第二章 结构设计原理
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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。
第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能2.1.1 单轴向应力状态下的混凝土强度虽然实际工程中的混凝土结构和构件一般处于复合应力状态,但是单轴向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。
混凝土试件的大小和形状、试验方法和加载速率都影响混凝土强度的试验结果,因此各国对各种单轴向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。
1 混凝土的抗压强度(1) 混凝土的立方体抗压强度f cu,k和强度等级我国《混凝土结构设计规范》规定以边长为150mm的立方体为标准试件,标准立方体试件在(20±3)℃的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d,按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度,单位为“N/mm2”。
用上述标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级。
《混凝土结构设计规范》规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80,共14个等级。
例如,C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。
其中,C50~C80属高强度混凝土范畴。
图2-1 混凝土立方体试块的破坏情况(a)不涂润滑剂;(b) 涂润滑剂(2) 混凝土的轴心抗压强度混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。
用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。
图2-2 混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况我国《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的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。
《混凝土结构设计规范》规定以上述棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值,用符号f ck表示,下标c表示受压,k表示标准值。
第二章混凝土结构的设计方法一、填空题1、结构的、、、统称为结构的可靠性。
2、当结构出现或或或状态时即认为其超过了承载力极限状态。
3、当结构出现或或或状态时即认为其超过了正常使用极限状态。
4、结构的可靠度是结构在、、完成的概率。
5、可靠指标 = ,安全等级为二级的构件延性破坏和脆性破坏时的目标可靠指标分别是和。
6、结构功能的极限状态分为和两类。
7、我国规定的设计基准期是年。
8、结构完成预定功能的规定条件是、、。
9、可变荷载的准永久值是指。
10、工程设计时,一般先按极限状态设计结构构件,再按极限状态验算。
二、判断题1、结构的可靠度是指: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值。
2、偶然作用发生的概率很小,持续的时间很短,但一旦发生,其量值可能很大。
3、钢筋强度标准值的保证率为97.73%。
HPB235级钢筋设计强度210N/mm2,意味着尚有2.27%的钢筋强度低于210N/mm2。
4、可变荷载准永久值:是正常使用极限状态按长期效应组合设计时采用的可变荷载代表值。
5、结构设计的基准期一般为50年。
即在50年内,结构是可靠的,超过50年结构就失效。
6、构件只要在正常使用中变形及裂缝不超过《标准》规定的允许值,承载力计算就没问题。
7、某结构构件因过度的塑性变形而不适于继续承载,属于正常使用极限状态的问题。
8、请判别以下两种说法的正误:(1)永久作用是一种固定作用;(2)固定作用是一种永久作用。
9、计算构件承载力时,荷载应取设计值。
10、结构使用年限超过设计基准期后,其可靠性减小。
11、正常使用极限状态与承载力极限状态相比,失效概率要小一些。
12、没有绝对安全的结构,因为抗力和荷载效应都是随机的。
13、实用设计表达式中的结构重要性系数,在安全等级为二级时,取00.9γ=。
14、在进行正常使用极限状态的验算中,荷载采用标准值。
15、钢筋强度标准值应具有不少于95%的保证率。
16、结构设计的目的不仅要保证结构的可靠性,也要保证结构的经济性。
教案-工程结构设计原理第一章:工程结构设计原理概述1.1 教学目标了解工程结构设计的基本概念理解结构设计的目的和重要性掌握结构设计的基本原则和方法1.2 教学内容工程结构设计的定义和意义结构设计的目标和重要性结构设计的基本原则和方法1.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答1.4 教学评估课堂问答和讨论案例分析和解答课后作业和评估第二章:结构设计的基本原则2.1 教学目标掌握结构设计的基本原则理解结构安全性和可靠性的重要性熟悉结构设计标准和规范2.2 教学内容结构设计的基本原则概述结构安全性和可靠性的概念和意义结构设计标准和规范的介绍和应用2.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答2.4 教学评估课堂问答和讨论案例分析和解答课后作业和评估第三章:结构设计的计算方法3.1 教学目标掌握结构设计的计算方法理解结构分析的基本原理熟悉结构计算的步骤和技巧3.2 教学内容结构设计的计算方法概述结构分析的基本原理和方法结构计算的步骤和技巧的介绍和应用3.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答3.4 教学评估课堂问答和讨论案例分析和解答课后作业和评估第四章:结构材料的选择与应用4.1 教学目标理解结构材料的选择的重要性熟悉常用结构材料的性质和特点掌握结构材料的应用和选择方法4.2 教学内容结构材料的选择的意义和重要性常用结构材料的性质和特点的介绍和比较结构材料的应用和选择方法的讲解和示例4.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答4.4 教学评估课堂问答和讨论案例分析和解答课后作业和评估第五章:结构设计的优化方法5.1 教学目标理解结构设计优化的重要性和意义掌握结构设计优化的方法和步骤熟悉结构设计优化的应用和效果5.2 教学内容结构设计优化的定义和意义结构设计优化的方法和步骤的介绍和示例结构设计优化的应用和效果的讲解和案例5.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答5.4 教学评估课堂问答和讨论案例分析和解答课后作业和评估第六章:静力平衡与受力分析6.1 教学目标掌握静力平衡的基本原理能够进行简单的受力分析理解静力平衡在结构设计中的应用6.2 教学内容静力平衡的定义与原理受力分析的基本步骤静力平衡在结构设计中的应用实例6.3 教学方法讲授和讲解图形演示和分析互动问答和解答6.4 教学评估课堂问答和讨论受力分析练习题课后作业和评估第七章:梁、柱和板的受力特性7.1 教学目标理解梁、柱和板的基本受力特性掌握梁的弯曲、剪切和扭转理论了解柱的轴心受压和偏心受压的受力特性熟悉板的结构行为和计算方法7.2 教学内容梁的弯曲、剪切和扭转理论柱的轴心受压和偏心受压的受力特性板的结构行为和计算方法7.3 教学方法讲授和讲解数值分析和案例研究互动问答和解答7.4 教学评估课堂问答和讨论受力特性分析练习题课后作业和评估第八章:剪力墙与框架结构设计8.1 教学目标理解剪力墙和框架结构的基本概念掌握剪力墙和框架结构的受力特点学会剪力墙和框架结构的设计方法8.2 教学内容剪力墙和框架结构的定义和应用剪力墙和框架结构的受力特点分析剪力墙和框架结构的设计方法介绍8.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答8.4 教学评估课堂问答和讨论设计计算练习题课后作业和评估第九章:结构动力学基础9.1 教学目标理解结构动力学的基本概念掌握单自由度体系的动力响应了解多自由度体系的动力响应9.2 教学内容结构动力学的定义和重要性单自由度体系的动力响应分析多自由度体系的动力响应分析9.3 教学方法讲授和讲解数值分析和案例研究互动问答和解答9.4 教学评估课堂问答和讨论动力学分析练习题课后作业和评估第十章:结构稳定性和扭转10.1 教学目标理解结构稳定性的重要性掌握结构稳定性的判别方法了解扭转对结构稳定性的影响10.2 教学内容结构稳定性的概念和意义结构稳定性的判别方法介绍扭转对结构稳定性的影响分析10.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答10.4 教学评估课堂问答和讨论稳定性分析练习题课后作业和评估第十一章:结构耐久性与腐蚀防护11.1 教学目标理解结构耐久性的概念和重要性掌握提高结构耐久性的措施和方法了解腐蚀对结构耐久性的影响及防护措施11.2 教学内容结构耐久性的定义和重要性影响结构耐久性的因素分析提高结构耐久性的措施和方法介绍腐蚀防护措施和材料的应用11.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答11.4 教学评估课堂问答和讨论耐久性和腐蚀防护分析练习题课后作业和评估第十二章:结构防火设计12.1 教学目标理解结构防火设计的重要性掌握结构防火设计的基本原则熟悉结构防火材料的性能和应用12.2 教学内容结构防火设计的意义和重要性结构防火设计的基本原则和方法结构防火材料的性能和应用介绍12.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答12.4 教学评估课堂问答和讨论防火设计分析练习题课后作业和评估第十三章:结构经济与成本分析13.1 教学目标理解结构经济与成本分析的概念和重要性掌握结构经济与成本分析的方法能够进行结构经济与成本的优化13.2 教学内容结构经济与成本分析的概念和重要性结构经济与成本分析的方法介绍结构经济与成本优化的策略和实例13.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答课堂问答和讨论经济与成本分析练习题课后作业和评估第十四章:结构模型的建立与模拟14.1 教学目标理解结构模型建立的重要性掌握结构模型的建立与模拟方法熟悉结构模型在设计中的应用14.2 教学内容结构模型建立的定义和重要性结构模型的建立与模拟方法介绍结构模型在设计中的应用和案例分析14.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答14.4 教学评估课堂问答和讨论结构模型建立与模拟练习题课后作业和评估第十五章:结构设计的综合案例分析综合运用所学结构设计原理和方法提升结构设计综合分析和解决问题的能力15.2 教学内容综合结构设计案例的选择和分析结构设计方法和步骤的运用15.3 教学方法讲授和讲解案例分析和讨论互动问答和解答15.4 教学评估课堂问答和讨论结构设计案例分析报告课后作业和评估重点和难点解析本文教案为“工程结构设计原理”,共包含十五个章节,涵盖了工程结构设计的基本概念、原则、方法、结构材料的选用、受力特性、设计优化等多个方面。
结构设计原理范文1.负荷分析:结构设计的首要任务是分析所受到的负荷,包括静力负荷和动力负荷。
静力负荷主要包括自重、活载和温度、压力等,动力负荷主要考虑风、震动、水流等。
2.选择材料:正确选择材料是保证结构安全可靠性的重要环节。
结构材料应具有足够的强度、刚度和韧性,以满足工程需求。
一般根据负荷和材料的力学性能来选择材料。
3.结构形式:结构形式是指根据工程性质和功能要求,选择合适的结构系统。
常见的结构形式包括梁柱结构、桁架结构、拱桥结构、板壳结构、桁架结构等。
结构形式的选择应考虑结构的稳定性、刚度和变形形状等因素。
4.结构计算和设计:结构设计要进行力学计算和结构设计。
根据刚度和力学平衡原理,计算结构受力状态,然后设计具体的结构尺寸和节点连接方式。
结构计算要满足静力平衡、刚度平衡和变形平衡,确保结构在正常使用和极限状态下的安全性。
5.结构施工和安装:结构的施工和安装过程中需要考虑的因素包括选择合适的建筑材料、工艺方案和施工机械设备。
同时,还需要对施工过程进行全面的监测和检验,以确保结构的质量和安全性。
6.预防和控制灾害:结构设计应充分考虑自然灾害和事故灾害对结构的影响。
例如,在地震区域的结构设计中,要采用抗震设计原则,增加结构抗震能力,以减少地震灾害造成的损失。
7.维护和检修:结构设计应考虑结构的维护和检修要求。
在设计中应充分考虑结构的可维修性和可更换性,以方便对结构进行日常维护和修复工作,保证结构使用寿命和安全可靠性。
总之,结构设计原理是根据工程需求和力学原理,制定合理的结构设计方案和准则,以保证结构的安全性、可靠性和经济性。
在设计过程中要充分考虑负荷分析、材料选择、结构形式、结构计算和设计、施工安装、灾害预防和控制、维护检修等因素,以确保结构的全面性能和性能要求的实现。
• 1.1钢筋混凝土结构概述P4 定义:钢筋混凝土结构是钢筋和混凝土两种力学性能不同的材料组成的结构,且两者能有效地组合在一起共同发挥作用。
钢筋混凝土结构:由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制成的结构。
钢筋混凝土的产生:将钢筋和混凝土结合在一起共同工作,混凝土承受压力,钢筋承受拉力,将可以充分发挥各自的优势。
●混凝土:非均匀材料:抗压强度高,抗拉强度很低为抗压强度的(1/8~1/18)。
●钢筋:抗拉和抗压强度都很高,主要承受拉力P5 钢筋和混凝土两种力学性能不同的材料能有效的结合在一起共同工作的原因:1.混凝土和钢筋之间存在较大的粘结力(或握裹力),使钢筋与混凝土能可靠地组成一个整体,共同变形2.大致相同的温度线膨胀系数,温度变化时不产生过大的温度应力而破坏两者之间的粘结。
3.包围在钢筋外的混凝土起着保护钢筋免遭锈蚀的作用,保证结构具有良好的耐久性。
1.2 钢筋混凝土结构的特点P6 优点:P6 缺点:耐久性好自重大现浇结构的整体性抗裂性能差,带裂缝工作工作性好施工受气候条件影响刚度大耗费较多的模具和木料可塑性好耗费较多的模具和木料耐火性好修补和拆除较困难就地取材,节约钢筋2.1.1 混凝土的强度●三个强度指标:1、立方体抗压强度2、棱柱体强度(轴心抗压强度)3、混凝土抗拉强度P7混凝土的立方体抗压强度----基本强度指标(1)定义:每边长150mm的立方体试件,在标准养护条件下养护28d,依照标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度值(以MPa计)作为混凝土的立方体抗压强度标准值。
该值也用来表示混凝土的强度等级,并冠以―C‖例如:C30表示为该混凝土的立方体抗压强度的标准值为30MPa2. 棱柱体强度(轴心抗压强度)•用150mm×150mm×300mm棱柱体为标准试件测得的抗压强度。
•注:试件制作、养护和加载试验方法同立方体试件P83.混凝土抗拉强度●混凝土强度基本指标●测定方法:直接拉伸试验和劈裂试验P9 4. 复合应力状态下混凝土强度(1)双向正应力作用(如下图)σ1, σ2 (压-压) 混凝土强度增加(第三象限)σ1, σ2 (拉-压) 混凝土强度降低(第二、四象限)σ1, σ2 (拉-拉) 混凝土强度基本不变(第一象限)(2)三向应力状态(抗压强度提高)混凝土圆柱体三向受压,混凝土的轴心抗压强度随另外两向压应力增加而增加。
《混凝土结构设计原理》第二章 材料的物理力学性能 课堂笔记◆ 学习要点:钢筋砼的组成为非匀质的,又由于混凝土材料组成的非均匀性以及具有显著的非弹性性能,因此其力学性能与匀质弹性材料有很大的差异。
对钢筋和砼材料力学性能的了解,包括其强度和变形性能,以及对二者相互作用的了解是掌握钢筋砼构件受力特点,确立计算方法,制定构造措施的基础。
◆ 主要内容混凝土及其力学性能混凝土的组成、强度指标及其换算关系、变形性能、其它性能(疲劳、收缩、徐变)、钢筋及其力学性能。
钢筋品种、级别和型号、力学性能及性能要求。
钢筋与混凝土的粘结◆ 学习要求1、掌握混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度的测定方法和换算关系。
2、了解影响硷强度的因素,掌握砼应力一应变曲线特点,理解复合应力下硷强度和变形特点。
3、了解混凝土收缩、徐变现象及其影响因素;理解收缩、徐变对钢筋混凝土结构的影响。
4、了解钢筋的品种级别和使用范围。
掌握钢筋的应力一应变曲线的特点和强度的取值标准:,◆ 重点难点混凝土的强度及其影响因素,复合应力状态下的强度。
混凝土受压应力一应变关系的特征值。
混 凝土的收缩与徐变及其影响因素,一、混凝土(一)混凝土的组成结构砼是由水泥石(水泥胶结料)和骨料(石料)组成的一种内部结构复杂的复合材料。
从微观看:砼是不均匀的多相材料,存在许多内部微裂缝,这与其物理力学性能有密切的关系。
从宏观看:混凝土是粗骨料均匀分散在连续的砂浆基材中的两相材料,可视为各向同性的。
(二)混凝土的强度混凝土的强度是混凝土力学.隆能中的主要指标。
在工程中常用的混凝土强度指标有: ·立方体抗压强度fcu ·轴心抗压强度fc ·轴心抗拉强度ft1、混凝土立方体抗压强度砼立方体抗压强度是其力学性能中最基本的指标,也是评定fc 强度等级的标准。
砼强度等级是指按照标准方法制作养护的边长为150mm ,的立方体试件,在28天龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度标准值 。