结构设计原理习题集(七)

结构设计原理习题集(七)

第一章绪论

1.1 学习要点

1．了解工程结构的过去、现在和未来发展趋势，明确结构材料、理论方法、施工技术是决定工程结构发展的关键因素。

2．了解现有常规结构体系及在各工程领域的具体应用，明确钢结构、钢筋混凝土结构、砌体结构的主要特点。

3．了解结构与构件的关系，明确结构设计就是从整体结构到局部构件，再从局部构件到整体结构的设计过程。

4．了解结构计算简图的工程意义，学会建立实际结构合理的可计算的力学模型的方法。

5．熟悉结构荷载的种类和划分依据，掌握“永久荷载”、“可变荷载”、“偶然荷载”、“荷载代表值”、“荷载标准值”、“可变荷载准永久值”及“可变荷载组合值”等基本术语的定义，为第二章结构设计方法及后述各章的学习作好准备。

1.2 思考题

1．什么叫工程结构？何为结构设计原理？

2．古代、近代、现代土木工程有哪些重要区别？

3．结构工程的发展与哪些因素直接相关？

4．试述框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构的特点。

5．桥梁结构有哪些可选类型？其通常适宜的跨度为多少？

6．一般将哪些结构称为特种结构？

7．钢结构、混凝土结构、砌体结构各有哪些优缺点？

8．组成结构的“基本元素”有哪些？

9．何为刚域？它与刚节点有何不同？

10．永久作用，可变作用和偶然作用各有什么特征？

11．何为荷载代表值、荷载标准值、可变荷载准永久值、可变荷载频遇值及可变荷载组合值？

12．为什么把荷载标准值作为荷载基本代表值看待？

第二章结构设计方法

2.1 学习要点

本章主要介绍结构设计中存在的共性问题，是学习本课程和进行结构设计的理论基础。由于是宏观地、抽象地介绍近似概率的极限状态方法，涉及到的名词术语较多，初次接触，会觉得生涩和难于理解，这需要在后续各章的学习中逐渐克服。

结合后续各章的设计内容，要求深入理解和掌握结构的功能要求，结构的安全等级，设计使用年限和设计基准期的概念，极限状态及其分类，荷载的分类及其取值，荷载效应组合，结构的可靠性和可靠度，实用设计表达式等内容。对有关数理统计方面的内容，要求了解。

2.2 思考题

1．建筑结构应满足哪些功能要求？结构的设计使用年限如何确定？结构超过其设计使用年限是否意味着不能再使用？为什么？

2．结构可靠性的含义是什么？它包括哪些方面的功能要求？建筑结构安全等级是按什么原则划分的？

3．“作用”和“荷载”有什么区别？结构上的作用按时间的变异、按空间的变异、以及按结构的反应各分为哪几类？

4．影响结构可靠性的因素有哪些？结构构件的抗力与哪些因素有关？为什么说构件的

抗力是一个随机变量？

5．什么是结构的极限状态？结构的极限状态分为几类，其含义各是什么？或者说结构超过极限状态会产生什么后果？

6．什么是结构的可靠度和可靠指标？《统一标准》对可靠指标是如何定义的？

7．什么是失效概率？可靠指标和失效概率有何定性关系？为什么说我国“规范”采用的极限状态设计法是近似概率的极限状态设计法？分析其主要特点。

8．结构构件设计时采用的可靠指标值与结构构件的破坏类型是否有关？

9．深入理解承载能力极限状态实用设计表达式，能说明式中各符号的物理意义。结构可靠性的要求在式中是如何体现的？

10．荷载的代表值有哪些？其基本代表值是什么？

11．什么是荷载标准值？什么是活荷载的频遇值和准永久值？什么是荷载的组合值？对正常使用极限状态验算，为什么要区分荷载的标准组合和准永久组合？如何考虑荷载的标准组合和荷载的准永久组合？对于承载能力极限状态，如何确定其荷载效应组合？永久荷载和可变荷载的分项系数一般情况下如何取值？

12．各种材料强度的标准值根据什么原则确定？材料性能分项系数和强度设计值是如何确定的？

13．混凝土结构的耐久性设计是如何考虑的？

第三章结构材料

3.1 学习要点

本章介绍工程结构常用之钢材、混凝土、砖石、砌块等材料的力学性能和强度取值，是后续构件承载能力、变形等设计计算的基础。

1．材料的力学性能由强度指标，变形指标，冷弯、冲击韧性等构成。作为强度指标的有比例极限、弹性极限、屈服极限（屈服点）和强度极限等参数，结构设计用屈服极限作为强度指标。衡量变形能力除弹性模量（或变形模量）以外，还有延伸率、截面收缩率等塑性指标。冷弯是一个综合性指标，冲击韧性用冲击功来定义。不同质量等级的钢材除化学成分要求不同以外，对不同温度下的冲击韧性指标有要求。

2．材料强度有平均值fm，标准值fk和设计值f之分。平均值是若干标准试件按规范规定进行试验，测得的材料屈服极限的平均值；而标准值则为具有95%保证率的材料强度取值，即低于平均值1.645倍标准差；材料强度设计值由标准值除以材料的分项系数（＞1）而得到。

3．了解钢材、钢筋的分类和规格，掌握钢材各种强度设计值（抗拉、抗压、抗剪、承压）的确定方法，熟悉钢材的本构模型。

4．掌握钢材焊接连接，螺栓连接的设计计算方法。

5．混凝土属于人工石材，是典型的脆性材料，抗压能力远远高于抗拉能力，其性能和配合比有关。了解混凝土受压破坏机理、变形特点，掌握抗拉、抗压、抗剪强度之间的差异，熟悉砼的应力-应变关系。

6．砌体的承载力和变形能力和块体、砂浆，砌筑质量密不可分。了解块体、砂浆的种类和强度等级，掌握砌体种类和强度取值，熟悉砌体的变形特性。

3.2 思考题

1．试绘出有明显流幅的钢材（钢筋）的拉伸图，说明各阶段的特点，指出比例极限、屈服极限和强度极限（极限强度）的含义。

2．软钢和硬钢的拉伸图有何不同，抗拉强度设计值fy各对应于图中何处的应力值？

3．钢材的冲击韧性如何定义？

4．钢材质量等级分A、B、C、D、E级的依据是什么？

5．为什么说冷弯性能是衡量钢材力学性能的一项综合指标？

6．钢材抗剪强度取抗拉强度的58%，依据何在？

7．何谓伸长率？何谓屈强比？

8．钢材强度取值与尺寸有关，Q345钢何时fy=345N/mm2？在其他情况下fy是小于还是大于345N/mm2？

9．角焊缝在弯矩、轴力、剪力、扭矩作用下的焊接强度是按哪种形式计算的？与对接焊缝有何区别？

10．高强度螺栓的预拉力起什么作用？预拉力的大小与承载能力有什么关系？高强度螺栓与普通螺栓计算有什么不同？摩擦型高强度螺栓与承压型高强度螺栓有何区别？

11．在交变受力过程中，钢材的疲劳计算是用最大应力、最小应力、平均应力、还是用应力幅？为什么不采用材料力学中的“疲劳极限”这一概念？

12．钢筋进行冷加工的目的是什么？冷加工的方法有哪几种？每种加工方法对强度有何影响？

13．何谓冷拉时效？

14．我国钢筋混凝土结构中使用的钢筋有几种？热轧钢筋的强度分哪几个等级，分别用什么符号表示？

15．混凝土立方体抗压强度能不能代表实际构件中混凝土的强度？既然用立方体抗压强度fcu作为混凝土的强度等级，为什么还要有轴心抗压强度fc？

16．混凝土的基本强度指标有哪些？各用什么符号表示，它们之间有什么关系？

17．混凝土在短期一次加载轴心压力作用下的应力应变曲线，和热轧钢筋一次加载受接时的应力应变曲线相比有什么不同？并指出前者曲线的某些特点。

18．混凝土应力等于fc时的应变ε0和极限压应变εcu有什么区别？它们各在什么受力情况下考虑，其应变值大致为多少？

19．为什么混凝土棱柱体试件在短期轴压作用下的应力应变曲线中有一个“下降段”。为什么会出现应变不断增加，而应力不断降低的现象？

20．什么叫约束混凝土？处于三向受压的混凝土，其变形特点如何？

21．混凝土的受压变形模量有几种表达方式？我国现行规范是怎样确定混凝土的受压弹性模量的？

22．混凝土在重复荷载作用下，其应力应变曲线有何特征，在实用上有何意义？

23．混凝土的收缩和徐变有什么不同？是由什么原因引起的？变形特点是什么？

24．混凝土的收缩和徐变对钢筋混凝土结构各有什么影响？减少收缩和徐变的措施有哪些？

25．为什么钢筋和混凝土能够共同工作？它们之间的粘结力是由哪几部分组成的？提高钢筋和混凝土之间的粘结力可采取哪些措施？

26．粘结力沿钢筋长度方向的分布图形如何？钢筋埋入混凝土中的长度无限增大时，粘结力图形的长度是否也随之无限增大？为什么？

27．为使钢筋在混凝土中有可靠的锚固，可采取哪些措施？

28．砖砌体的抗压强度为什么低于它所用砖所能达到的抗压强度？

29．影响砌体抗压强度的因素有哪些？

30．从影响砌体抗压强度的因素分析，如何提高砖墙的施工质量？

31．在何种情况下可按砂浆强度为零来确定砌体强度？

32．为什么工程上不允许采用沿水平通缝截面轴心受拉的构件？

33．砌体在弯曲受拉时有哪几种破坏形态？

34．垂直压应力对砌体抗剪强度有何影响？

4.1 学习要点

本章讨论受弯构件（许多场合，受弯构件又称为梁）的承载能力计算，是全书的重点之一，应足够重视。在弯矩M作用下，构件的变形引进“平截面”假定，以中和轴为界，一侧受拉、另一侧受压，线应变呈线性分布。弹性应力在截面上亦呈线性分布，弹塑性应力分布比较复杂。正截面承载力计算，在极限状态（塑性阶段）截面应力图式按矩形考虑。剪力V的参与，导致主拉应力和主压应力的作用面为斜截面，故破坏沿斜截面发生。构件弯曲抗剪的问题，即是斜截面承载力计算的问题。构件承载能力除满足相应的公式以外，还需要满足构造要求。

1．钢筋混凝土梁正截面从加载到破坏，可分为三个阶段。每个受力阶段截面上应力、应变图形都有自己的特点和变化规律，分别作为抗裂、变形、承载力计算的依据。根据钢筋数量的不同，受弯构件正截面破坏时有三种破坏形态，注意它们之间质的区别以及相互之间的界限。规范以适筋破坏作为设计计算的依据。

2．适筋梁正截面承载力极限状态可简单表述为：钢筋屈服的同时，压区混凝土达到极限应变。即钢筋达到强度设计值，压区混凝土应力取矩形图式。要求了解计算简图，掌握单筋矩形截面、双筋矩形截面和T形截面这三种最常用的受弯构件正截面承载力计算问题，熟悉构造规定。

3．钢筋混凝土梁斜截面必须进行计算。了解斜截面的破坏形态，影响抗剪承载力的主要因素：掌握斜截面抗剪承载力计算理论依据和方法；熟悉斜截面抗弯承载力的构造措施——纵筋截断、弯起和锚固；了解材料图的概念和绘制方法；熟悉抗剪构造要求。

4．砌体结构受弯构件之抗弯、抗剪承载力均可按材料力学理论计算最大应力，使其不超过设计值，并用内力表示。受剪构件需考虑法向应力对抗剪承载力的有利影响。

5．钢材是典型的各向同性材料，应力分布与初等力学理论符合良好。弹性应力在构件的上、下边缘最大，考虑全截面屈服时，应力呈矩形分布。设计计算时用截面的弹性抵抗矩，同时引进塑性发展系数。强度计算包括正应力、剪应力、局部承压应力和腹翼交界处的折算应力计算。钢梁一般是薄壁截面，稳定至关重要，整体稳定和局部稳定均需要考虑。整体失稳，又称弯扭失稳；整体稳定验算，由稳定系数来考虑。局部稳定，如果不满足验算要求，可设加劲肋来保证。组合钢梁还需验算焊缝或连接螺栓。

6．了解钢梁的类型和梁格布置，熟悉钢梁的设计内容和设计步骤，掌握梁的强度计算、稳定验算方法。

4.2 思考题

1．什么叫配筋率？适筋梁，超筋梁和少筋梁的破坏特征有什么不同？

2．适筋梁从开始加载到破坏，经历了哪几个阶段，各阶段截面上应力应变分布，裂缝展开，中和轴位置，梁跨中挠度等变化的规律如何？每个阶段是哪种极限状态设计的依据？

3．矩形截面应力图中的高度x的含义是什么？它是否是截面实际的受压区高度？

4．什么叫“界限”破坏？“界限”破坏时εcu及εs各等于多少？何谓相对界限受压区高度ξb？它在受弯承载力计算中起什么作用？

5．适筋梁的适用条件是什么？其限制目的何在？

6．在适筋梁承载力计算公式M=αsbh20α1fc或M=fyAsγsh0中，αs、γs的物理意义是什么？它与什么因素有关？

7．当钢筋混凝土受弯构件正截面承载力不足时，可采取哪几种措施来提高截面的抗弯承载力，其中哪个措施最为有效？

8．梁、板中应配置哪几种钢筋，各种钢筋起何作用？在构造上有什么要求？

9．混凝土保护层起什么作用？梁内纵向受拉钢筋的根数、直径及间距有何规定，与梁宽b之间的关系如何？

10．什么情况下可采用双筋截面？受压钢筋起什么作用，为什么说在一般情况下采用受压钢筋是不经济的？

11．双筋矩形截面受弯构件，当受压区混凝土压碎时，受压钢筋的抗压强度设计值如何确定？

12．双筋矩形截面受弯构件不满足适用条件x≥2a′时，应按什么公式计算正截面受弯承载力？并解释理由。

13．设计双筋梁时，当As和A′s均未知时，则有三个未知数As，A′s和x，这个问题应如何解决？若A′s已知时，如何求As？

14．为什么需要确定T形截面梁的翼缘计算宽度？如何确定？

15．两类T形梁如何鉴别？

16．T形梁受弯承载力计算公式与单筋及双筋矩形截面梁的受弯承载力计算公式有何异同？

17．钢筋混凝土梁在荷载作用下，为什么会出现斜裂缝？

18．无腹筋梁和有腹筋梁沿斜裂缝破坏的主要形态有哪几种？它们的破坏特征是怎样的？满足什么条件才能避免这些破坏发生？

19．影响有腹筋梁斜截面承载力的主要因素有哪些？剪跨比的定义是什么？

20．配箍率ρsv的表达式是怎样的？它与斜截面受剪承载力有何关系？

21．有腹筋简支梁在斜裂缝出现后，其传力过程怎样？可以比拟成一个什么结构？

22．斜截面受剪承载力计算时，应考虑哪些截面位置？

23．斜截面受剪承载力计算时，为什么要对梁的最小截面尺寸加以限制？所有梁都一样吗？

24．均匀分布荷载作用下的钢筋混凝土简支梁，沿梁长配置直径相同的等间距箍筋，单从受力角度来考虑，是否合理？如果综合地从受力、施工，构造等要求来考虑，则又怎样？如果按计算不需要配置箍筋和弯起钢筋，此时梁中是否还要配置腹筋？

25．在一般情况下，限制箍筋及弯起钢筋的最大间距的目的是什么？满足最大间距时，是不是必须满足最小配箍率ρsvmin的规定？如果有矛盾，该怎样处理？

26．设计板时为何一般不进行斜截面承载力计算，不配置箍筋？

27．何谓抵抗弯矩图，它与设计弯矩图应有怎样的关系？

28．为什么会发生斜截面受弯破坏？应采取哪些措施来保证不发生这些破坏？

29．纵向受拉钢筋一般不宜在受拉区截断，如必需截断时，应从理论切断点外延伸一段长度，试解释其理由。

30．在抵抗弯矩图中何谓钢筋充分利用点，不需要点和理论切断点？它们与斜截面受弯承载力有什么关系？为什么弯起钢筋的弯起点要距充分利用点≥h0/2？

31．何谓“鸭筋”及“浮筋”？浮筋为什么不能作为受剪钢筋？

32．如何计算砌体受弯构件的受剪承载力和砌体受剪构件的受剪承载力？

33．钢梁的种类和截面形式有哪些？

34．钢梁的强度计算包括哪些内容？整体稳定如何考虑？

35．在组合梁腹板计算高度边缘处，折算应力计算的依据是什么？

36．钢结构薄壁受弯构件，提高局部稳定性的措施有哪些？

6.1 学习要点

1．了解受扭构件的工程背景，明确扭转是构件的基本受力形式之一，构件处于纯扭矩作用的情况是极少的，绝大多数都是处于弯矩，剪力和扭矩共同作用的复合受扭情况。

2．由于目前只有混凝土结构设计规范涉及受扭构件承载力问题，所以本章主要针对混凝土受扭构件（在实际工程中，对于砌体结构构件应尽量避免受扭并采取相应的工程措施来

克服可能受扭的不利影响，对钢结构构件可用应力分析的方法核算强度）。

3．熟悉理想弹性材料和理想塑性材料受扭构件截面剪应力分布图形，针对混凝土既不是理想的弹性材料又不是理想的塑性材料这一基本事实，明确目前计算开裂扭矩的办法是按塑性应力分布计算并根据试验结果乘以一个降低系数确定（截面受扭塑性抵抗矩Wt，可由计算得出，T形、I形、倒L形截面的受扭塑性抵抗矩Wt，为各矩形分块的受扭塑性抵抗矩之和）。

4．实际的受扭构件由横向封闭箍筋、纵向受力钢筋组成的空间骨架与砼共同抵抗扭矩。为此，应了解配筋率及两种钢筋比例所形成的不同破坏类型和极限扭矩变角度空间桁架模型的理论推导，从而为理解规范半理论半经验的受扭构件承载力公式打下基础（Tu由混凝土承担的扭矩Tc和抗扭钢筋承担的扭矩Ts两部分组成。抗扭钢筋常包括抗扭纵筋和抗扭箍筋两部分，ξ称为抗扭纵筋和抗扭箍筋的配筋强度比。受扭承载力计算公式的截面限制条件是为了防止超筋破坏，规定抗扭纵筋和箍筋的最小配筋率是为了防止少筋破坏）。

5．了解构件受扭、受弯与受剪承载力之间的相关性及解决方案（目前用统一的相关方程来计算比较困难，为了简化计算，对弯剪扭构件的计算采用了对混凝土提供的抗力部分考虑相关性，而对钢筋提供的抗力部分采用叠加的方法，βt称为剪扭构件混凝土受扭承载力降低系数。在弯矩、剪力和扭矩共同作用下的T形和I形截面构件的承载力许算方法是先将截面划分为几个矩形分块，将扭矩T按各矩形分块的截面受扭塑性抵抗矩分配给各个矩形分块，分别进行计算。抗弯纵筋应按整个T形或I形截面计算；腹板应承担全部的剪力和相应分配的扭矩；受压和受拉翼缘不考虑其承受剪力，按其所分配的扭矩按纯扭构件计算），掌握矩形、T形和I形截面弯、剪、扭共同作用构件承载力计算方法。

6.2 思考题

1．什么是平衡扭转？什么是协调扭转？各有什么特点？

2．简述钢筋混凝土矩形截面纯扭构件从裂缝出现至破坏的过程及裂缝的方向。

3．受扭构件的开裂扭矩是按什么方法计算的？矩形截面受扭塑性抵抗矩是如何得来的？对较复杂的截面如何计算Wt？

4．钢筋混凝土纯扭构件的破坏形态有哪几类？各有什么特点？哪几类破坏形态在设计中应予避免？

5．ξ代表什么意义？取值范围是什么？

6．T形和I字形截面纯扭构件，截面上的扭矩T是怎样分配给腹板翼缘来承受的？

7．钢筋混凝土弯剪扭构件承载力计算的原则是什么？βt表示什么？如何计算T形和I 形截面的弯剪扭构件？

8．钢筋混凝土受扭构件设计时，怎样避免出现少筋构件和超筋构件？什么情况可忽略扭矩或剪力的作用？什么情况下可不进行剪扭承载力计算而仅按构造配抗扭钢筋？

9．简述钢筋混凝土弯剪扭构件设计时箍筋和纵筋是怎样分别确定的？

10．钢筋混凝土受扭构件的箍筋和纵筋有哪些构造要求？

第七章正常使用极限状态验算

7.1 学习要点

1．了解钢筋混凝土结构构件荷载裂缝和非荷载裂缝形成的原因及相应的措施。

2．理解钢筋混凝土构件荷载裂缝宽度（简称裂缝宽度）和变形验算的目的和条件。

3．掌握构件裂缝出现和开展的过程，裂缝出现前后沿构件长度方向各截面的应力状态，裂缝宽度和截面抗弯刚度随荷载大小及其持续作用时间变化的特性。

4．掌握钢筋混凝土构件荷载裂缝宽度和受弯构件挠度的计算方法。

5．掌握钢受弯构件的挠度计算方法。

7.2 思考题

1．结构构件设计时，应根据使用要求选用不同的裂缝控制等级，裂缝控制等级分为几级，每一级的要求怎样？钢筋混凝土构件属于哪一级？

2．验算钢筋混凝土受弯构件变形和裂缝宽度的目的是什么？验算时，为什么要用荷载标准组合计算的内力值，同时还要考虑荷载准永久组合的影响？

3．引起钢筋混凝土结构构件开裂的主要原因有哪些？应采用哪些相应的措施？

4．影响裂缝宽度的因素主要有哪些？改进措施有哪些？

5．钢筋混凝土受弯构件的刚度与哪些因素有关？如何提高构件截面的抗弯刚度？

6．为什么钢筋混凝土受弯构件的截面抗弯刚度随着荷载增加以及荷载持续作用时间的增加而减小呢？

7．平均裂缝间距1m的基本公式可由什么平衡条件导出？在确定平均裂缝间距时，为什么又要考虑保护层厚度的影响？

8．钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算方法有哪两大类？《规范》采用了哪种方法？基本思路是什么？

9．平均裂缝宽度Wm的计算公式是根据什么原则确定的？ψ的物理意义是什么？

10．最大裂缝宽度Wmax是在平均裂缝宽度基础上考虑哪些因素而得出的？

11．如Wmax＞Wlim时，可采取哪些措施？

12．钢筋混凝土受弯构件的变形计算与匀质弹性材料受弯构件的变形计算有何异同？

13．什么叫“最小刚度”原则？合理性如何？

14．为什么在长期荷载作用下受弯构件的挠度会增长？长期挠度的计算方法怎样？

15．如果受弯构件的挠度值fmax＞[f]，可采取什么措施？其中最有效的办法是什么？

16．何谓砼构件截面的延性？其主要的表达方式及影响因素是什么？