ ]
（四）问答题
1. 试述钢筋混凝土轴心受压柱的受力破坏过程。
2. 简述钢筋混凝土轴心受拉构件的受力破坏阶段和特点。
3.在配置普通箍筋和配置螺旋或焊接环式箍筋的轴心受压柱中，纵筋和箍筋的主要作用有哪些？
4.轴心受压构件的稳定系数ϕ的表格中b l 0与d l 0及i
l 0的换算关系如何？
5.轴心受压构件中为什么不宜采用高强度钢筋？
6.轴心受压短柱和长柱的破坏特征有何不同？在长柱的承载力计算中如何考虑长细比的影响？
7.螺旋箍筋柱的受压承载力为什么不应大于按式)f (f .s y c u A A 90N N ''+=≤ϕ算得的受压承载力的1.5倍？螺旋箍筋柱的受压承载力计算公式中的α是什么系数？考虑什么影响因素？如何取值？
8.钢筋混凝土轴心受压构件受压承载力计算公式乘以0.9的目的是什么？计算时如果纵向受压钢筋的配筋率>3%,应怎样计算？
9.为什么螺旋箍筋柱的受压承载力比同等条件下的普通箍筋柱的承载力提高较大？什么情况下不能考虑螺旋箍筋的作用？
二、计 算 题
1. 某钢筋混凝土现浇框架结构的底层柱，截面尺寸为400mm ×400mm ，从基础顶面到一层楼盖顶面的高度H = 4.5m ，轴心压力设计值N = 2260kN ，混凝土强度等级为C25，纵向钢筋为HRB400级钢筋。
求所需的纵向钢筋面积。
2. 某钢筋混凝土轴心受压柱，截面尺寸为350mm ×350mm ，计算长度0l =4.5m ，混凝土强度等级为C25，柱内配有825的HRB335级纵向钢筋。
柱上作用的轴向压力设计值为2000kN ，试验算该柱的正截面受压承载力。
3. 某宾馆门厅内轴心受压柱，截面如图3－1所示，计算长度l 0=
4.2m ，混凝土强度等级为C30，纵向钢筋采用HRB400级钢筋，螺旋箍筋采用HRB335级钢筋，环境类别为一类。
求柱正截面受压承载力设计值u N 。
图3—1
4. 某钢筋混凝土屋架下弦 ，截面尺寸为200mm ⨯200mm,其所受的轴心拉力设计值为300kN ，混凝土强度等级为C25，纵向钢筋用HRB335级钢筋。
求截面纵向钢筋面积。