结构设计知识：脆性破坏在结构设计中的控制

《混凝⼟结构设计原理》第四章_课堂笔记《混凝⼟结构设计原理》第四章受弯构件正截⾯承载⼒计算课堂笔记◆知识点掌握：受弯构件是⼟⽊⼯程中⽤得最普遍的构件。

与构件计算轴线垂直的截⾯称为正截⾯，受弯构件正截⾯承载⼒计算就是满⾜要求：M≤Mu。

这⾥M为受弯构件正截⾯的设计弯矩,Mu为受弯构件正截⾯受弯承载⼒，是由正截⾯上的材料所产⽣的抗⼒，其计算及应⽤是本章的中⼼问题。

◆主要内容受弯构件的⼀般构造要求受弯构件正截⾯承载⼒的试验研究受弯构件正截⾯承载⼒的计算理论单筋矩形戴⾯受弯承载⼒计算双筋矩形截⾯受弯承载⼒计算T形截⾯受弯承载⼒计算◆学习要求1.深⼊理解适筋梁的三个受⼒阶段，配筋率对梁正截⾯破坏形态的影响及正截⾯抗弯承载⼒的截⾯应⼒计算图形。

2.熟练掌握单筋矩形、双筋矩形和T形截⾯受弯构件正截⾯设计和复核的握法，包括适⽤条件的验算。

重点难点◆本章的重点:1.适筋梁的受⼒阶段，配筋率对正截⾯破坏形态的影响及正截⾯抗弯承载⼒的截⾯应⼒计算图形。

2.单筋矩形、双筋矩形和T形截⾯受弯构件正截⾯抗弯承载⼒的计算。

本章的难点：重点1也是本章的难点。

⼀、受弯构件的⼀般构造（⼀）受弯构件常见截⾯形式结构中常⽤的梁、板是典型的受弯构件:受弯构件的常见截⾯形式的有矩形、T形、⼯字形、箱形、预制板常见的有空⼼板、槽型板等；为施⼯⽅便和结构整体性，也可采⽤预制和现浇结合，形成叠合梁和叠合板。

（⼆）受弯构件的截⾯尺⼨为统⼀模板尺⼨，⽅便施⼯，宜按下述采⽤:截⾯宽度b=120, 150 , 180、200、220、250、300以上级差为50mm。

截⾯⾼度h=250, 300,…、750、800mm，每次级差为50mm，800mm以上级差为100mm。

板的厚度与使⽤要求有关，板厚以10mm为模数。

但板的厚度不应过⼩。

（三）受弯构件材料选择与⼀般构造1.受弯构件的混凝⼟等级2.受弯构件的混凝⼟保护层厚度纵向受⼒钢筋的外表⾯到截⾯边缘的最⼩垂直距离，称为混凝⼟保护层厚度，⽤c表⽰。

第1章1、钢筋和混凝土两种材料为何能有效地结合在一起共同工作？（1）混凝土和钢筋之间有着良好的粘结力，使两者能可靠地结合成一个整体，在荷载作用下能够很好地共同变形，完成其结构功能。

（2）钢筋和混凝土的温度膨胀系数也较为接近，当温度变化时，钢筋和混凝土之间不致产生较大的相对变形而破坏两者之间的粘结。

（3）质量良好的混凝土，可以保护钢筋免遭锈蚀，保证钢筋与混凝土之间的共同作用。

2、什么叫混凝土立方体抗压强度？我国国家标准规定的试验条件是什么？混凝土的立方抗压强度是按规定的标准试件和标准试验方法得到的混凝土强度基本代表值。

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。

3、混凝土的单轴向强度指标有哪些？（即混凝土的基本强度指标）1）混凝土立方体抗压强度2）混凝土轴心抗压强度3）混凝土抗拉强度4、混凝土的徐变？影响因素？在荷载的长期作用条件下，混凝土的变形将随时间而增加，即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间持续增长，这种现象称为混凝土的徐变。

混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐发生粘性流动，微细孔隙逐渐闭合，结晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合成果。

5、混凝土的收缩在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减小的现象称为混凝土收缩。

6、钢筋的屈服强度一般以屈服下限为依据，称为屈服强度。

第2章1、工程结构在设计使用年限内的功能要求？、（1）安全性；（2）适用性；（3）耐久性2、结构可靠性；结构可靠度结构的可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，而把度量结构可靠性的数量指标称为可靠度。

结构的可靠度是对结构可靠性的定量描述，结构可靠度的定义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。

3、结构出现哪些状态即认为超过了承载能力极限状态？（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡。

1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.6和6.4.2，6.4.5，在剪力墙的轴压比计算中，轴力取重力荷载代表设计值，与柱子的不一样。

2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见抗规5.2.5。

3、侧向刚度比：主要为控制结构竖向规则性，高规。

3.5.2。

位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。

控制比例为1.5。

见抗规3.4.2、3.4.4。

4、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，要求见高规3.4.5。

5、刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆，要求见高规5.4.4。

6、剪跨比：梁的剪跨比，剪力的位置a与h0的比值。

剪跨比影响了剪应力和正应力之间的相对关系，因此也决定了主应力的大小和方向，也影响着梁的斜截面受剪承载力和破坏的方式；同时也反映在受剪承载力的公式上。

柱的剪跨比：，若反弯点在柱子层高范围内，可取柱子的剪跨比小于2时，需要全长加密，见混凝土规范11.4.12、11.4.6。

7、剪压比（梁柱截面上的名义剪应力V/bh0与混凝土轴心抗压强度设计值的比值）：梁塑性铰区的截面剪压比对梁的延性、耗能能力及保持梁的强度、刚度有明显的影响，当剪压比大于0.15的时候，梁的强度和刚度有明显的退化现象，此时再增加箍筋用量，也不能发挥作用，因此对梁柱的截面尺寸有所要求。

8、轴压比：轴压比是指有地震作用组合的柱组合轴压力设计值与柱的全截面面积和砼轴心受压抗压强度设计值乘积的比值，是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一。

轴压比限值的依据是理论分析和试验研究并参照国外的类似条件确定的，其基准值是对称配筋柱大小偏心受压状态的轴压比分界值。

9、跨高比：梁的跨高比（梁的净跨与梁截面高度的比值）对梁的抗震性能有明显的影响。

梁（非剪力墙的连梁）的跨高比小于5和深梁都按照深受弯构件进行计算的。

10、延性比：延性比即为弹塑性位移增大系数。

焊接结构的脆性破坏2010-08-21 23:22:33 作者：jql来源：浏览次数：597 网友评论0 条焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。

这些事故无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。

引起焊接结构脆断的原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条焊接结构广泛应用以来，曾发生过一些脆性断裂（简称脆断）事故。

这些事故无征兆，是突然发生的，一般都有灾难性后果，必须高度重视。

引起焊接结构脆断的原因是多方面的，它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。

防止焊接结构脆断是一个系统工程，光靠个别试验或计算方法是不能确保安全使用的。

一、焊接结构脆断的基本现象和特点通过大量焊接结构脆断事故分析，发现焊接结构脆断有下述一些现象和特点：1）多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发生，故称为低温脆断。

2）脆断的名义应力较低，通常低于材料的屈服点，往往还低于设计应力。

故又称为低应力脆性破坏。

3）破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。

4）破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生，一般都有断裂片散落在事故周围。

断口是脆性的平断口，宏观外貌呈人字纹和晶粒状，根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。

微观上多为晶界断裂和解理断裂。

5）脆断时，裂纹传播速度极高，一般是声速的1/3左右，在钢中可达1200~ 1800m/s。

当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时，裂纹就停止扩展。

6）若模拟断裂时的温度对断口附近材料做韧性能试验，则发现其韧性均很差，对离断口较远材料进行力学性能复验，其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。

二、焊接结构脆断的原因对各种焊接结构脆断事故进行分析和研究，发现焊接结构发生脆断是材料（包括母材和焊材）、结构设计和制造工艺三方面因素综合作用的结果。

就材料而言，主要是在工作温度下韧性不足，就结构设计而言，主要是造成极为不利的应力状态，限制了材料塑性的发挥；就制造工艺而言，除了因焊接工艺缺陷造成严重应力集中外，还因为焊接热的作用改变了材质（如产生热影响区的脆化）和产生焊接残余应力与变形等。

详解结构延性破坏与脆性破坏方式结构与构件的破坏方式的确定是在结构设计之初就要明确的问题，延性破坏显然是工程师们的首选。

所谓延性破坏是指材料、构件或结构具有在破坏前发生较大变形并保持其承载力的能力，宏观表现上为挠度、倾斜、裂缝等明显破坏先兆的破坏模式，更为重要的是，尽管出现明显的破坏征兆，但延性材料或结构仍然能够保持其承载力。

延性破坏的这种性能对于建筑物是十分重要的，其真正的意义在于以下几方面：首先，破坏先兆与示警作用——历史上发生的重特大建筑事故大多属于脆性破坏，如果建筑物在破坏之前的明显征兆可以提醒人们及时撤离现场或进行补救。

完全不能破坏的材料是不存在的，因此材料在破坏之前的示警作用对于建筑物来讲就十分重要了。

其次，延性材料或结构的延性不仅仅要体现在变形上，还要体现在破坏延迟上，即在承载力不降低或不明显降低的前提下，产生较大的明显的变形，即发生屈服。

这种破坏的延迟效应可以为逃生或者建筑物的修补提供宝贵的时间。

第三，正是由于延性材料与结构所产生的变形能力，因此对于动荷载的作用，可以体现出良好的工作性能，这对于结构的抗震是十分关键的。

在地震的作用下，结构所发生的宏观与微观的变形，都会储存大量的能量，避免发生破坏。

相反，脆性是与延性相对应的破坏性质，脆性材料或构件、结构在破坏前几乎没变形能力，在宏观上则表现为突然性的断裂、失稳或坍塌等。

应注意的问题是，虽然有些脆性材料可能具有较高的强度，采用脆性材料或构件、结构可能存在较大的承载力，但因没有破坏征兆或破坏征兆不明显，采用时宜多加慎重。

在结构设计时实现延性与防止脆性的方法其实并不复杂，一般遵循以下原则：其一，要尽可能采用延性材料为建筑结构材料，钢材是很好的延性材料，以往钢结构多用于高层、大跨度建筑、承担动荷载建筑中，随着科学技术的发展，钢结构住宅也已经开始逐步推广。

其二，对于脆性材料，可以采用延性材料改善其不良的性能，是指具有延性材料的破坏特征。

最为明显的例子是钢筋混凝土、劲性混凝土与钢管混凝土的应用。

焊接结构的脆性断裂及预防措施一、脆性断裂的原因焊接结构之所以发生脆性断裂，是因为焊缝接头处几何的不连续性形成或多或少的焊接缺陷，从而引起应力集中，形成断裂源。

另外，还由于焊接接头处的力学性质的不均匀，使附近热影响区材料性质变脆，以及焊缝接头处总是不可避免地要产生焊接变形及焊接残余应力。

所有这些都可能成为焊接结构破坏的直接原因或间接原因。

特别是一些直接承受动载荷的焊接结构，或是处于低温工作环境时，焊接结构更易发生脆性断裂。

二、脆性断裂的特征脆性断裂在工程结构上是一种非常危险的破坏。

其特点是裂纹扩展迅速，能量的消耗远小于韧性断裂，以低应力破坏为重要特征。

它是靠结构内部蓄积的弹性能的释放而自动传播导致破坏的，因而很少发现可见的塑性变形，断裂之前没有明显的预兆，而是突然发生的，所以说这种断裂往往会造成巨大的损失。

一般来说，金属脆性断裂时，无论是具有解理形断口，还是呈光泽的结晶状外观断口，都与板面大体垂直，而且板厚方向上的变形很小，在表面上附有一层剪切壁，呈无光泽灰色纤维状的剪断形，材料越脆，断裂的剪切壁越薄，断口上花样的尖端总是指向启裂点的方向，形成山形花样，追踪这个花样可以找到启裂点。

三、焊接结构防止脆性断裂的设计原则脆性断裂往往是瞬间完成的，其原因是构件中存在着焊接或冶金缺陷。

首先产生一小的裂纹，而后该裂纹以极快的速度扩展，部分或全部贯穿于结构中，造成脆性失效。

因此．防止焊接结构脆性破坏事故有效的设计方法是要使焊接结构最薄弱的部位具有抵抗脆性裂纹产生的能力。

同时，如果这些部位产生了脆性小裂纹时，其周围母材有将其迅速止住的能力。

在上述设计方法中，一般主要着眼点放在焊缝接头的抗脆性裂纹产生的能力上，以此作为设计的依据。

对于中低强度钢来说，由于残余应力的作用，焊缝接头处一旦产生脆性裂纹，通常向母材方向扩展，因此需要母材有一定的止裂性能。

这时，对于防止结构的脆性断裂是有意义的。

而对于高强度钢来说，裂纹的产生和扩展主要发生在焊缝中，这是因为由于母材强度的提高，接头中更易出现焊接缺陷，产生裂纹。

知识点1、建筑钢材有两种可能的破坏形式塑性破坏和脆性破坏，二者的特征可从塑性变形、名义应力、断口形式三方面来理解。

影响脆性破坏的因素有有害化学元素、冶金缺陷等，但总的来看，钢材的质量、应力集中和低温的影响比较大。

防止脆性破坏必须合理设计、正确制造和正确使用三者的相互配合。

2、钢材的σ－ε曲线在下列标准条件下获得的：Ⅰ）标准试件（无应力集中）；Ⅱ）静荷载一次拉伸到破坏；Ⅲ）试验温度为20°C。

按建筑钢材的σ－ε曲线其工作可分为弹性、弹塑性、塑性和强化四个阶段，并将其简化成理想弹塑性体。

从拉伸试验得到抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率δ5三个钢材基本性能指标，fu、fy是静力强度指标，δ5是钢材在静荷载作用下塑性性能指标。

承重结构钢材都应具有这三个指标合格的保证，对重要或需要冷加工的构件，其钢材尚应具有冷弯试验的合格保证。

3、冲击韧性Cv冲击韧性Cv是表示钢材在动力荷载作用下抵抗脆性断裂能力指标，对直接承受较大动力荷载的结构应提出相应冲击韧性要求。

4、应力钢材在静荷载作用下，单向应力时，要求截面最大应力不超过屈服点；复杂应力状态时，要求折算应力δeq不超过fy。

5、理解各种因素对钢材性能的不利影响对化学成分要分清有利元素和有害元素，应特别注意碳、硫、磷的影响。

重视应力集中产生的影响，其后果是导致局部产生双向或三向受拉的应力状态，使钢材变脆。

应通过合理的构造措施（如平缓过度）尽量避免应力集中。

6、正确选择钢材和提出合理指标要求规范推荐Q235、16Mn、16Mnq、15MnV、15MnVq钢为承重结构钢，理解它们牌号的表示方法，冶金工厂对材质应保证的项目和能附加保证的项目，掌握根据设计结构的具体条件正确选择钢材和提出合理指标要求的方法。

附：钢结构牌号钢结构牌号GB/T5613-1995标准中对铸钢规定了两种牌号表示方法1）以屈服强度和抗拉强度力学性能为主的牌号表示方法，如ZG200-400等。

混凝土结构原理知识点汇总1、混凝土结构基本概念1、掌握混凝土结构种类，了解各类混凝土结构的适用范围。

素混凝土结构:适用于承载力低的结构. 钢筋混凝土结构:适用于一般结构。

预应力混凝土结构：适用于变形裂缝控制较高的结构.2、混凝土构件中配置钢筋的作用:①承载力提高②受力性能得到改善③混凝土可以保护钢筋不发生锈蚀。

3、钢筋和混凝土两种不同材料共同工作的原因：①存在粘结力②线性膨胀系数相近③混凝土可以保护钢筋不发生锈蚀。

4、钢筋混凝土结构的优缺点.混凝土结构的优点:①就地取材②节约钢材③耐久、耐火④可模性好⑤现浇式或装配整体式钢筋混凝土结构的整体性好、刚度大、变形小混凝土结构的缺点：①自重大②抗裂性差③性质较脆2、混凝土结构用材料的性能2.1钢筋。

1、热轧钢筋种类及符号:HPB300—HRB335（HRBF335）-HRB400(HRBF400）—HRB500（HRBF500)—。

2、热轧钢筋表面与强度的关系：强度越高的钢筋要求与混凝土的粘结强度越高，提高粘结强度的办法是将钢筋表面轧成有规律的突出花纹，也即带肋钢筋（我国为月牙纹）.HPB300级钢筋强度低,表面做成光面即可。

3、热轧钢筋受拉应力-应变曲线的特点，理解其抗拉强度设计值的取值依据.热轧钢筋应力—应变特点：有明显的屈服点和屈服台阶,屈服后尚有较大的强度储备。

全过程分弹性→屈服→强化→破坏四个阶段。

抗拉强度设计值依据：钢筋下屈服点强度.4、衡量热轧钢筋塑性性能的两个指标：①伸长率伸长率越大，塑性越好。

混凝土结构对钢筋在最大力下的总伸长率有明确要求。

②冷弯性能:在规定弯心直径D和冷弯角度α下冷弯后钢筋无裂纹、磷落或断裂现象。

.5、常见的预应力筋:预应力钢绞线、中高强钢丝和预应力螺纹钢筋。

.6、中强钢丝、钢绞线的受拉应力-应变曲线特点:均无明显屈服点和屈服台阶、抗拉强度高。

7、条件屈服强度σ0。

2为对应于残余应变为0.2％的应力称为无明显屈服点的条件屈服点。

二、问答题1、将空心板截面换算成等效的工字形截面的方法，是根据面积，惯性矩和形心位置不变的原则。

2、1）适筋梁破坏——塑性破坏。

梁的受拉区钢筋首先达到屈服强度，其应力保持不变而应变显著地增大，直到受压区边缘混凝土的应变达到极限压应变时，受压区出现纵向水平裂缝随之混凝土压碎而破坏。

这种梁破坏前，梁的裂缝急剧开展，挠度较大，梁截面产生较大的塑性变形，因而有明显的破坏预兆，属于塑性破坏。

2）超筋梁破坏——脆性破坏。

当实际配筋率ρ＞ρmax时，梁的破坏时压区混凝土被压坏，而受拉区钢筋应力尚未达到屈服强度。

破坏前梁的挠度及截面曲率曲线没有明显的转折点，受拉区的裂缝开展不宽，延伸不高，破坏是突然的，没有明显预兆，属于脆性破坏，称为超筋梁破坏。

3）少筋梁破坏——脆性破坏。

梁中实际配筋率ρ小于ρmin时，梁受拉区混凝土一开裂，受拉钢筋到达屈服，并迅速经历整个流幅而进入强化阶段，梁仅出现一条集中裂缝，不仅宽度较大，而且沿梁高延伸很高，此时受压区混凝土还未压坏，而裂缝宽度已很宽，挠度过大，钢筋甚至被拉断。

由于破坏很突然，故属于脆性破坏。

把具有这种破坏形态的梁称为少筋梁。

3、混凝土在荷载长期作用下，随时间t产生的变形称为徐变。

当压应力δ在（0.5～0.8）Rao 之间时，徐变的增长较应力的增长为快，称为非线性徐变。

影响徐变的主要因素有：(1)、混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小。

(2)、加荷时混凝土的龄期。

龄期越短，徐变越大。

(3)、混凝土的组成成分和配合比。

(4)、养护段使用条件下的温度与湿度。

四、计算题1、承载力Njmax=569.1KN，满足承载力要求2、A’g=313mm2 Ag=1509mm2。