《混凝土结构理论》课程指导书.doc

郑州大学现代远程教育混凝土结构理论课程学习指导书楚留声 编n 课程内容与基本要求 混凝土结构理论课程介绍了土木工程专业中最常见的钢筋混凝土结构基本概念和计算方法。根据该课程的特点，按模块分别介绍了钢筋混凝土基本概念和设计方法、受弯构件正截面承载力计算及梁板结构、受弯构件斜截面承载力计算、受扭构件承载力计算、钢筋混凝土构件正常使用极限状态和预应力概念等六个方面的内容。其中模块二、模块三和模块五较为详尽的介绍了钢筋混凝土三类受力构件的基本原理、设计方法和构造要求等，牵扯到计算的内容较多，也是本课程的重点内容。其他三个模块则更侧重于从整体设计概念以和结构体系布置等方面对内容进行介绍，需要理解的基本概念和设计原则较多。在学习过程中，要求学生通过课件、自测、习题等手段，掌握混凝土结构的基本理论，使其具有一般钢筋混凝土结构的设计概念，能够正确理解各类受力构件的设计方法和构造要求；自觉将混凝土理论应用于工程施工和管理中，并对于混凝土结构设计规范具有初步认知能力。其中，需要重点掌握工程中常见混凝土受力构件的设计原理和计算方法，对构件破坏破坏有整体的力学概念，并对工程中常见的钢筋混凝土构件截面能正确进行设计计算。n 课程学习进度与指导教学模块课程内容建议学时学习指导 模块一钢筋混凝土基本概念和设计方法8以课件学习为主，重点理解混凝土材料特性和设计理论* 模块二受弯构件正截面承载力计算及梁板结构13学习课件，做自测；结合习题掌握受弯构件计算过程* 模块三受弯构件斜截面承载力计算4学习课件，做自测；结合习题掌握受剪构件计算过程模块四受扭构件承载力计算4学习课件，重点掌握受扭构件破坏模式和设计方法* 模块五 受压和受拉构件承载力计算8学习课件，做自测；结合习题掌握受压构件计算过程模块六 钢筋混凝土构件正常使用极限状态和预应力概念7以课件学习为主，理解正常使用极限状态和预应力的理论学习模块 一： 钢筋混凝土结构基本概念和设计方法一、学习目标： 了解钢筋混凝土材料、构件和结构的基本概念和设计方法二、学习内容： （1）钢筋混凝土结构基本材料性能；（2）钢筋混凝土结构设计方法三、本章重点、难点：重点：钢筋的物理力学性质；混凝土力学性质；混凝土结构设计方法难点：两种材料的承载能力和变形能力；概率设计方法四、建议学习策略：学习课件；做自测5、 习题：1.名词解释 结构的可靠性： 作用和作用效应: 结构抗力: 条件屈服强度: 徐变和收缩: 极限状态:2. 简答题（1）钢筋和混凝土两种不同材料能够有效结合在一起共同工作的原因 ？ （2）钢筋和混凝土之间的粘结力主要由哪几部分组成？影响粘结强度的因素有哪些？（3）建筑结构应满足哪些功能要求？为满足这些功能要求，需要对结构进行什么验算？ (4)什么是结构的设计状况？工程结构设计的设计状况可分为哪几种？ (5)什么是徐变？徐变对钢筋混凝土结构有何影响？ (6)混凝土收缩变形有哪些特点？对混凝土结构有哪些影响？ (7)钢筋的应力-应变关系分为哪两类？为何将屈服强度作为强度设计指标？学习模块 二：混凝土结构构件 一、学习目标： 学习混凝土受弯构件正截面承载力设计方法二、学习内容：混凝土受弯构件的正截面破坏形态、计算方法和基本构造要求三、本章重点、难点：重点：受弯构件正截面的计算方法和主要步骤难点：适筋梁的计算过程四、建议学习策略：听课件；做自测、分析案例五、习题： 1.名词解释 梁截面有效高度；界限相对受压区高度；单向板；双向板；塑性内力重分布 2.简答题 （1）钢筋混凝土正截面受弯构件有哪几种破坏形态？各有什么特征？ (2)简述钢筋混凝土塑性铰的特点。 (3)正截面承载力计算的基本假定？ (4)简述适筋梁破坏三个阶段的受力特点及其与计算的联系？ (5)什么情况下可以采用双筋截面梁？配置受压钢筋有何有利作用？ 3.计算题 (1)已知矩形截面简支梁，跨中弯矩设计值M=140KN.m。该梁的截面尺寸bh=200mm450mm,混凝土强度等级C30，钢筋HRB400级。试确定该梁跨中纵筋配筋面积As。 （2）某钢筋混凝土矩形截面梁，混凝土保护层厚为25mm(二a类环境)，b=250mm，h=500mm，承受弯矩设计值M=160KN.m，采用C20级混凝土，HRB400级钢筋，箍筋直径为8mm，截面配筋如图所示。复核该截面是否安全。已知：fc=9.6N/mm2，ft=1.1N/mm2，fy=360N/mm2，=1.0 ，h0=455mm学习模块 三：受弯构件斜截面承载力计算 一、学习目标： 学习混凝土受剪构件的设计方法二、学习内容：混凝土受剪构件的破坏形态、计算方法和基本构造要求三、本章重点、难点：重点：混凝土受剪的计算方法和主要步骤难点：受剪构件剪压破坏的计算过程四、建议学习策略：听课件；做自测、分析案例五、习题： 1.名词解释抵抗弯矩图；筋腹；无腹筋梁；配箍率；剪跨比 2.简答题 （1）钢筋混凝土斜截面受剪有哪几种破坏形态？各有什么特征？ (2) 影响无腹筋梁受剪承载力的因素有哪些？ (3)影响有腹筋梁受剪承载力的因素有哪些？ (4)箍筋的作用有哪些？ (5)纵筋弯起需满足什么条件？ 3.计算题（1）某简支梁bh=250mm600mm,混凝土强度等级为C30（=1.43N/mm2 =14.3N/mm2），箍筋采用双肢10HPB300级钢筋 （Asv1=78.5mm2,fyv=270Mpa）, 承受均布荷载，剪力设计值为382kN。as。请按照仅配置箍筋对构件进行斜截面抗剪承载力设计。已知： ，。学习模块 四：混凝土受扭构件承载力计算 一、学习目标： 了解各种混凝土受扭构件设计方法二、学习内容：（1）纯扭构件的承载力计算；（2）弯剪扭构件的承载力计算三、本章重点、难点：重点：纯扭构件的主要破坏形态；弯剪扭构件的设计方法难点：受扭构件的主要计算过程四、建议学习策略：听课件；做自测；讨论交流五、习题：1.名词解释截面有效高度；受扭构件计算的bt；受扭构件计算的Wt；受扭构件配筋强度比2.简答题 （1）纯扭构件有哪些破坏形态？计算中如何保证出现希望的破坏模式。 (2) 简述弯剪扭构件承载力计算原理？ (3)纯扭构件有哪些破坏形态？破坏特征是什么？ (4)受扭构件与受弯构件的纵筋和箍筋配置要求有何不同？ (5)配筋强度比的含义是什么？有何作用？学习模块 五：受压和受拉构件承载力计算 一、学习目标： 学习轴心受压构件、偏心受压构件和受拉构件的设计、计算和主要构造二、学习内容：（1）轴心受压构件设计；（2）非对称配筋偏心受压构件；（3）对称配筋偏心受压构件三、本章重点、难点：重点：轴心受压和偏心受压构件的设计方法难点：偏心受压构件设计过程五、习题： 1.名词解释N u-M u相关曲线；单向偏心受压构件；双向偏心受压构件；稳定系数；附加偏心距： 2.简答题 （1）偏心受压构件正截面破坏形态有哪几种？破坏特征各是什么？ (2) 非对称配筋偏心受压构件如何设计最经济，为什么？ (3) 简述配有螺旋箍筋的轴心受压柱的破坏形态 。 (4) 轴心受压构件中纵向钢筋配筋率有何要求，为什么？ (5)配筋强度比的含义是什么？有何作用？ 3.计算题 (1)钢筋混凝土偏心受压柱，截面尺寸=400mm600mm，轴向力设计值N=1400KN，柱两端弯矩设计值分别为M1=280KNm，=340KNm，混凝土强度等级为C30（，1=1.0），纵筋采用HRB400（=360N/mm2）。其中，。按对称配筋计算受压钢筋和受拉钢筋面积。学习模块 六：钢筋混凝土构件的正常使用极限状态一、学习目标： 学习钢筋混凝土构件正常使用极限状态的验算内容和方法二、学习内容：（1）裂缝宽度验算；（2）挠度验算；（3）混凝土结构耐久性三、本章重点、难点：重点：裂缝的成因、计算和主要措施；挠度的影响因素、计算和主要措施难点：裂缝和挠度的计算过程四、建议学习策略：看课件；做自测；讨论交流五、习题： 1.名词解释最小刚度原则；预应力混凝土；张拉控制应力；耐久性 2.简答题 （1）混凝土结构常见的引起耐久性问题的原因有哪些? (2) 简述减小钢筋混凝土梁裂缝宽度的主要措施。 (3)影响混凝土耐久性主要因素? (4)混凝土结构为什么要进行正常使用极限状态验算？包括哪些内容？ (5)裂缝产生裂缝产生的原因？ （6）增大刚度或减小挠度的措施有哪些？ （7）预应力构件对预应力钢筋的要求是什么？ （8）何为张拉控制应力？张拉控制应力为什么不能过低也不能过高？考试模拟题第一部分 客观题一、单项选择（每小题2分，共20分）1、下列哪种特性不是钢筋混凝土的优点（ ） A、耐久性好 B、可模型好 C、抗裂性好 D、耐火性好2、立方体抗压强度测定采用的标准立方体试件边长为（ ） A、100mm B、150mm C、180mm D、200mm3、受弯构件极限承载力验算是以下列哪个状态为依据的（ ） A、Ia B、II C、III D、IIIa4、影响无腹筋梁受剪破坏形态的主要因素是（ ） A、剪跨比 B、混凝土强度 C、纵筋配筋率 D、纵筋配筋强度5、部分超筋破坏的钢筋混凝土受扭构件的破坏属于（ ） A、延性破坏 B、受压脆性破坏 C、受拉脆性破坏 D、有一定的延性 6、当N2 N1 M2时，钢筋混凝土受压柱采用对称配筋，下面哪组内力计算的配筋最大（ ） A、 N1，M1 B、N1，M2 C、N2，M2 D、 N2，M17、提高钢筋混凝土受弯构件弯曲刚度的有效方法有 （ ）A、增加截面高度 B、增加构件的配筋C、提高混凝土强度 D.增加箍筋数量8、有腹筋剪扭构件的剪扭承载力（ ）A、混凝土部分相关，钢筋部分不相关 B、混凝土部分不相关，钢筋部分相关 C、混凝土和钢筋部分都相关 D、混凝土和钢筋部分都不相关9、 受拉钢筋应变不均匀系数越大，表明 （ ） A裂缝间受拉混凝土参加工作程度越大 B裂缝间受拉混凝土参加工作程度越小C裂缝间钢筋平均应变越小 D与裂缝间受拉混凝土参加工作程度无关10、在长期荷载作用下，引起受弯构件变形增大的主要原因是（ ） A、混凝土徐变和收缩 B、钢筋与混凝土之间的滑移 C、裂缝宽度增大 D、构件中未设受压钢筋2、 是非题（每小题1分，共10分）（说明：正确的选“A”,错误选“B”）11.建筑结构需满足安全性、适用性和耐久性等三方面的要求。（ ）12.如果梁受拉区钢筋较多，钢筋需要布置为两排，则该梁截面称为双筋矩形截面。（ ）13.配置箍筋可以提高梁的抗剪承载力，防止斜压破坏 （ )14.矩形截面纯扭构件的第一条斜裂缝一般现在长边中点出现（ ）15.对偏心受压构件来说，轴压力一定时，弯矩越大越不利 （ ）16.保护层厚度越大，构件裂缝宽度越大，因此设计中增加保护层厚度对结构耐久性不利（ ）17.无明显屈服点的钢筋取残余应变为0.2%时对应的应力作为强度设计指标。（ ）18.规范要求受扭构件的纵筋和箍筋配筋强度比0.61.7是为了防止超筋破坏（ ） 19.对混凝土施加预应力可提高构件的极限承载力 （ ）20.采用预应力混凝土受弯构件是因为普通受弯构件的承载力不能满足要求 （ ）第二部分 主观题一、名词解释：（每题3分，共18分）1、作用和作用效应：2、界限相对受压区高度：3、腹筋：4、受扭构件计算的bt：5、稳定系数6、张拉控制应力：二、简答题（每题5分，共30分）1、钢筋和混凝土的粘结力主要由哪几部分组成？影响粘结强度的因素有哪些？2、 钢筋混凝土正截面受弯构件有哪几种破坏形态？各有什么特征？3、影响有腹筋梁受剪承载力的因素有哪些？4、纯扭构件有哪些破坏形态？破坏特征是什么？5、非对称配筋偏心受压构件如何设计最经济，为什么?6、简述减小钢筋混凝土梁裂缝宽度的主要措施。三、计算题（第1小题：10分；第2小题：12分，共22分）1、已知矩形截面简支梁，跨中弯矩设计值M=140KN.m。该梁的截面尺寸bh=200mm450mm,混凝土强度等级C30，钢筋HRB400级。试确定该梁跨中纵筋配筋面积As。附：fc=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2，fy=360N/mm2，=1.0， ，h0=450-45=405mm2、某简支梁bh=250mm600mm,混凝土强度等级为C30（=1.43N/mm2 =14.3N/mm2），箍筋采用双肢10HPB300级钢筋 （Asv1=78.5mm2,fyv=270Mpa）, 承受均布荷载，剪力设计值为382kN。as。请按照仅配置箍筋对构件进行斜截面抗剪承载力设计。已知： ，。 附模拟题答案要点客观题答案1、 单项选择 1.C 2.B 3.D 4.A 5.D 6.C 7.A 8.A 9.B 10.A2、 是非题 11.A 2.B 3.B 4.A 5.A 6.B 7.A 8.B 9.B 10.B主观题答案1、 名词解释1、作用和作用效应：作用是使结构产生内力或变形的各种原因，作用效应：结构上各种作用对结构产生的效应的总称。2、界限相对受压区高度：受拉钢筋屈服的同时受压区混凝土被压碎，即适筋梁和超筋梁的界限破坏状态时的相对受压区高度。3、腹筋：箍筋和弯起钢筋统称腹筋。4、受扭构件计算的bt：剪扭构件混凝土强度降低系数。5、稳定系数：表示因长细比较大而引起的长柱承载力降低程度的系数。6、张拉控制应力：是指张拉钢筋时，张拉设备的测力装置显示的总张拉力除以预应力钢筋横截面面积得出的应力值二、简答题：1、钢筋和混凝土的粘结力主要由哪几部分组成？影响粘结强度的因素有哪些？答：化学胶着力、摩阻力、和机械咬合力三种。影响因素有：钢筋表面形状、混凝土强度、保护层厚度、钢筋浇筑位置、钢筋净间距、横向钢筋和横向压力等。2、钢筋混凝土正截面受弯构件有哪几种破坏形态？各有什么特征？答：1）适筋梁：破坏特征为受拉钢筋首先屈服，然后受压区混凝土被压碎。从钢筋屈服到受弯构件破坏，屈服弯矩My到极限弯矩Mu变化不大，但构件曲率或挠度f变形很大，破坏前有明显预兆，表现为延性破坏。 2）超筋梁：破坏特征表现为受压混凝土先压碎，受拉钢筋未屈服。超筋梁的破坏取决于受压区混凝土的抗压强度，受拉钢筋的强度未得到充分发挥，破坏为没有明显预兆的脆性破坏，实际工程中应避免采用。 3）少筋梁：破坏特征是混凝土一开裂就破坏。梁的强度取决于混凝土的抗拉强度，混凝土的受压强度未得到充分发挥，极限弯矩很小，属于受拉脆性破坏特征，且承载能力低，应用不经济，实际工程中应避免采用。 3、影响有腹筋梁受剪承载力的因素有哪些？答：剪跨比、混凝土强度、配箍率、箍筋强度、纵筋配筋率等。4、纯扭构件有哪些破坏形态？破坏特征是什么？ 答：（1）少筋破坏：箍筋和纵筋数量过少时，钢筋不足以承担混凝土开裂后释放的拉应力，一旦开裂，受扭变形迅速增大至破坏，变现为明显的脆性； （2）超筋破坏：纵筋和箍筋都过多时，受扭构件在破坏前出现较多细而密的螺旋形裂缝，在钢筋屈服前混凝土先压坏，变现为受压脆性破坏； （3）部分超筋破坏：箍筋和纵筋配筋比例相差过大时，会出现两者中配筋率较小的钢筋屈服，而另一种钢筋未达到屈服的情况。具有一定的延性，但小于适筋构件； （4）适筋破坏：箍筋和纵筋配置都合适时，与裂缝相交的纵筋和箍筋均能达到屈服，然后混凝土压坏，属于延性破坏。5、 非对称配筋偏心受压构件如何设计最经济，为什么?答：（1）大偏心受压构件：取。原因：充分利用受压区混凝土承受压力，可使总用钢量（）最少。（1） 小偏心受压构件：取 。原因：远离偏心压力一侧的纵向受力钢筋不论受拉还是受压，其应力均不能达到屈服强度，因此取其等于最小配筋梁一般最为经济。6、简述减小钢筋混凝土梁裂缝宽度的主要措施。答： （1）减小钢筋直径 （2）提高混凝土强度 （3）增减配筋率或配筋面积（4）采用变形钢筋 （5）采用预应力三、计算题1、解： （1）计算x，并判断是否超筋 不属于超筋。 （2）计算As，并判断是否少筋 不属于少筋。因此，纵向受力钢筋面积As取1174mm2满足适筋梁要求。2、 解:（1）计算截面有效高度.=560mm （2）验算截面尺寸=560mm, , =1.0=0.251.014.3250560=500500N=500.5kN382kN截面尺寸满足要求. （3）验算是否需要计算配箍 =0.71.01.43250560 =140140N=140.14kN2时，板主要沿短跨方向受弯，设计中可仅考虑短边方向受弯，长边可仅按构造处理的板。4、 双向板：当l2/l12时，沿板长边传递的荷载以及长跨方向的弯矩均不能忽略，设计中需考虑双向受弯的板。5、 塑性内力重分布：由于超静定结构的塑性变形而使结构内力重新分布的现象。二、简答题 1、 钢筋混凝土正截面受弯构件有哪几种破坏形态？各有什么特征？答：1）适筋梁：破坏特征为受拉钢筋首先屈服，然后受压区混凝土被压碎。从钢筋屈服到受弯构件破坏，屈服弯矩My到极限弯矩Mu变化不大，但构件曲率或挠度f变形很大，破坏前有明显预兆，表现为延性破坏。 2）超筋梁：破坏特征表现为受压混凝土先压碎，受拉钢筋未屈服。超筋梁的破坏取决于受压区混凝土的抗压强度，受拉钢筋的强度未得到充分发挥，破坏为没有明显预兆的脆性破坏，实际工程中应避免采用。 3）少筋梁：破坏特征是混凝土一开裂就破坏。梁的强度取决于混凝土的抗拉强度，混凝土的受压强度未得到充分发挥，极限弯矩很小，属于受拉脆性破坏特征，且承载能力低，应用不经济，实际工程中应避免采用。 2、简述钢筋混凝土塑性铰的特点。 答：A). 仅沿弯矩方向转动； B). 转动能力有限； C). 能承担一定弯矩 Mu；D). 形成塑性变形区域。3、正截面承载力计算的基本假定？答：（1）截面保持平面；（2）不考虑混凝土的抗拉强度；（3）采用简化的混凝土的应力应变关系曲线;(4)纵向钢筋的应力等于钢筋应变与起弹性模量的乘积，但绝对值不大于其强度设计值。4、简述适筋梁破坏三个阶段的受力特点及其与计算的联系？答：（1）第I阶段，弹性工作阶段，其阶段末Ia为抗裂验算的依据；（2）第II阶段，带裂缝工作阶段，为裂缝跨度和挠度计算依据；（3）第III阶段，破坏阶段，其阶段末IIIa为承载力计算依据。5、什么情况下可以采用双筋截面梁？配置受压钢筋有何有利作用？答：（1）梁承受的弯矩很大，构件截面尺寸和材料受使用和施工限制不能增加，同时计算无法满足单筋截面最大配筋率限制条件而出现超筋梁；（2）不同荷载组合下，截面承受正、负弯矩作用时；配置受压钢筋有利于提高截面的延性。三、计算题1、已知矩形截面简支梁，跨中弯矩设计值M=140KN.m。该梁的截面尺寸bh=200mm450mm,混凝土强度等级C30，钢筋HRB400级。试确定该梁跨中纵筋配筋面积As。附：fc=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2，fy=360N/mm2，=1.0， ，h0=450-45=405mm解： （1）计算x，并判断是否超筋 不属于超筋。 （2）计算As，并判断是否少筋 不属于少筋。因此，纵向受力钢筋面积As取1174mm2满足适筋梁要求。2、某钢筋混凝土矩形截面梁，混凝土保护层厚为25mm(二a类环境)，b=250mm，h=500mm，承受弯矩设计值M=160KN.m，采用C20级混凝土，HRB400级钢筋，箍筋直径为8mm，截面配筋如图所示(As为1256mm2)。复核该截面是否安全。已知：fc=9.6N/mm2，ft=1.1N/mm2，fy=360N/mm2，=1.0， ，h0=455mm解：（1）计算配筋率 故不属于少筋破坏（2）计算受压区高度 （3）计算受弯承载力 故承载力满足要求，该截面安全。模块三答案要点：一、 名词解释1、 抵抗弯矩图：按截面实有纵筋的面积计算截面实际能够抵抗弯矩的图形2、 腹筋：箍筋和弯起钢筋统称腹筋。3、 无腹筋梁：仅有纵筋而未配置腹筋的梁称为无腹筋梁。4、 配箍率：箍筋截面面积与相应混凝土面积的比值，即。5、剪跨比：指剪弯区段某垂直截面弯矩相对于剪力和有效高度的比值，即，对于集中荷载简支梁，可简化为。二、简答题1、钢筋混凝土斜截面受剪有哪几种破坏形态？各有什么特征？答：斜拉破坏：若剪跨比过大(3)，或配箍率太小，斜裂缝一出现，与斜裂缝相交的箍筋应力就很快达到屈服，箍筋不再限制斜裂缝的开展，构件斜向拉裂为两部分而破坏，具有很明显的脆性。剪压破坏：构件箍筋适量，且剪跨比适中（1 3），临近破坏时在剪弯段受拉区出现一条临界斜裂缝，箍筋应力达到屈服强度，最后剪压区的剪应力和压应力迅速增加而压碎，属于脆性破坏。斜压破坏：箍筋过多或梁很小时，一般小于1，梁的弯剪段腹部混凝土被一系列近乎平行的斜裂缝分割成许多倾斜的受压体，在正应力和剪应力共同作用下混凝土被压碎导致，箍筋未屈服，属脆性破坏。 2、影响无腹筋梁受剪承载力的因素有哪些？答：剪跨比、混凝土强度、纵筋配筋率、尺寸效应、截面形状等。 3、影响有腹筋梁受剪承载力的因素有哪些？答：剪跨比、混凝土强度、配箍率、箍筋强度、纵筋配筋率等。 4、箍筋的作用有哪些？答：（1）斜裂缝出现后，斜裂缝间的拉应力由箍筋承担，增强了梁的剪力传递能力； （2）箍筋限制了斜裂缝的发展，增加了剪压区的面积； （3）减少斜裂缝宽度，提高裂缝间的骨料咬合力； （4）增强了纵筋的销栓作用； （5）提高了构件斜截面的受弯能力。 5、纵筋弯起需满足什么条件？ 答：（1）正截面受弯承载力； （2）斜截面受弯承载力； （3）斜截面受剪承载力和构造要求。三、计算题某简支梁bh=250mm600mm,混凝土强度等级为C30（=1.43N/mm2 =14.3N/mm2），箍筋采用双肢10HPB300级钢筋 （Asv1=78.5mm2,fyv=270Mpa）, 承受均布荷载，剪力设计值为382kN。as。请按照仅配置箍筋对构件进行斜截面抗剪承载力设计。已知： ，。 解:（1）计算截面有效高度.=560mm （2）验算截面尺寸=560mm, , =1.0=0.251.014.3250560=500500N=500.5kN382kN截面尺寸满足要求. （3）验算是否需要计算配箍 =0.71.01.43250560 =140140N=140.14kN1,取1.1081.108340=376.72 KNm（3）判别大小偏心受压=0.518 （4）求及 因此 （5）选配钢筋 每