結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)——結(jié)構(gòu)的水平體系PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的水平體系結(jié)構(gòu)的水平體系3.1 鋼筋混凝土梁的受力狀態(tài)分析(Mechanical Analysis of R.C. Beam )3.1 鋼筋混凝土梁的受力狀態(tài)分析(Mechanical Analysis of R.C. Beam )3.2 結(jié)構(gòu)水平體系的主要類(lèi)型和特點(diǎn) ( The Major Styles and Characteristics of Horizontal Structural System)概述(Introduction )第1頁(yè)/共16頁(yè) 梁是最常見(jiàn)的水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)用很廣，主要承受彎矩和剪力，是最典型的受彎構(gòu)件。 在混凝土梁的受拉區(qū)適當(dāng)

2、配置鋼筋，由鋼筋來(lái)承擔(dān)混凝土中的拉應(yīng)力，可大大提高梁的承載能力。實(shí)際上，鋼筋混凝土梁(或結(jié)構(gòu))是鋼筋和混凝土兩種不同材料組合而成的組合結(jié)構(gòu)，兩種材料充分發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，共同工作，受力合理。凡是梁中混凝土抗拉不足的部位，都可以用鋼筋來(lái)加強(qiáng)。VM 根據(jù)力學(xué)知識(shí)，如果將鋼筋沿梁的主拉應(yīng)力跡線布置，受力最為合理。但通常鋼筋是一根一根的直筋，這樣布置施工上有一定困難。(a)第2頁(yè)/共16頁(yè)鋼筋混凝土梁試驗(yàn)試驗(yàn)梁反力架分配梁第3頁(yè)/共16頁(yè)3.1 鋼筋混凝土梁的受力狀態(tài)分析鋼筋混凝土適筋梁正截面破壞縱筋首先屈服混凝土隨后壓碎第4頁(yè)/共16頁(yè)鋼筋混凝土超筋梁正截面破壞混凝土受壓區(qū)被壓壞側(cè)向受拉破壞向上受拉破

3、壞 總之，是在垂直主壓應(yīng)力方向發(fā)生受拉破壞。第5頁(yè)/共16頁(yè)3.1 鋼筋混凝土梁的受力狀態(tài)分析鋼筋混凝土梁斜截面剪壓破壞剪壓破壞第6頁(yè)/共16頁(yè)鋼筋混凝土梁斜截面剪壓破壞剪壓區(qū)斜裂縫第7頁(yè)/共16頁(yè)(b)(c)彎起筋架立筋或受壓筋 鋼箍縱筋(d) 鋼筋混凝土梁中的鋼筋布置如圖 (b)所示，下部縱筋主要用來(lái)承受彎矩引起的拉力，鋼箍和彎起鋼筋主要用來(lái)承受斜截面上的主拉應(yīng)力。支座附近彎矩小，縱筋在靠近支座附近不能被充分利用，所以可彎起來(lái)承受斜截面上的拉力。鋼筋的抗壓強(qiáng)度也很高，埋在混凝土中還不易失穩(wěn)，有時(shí)也用來(lái)幫助受壓區(qū)混凝土抗壓，以提高受壓區(qū)的承載力。 由于鋼筋拉應(yīng)力較高，一般情況下鋼筋混凝土梁是

4、帶裂縫工作的，主要有跨中附近的垂直裂縫和支座附近的斜裂縫。隨著荷載的增大，裂縫會(huì)不斷擴(kuò)大和延伸。鋼筋混凝土梁開(kāi)裂以后的工作狀態(tài)比較復(fù)雜，為加深對(duì)鋼筋混凝土梁開(kāi)裂后工作狀態(tài)的理解，可以運(yùn)用學(xué)得的結(jié)構(gòu)概念，把它設(shè)想為某種我們已經(jīng)比較熟悉的結(jié)構(gòu)。 （1） 把鋼筋混凝土梁設(shè)想為帶有下斜腹桿的一個(gè)平行弦桁架，此時(shí)受拉縱筋為下弦，上部受壓混凝土為上弦(上部受壓縱筋也可看作是上弦的一部分)，鋼箍為豎向腹桿，而彎起鋼筋則是下斜式受拉腹桿(圖c) ?？缰袥](méi)有彎起鋼筋的梁段，可以設(shè)想由混凝土充當(dāng)受壓斜腹桿。 （2） 把只有一排彎起筋的鋼筋混凝土梁看作下沉式桁架(圖d) ，受力狀態(tài)基本相同，只是中間由混凝土充當(dāng)受壓

5、腹桿的梁段長(zhǎng)一些而已。 第8頁(yè)/共16頁(yè) （3） 對(duì)于沒(méi)有彎起鋼筋的梁，可以設(shè)想為帶有上斜腹桿的平行弦桁架，由梁腹混凝土充當(dāng)斜向受壓腹桿(圖e) 。 學(xué)過(guò)鋼筋混凝土基本構(gòu)件的同學(xué)一定還記得，在梁的斜截面計(jì)算中有一個(gè)截面限制條件，對(duì)于一般截面梁，其表達(dá)式為： V = 0.25b h0 fc 式中： fc 混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； b 和h0 分別為截面寬度和有效高度。 此式反應(yīng)了梁在主壓應(yīng)力方向的極限承載力。在剪力V作用下梁在主拉應(yīng)力方向產(chǎn)生拉應(yīng)力的同時(shí)，在主壓應(yīng)力方向也將產(chǎn)生同樣大小的壓應(yīng)力，過(guò)大的斜向壓應(yīng)力有可能使梁在斜壓方向壓碎。 對(duì)比圖e）的支座斜腹桿，假設(shè)此斜腹桿的截面高度為h1，則有

6、 b h1 fc sin a= V = 0.25 b h0 fc 得 h1 = 0.25 h0 / sin a 設(shè)主壓力近似為45，將 sin45= 0.707代入上式得 h1 = 0.35 h0 也即這斜腹桿的截面高度大約相當(dāng)于0.35 h0 。(e)第9頁(yè)/共16頁(yè) （4）對(duì)于裂縫開(kāi)展得很?chē)?yán)重的鋼筋混凝土梁，可以認(rèn)為受拉區(qū)混凝土已退出工作，此時(shí)，可以把它設(shè)想為一個(gè)帶拉桿的拱，拱拉力由縱筋承擔(dān)，拱壓力由混凝土承擔(dān)(圖f )。梁上各截面的彎矩M由縱筋拉力與相應(yīng)截面拱壓力的水平分量組成的力偶來(lái)平衡；各截面的剪力由相應(yīng)截面拱壓力的豎向分量來(lái)平衡。越靠近支座，拱軸越傾斜，其抗剪力的豎向分量也越大。

7、“拱”下梁腹部分混凝土開(kāi)裂后基本上不起作用，挖幾個(gè)洞對(duì)承載力也沒(méi)有明顯影響。因此，工程中常在薄腹梁(屋面大梁)跨中腹板處挖去幾個(gè)圓洞，這樣既可減輕自重，節(jié)省材料，還可以穿越管線。 拉桿拱的拉力也可由支座推力來(lái)承擔(dān)，只要支座能提供足夠的推力，則拉桿可以取消(圖g) ，拱作用不會(huì)有任何變化。 （f)（g)HHHHVVf第10頁(yè)/共16頁(yè)北京 革命軍事博物館帶地下拉桿的鋼筋混凝土落地拱第11頁(yè)/共16頁(yè)敞肩式石拱橋第12頁(yè)/共16頁(yè) （5）在后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁中，有時(shí)也采用曲線配筋(圖h ) ，此時(shí)曲線鋼筋受拉，上部“弦桿”混凝土受壓，受力狀態(tài)與帶拉桿的拱正好相反。各截面的剪力由曲線鋼筋拉力在截面上

8、的豎向分量來(lái)平衡，上弦只提供壓力，以便與相應(yīng)截面曲線鋼筋拉力的水平分量組成力偶，來(lái)平衡該截面的彎矩。 如果支座可以提供足夠的水平力，那么上弦壓桿也可以去掉，支座水平力與上弦壓力的作用效應(yīng)是一樣的。可以看出，此時(shí)已變?yōu)橐粦宜鹘Y(jié)構(gòu)(圖i )。（h)HHHHVVf（i )第13頁(yè)/共16頁(yè)懸 索 橋第14頁(yè)/共16頁(yè) 上述對(duì)鋼筋混凝土梁受力狀態(tài)的分析，目的在于深入了解鋼筋混凝土梁的工作機(jī)理，加深對(duì)受彎構(gòu)件的理解。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，只要設(shè)法承受截面的彎矩M 和剪力V，就能形成水平構(gòu)件，跨越一定跨度。梁、拱、桁架、懸索等結(jié)構(gòu)構(gòu)件在這一點(diǎn)上并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。 桁架、拱和懸索巧妙地將彎矩M和剪力V 都轉(zhuǎn)化為相應(yīng)

9、桿件的軸力，可以充分利用材料的受力特性和充分利用桿件的截面面積，使構(gòu)件變得更經(jīng)濟(jì)合理，自重更輕。 梁高相對(duì)其跨度而言是比較小的，例如，次梁的高跨比通常為1/121/16，主梁的高跨比通常為1/81/12。而桁架、拱和懸索結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中通常用在屋蓋系統(tǒng)，可適當(dāng)提高其有效高度，其截面高度相對(duì)其跨度而言，例如桁架的高跨比通常可高達(dá)1/41/7。很明顯，增高結(jié)構(gòu)高度可大大減小構(gòu)件內(nèi)力，從而使桿件截面更小，自重更輕，可跨越更大的跨度。 在第一章中曾談到結(jié)構(gòu)尺度的概念，按比例放大一根梁是行不通的。因?yàn)榱鹤灾氐脑黾颖绕淇沽Φ脑黾舆€要快，梁會(huì)被其自重壓垮。而結(jié)構(gòu)形式的改變，不但可使構(gòu)件的受力狀態(tài)發(fā)生改變(例如，從梁的受彎受剪，改變?yōu)殍旒堋⒐?、懸索結(jié)構(gòu)以承受軸力為主)，增加內(nèi)力臂而減少構(gòu)件內(nèi)力，同時(shí)也大大減輕了結(jié)構(gòu)自重，這樣才能使結(jié)構(gòu)跨越更大的跨度。 可見(jiàn)，從結(jié)構(gòu)基本概念出發(fā)，合理改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，使結(jié)構(gòu)受力更合理，對(duì)結(jié)構(gòu)工程師來(lái)說(shuō)，是十