2025年《混凝土结构设计》期末考试参考答案

2025年《混凝土结构设计》期末考试参考答案一、简答题1.简述混凝土结构设计中“强柱弱梁”抗震设计原则的内涵及实现措施。“强柱弱梁”原则要求在地震作用下，框架结构的塑性铰优先出现在梁端而非柱端，以避免形成柱铰机制导致结构整体倒塌。其内涵包括：通过调整梁柱的抗弯承载力，使柱端实际抗弯能力大于梁端，确保塑性铰在梁端发展；控制柱的轴压比，避免柱因轴压过大发生脆性破坏；保证柱的延性，使其在大变形下仍能维持承载力。实现措施主要有：①按“强柱弱梁”调整系数增大柱端弯矩设计值，考虑地震作用组合时，柱端弯矩设计值取1.2～1.5倍的梁端弯矩之和（一级至四级框架）；②限制柱的轴压比，一级框架柱轴压比不大于0.6（剪跨比≥2时），随抗震等级降低逐步放宽；③加强柱的箍筋配置，采用复合箍筋或螺旋箍筋约束混凝土，提高柱的延性；④控制梁的跨高比，避免短梁（跨高比＜4）因剪切破坏提前失效，确保梁以弯曲破坏为主。2.说明钢筋与混凝土之间粘结力的组成及影响粘结强度的主要因素。粘结力由三部分组成：①化学胶结力，混凝土硬化过程中水泥胶体与钢筋表面的化学吸附作用，主要在无滑移阶段起作用；②摩擦力，混凝土收缩后对钢筋产生的径向压力与钢筋表面粗糙程度引起的摩擦力，当胶结力破坏后成为主要粘结力；③机械咬合力，变形钢筋的肋与混凝土之间的机械咬合作用，是变形钢筋粘结力的主要来源（光圆钢筋无此部分）。影响粘结强度的因素包括：钢筋表面特征（变形钢筋＞光圆钢筋）、混凝土强度（强度越高，胶结力和咬合力越大）、保护层厚度（保护层过薄易发生劈裂破坏）、钢筋间距（间距过小导致粘结应力重叠，降低有效粘结）、横向配筋（箍筋约束可限制劈裂裂缝发展，提高粘结强度）、浇筑位置（水平钢筋顶部混凝土因泌水、收缩易形成薄弱层，粘结强度降低10%～20%）。3.试述混凝土结构耐久性设计的主要内容及环境类别划分依据。耐久性设计需保证结构在设计使用年限内，在环境作用下不发生影响正常使用的劣化。主要内容包括：①确定结构所处的环境类别（Ⅰ～Ⅴ类，依次为一般环境、冻融环境、海洋氯化物环境、除冰盐等其他氯化物环境、化学腐蚀环境）；②根据环境类别和设计使用年限，确定混凝土材料的最低强度等级（如Ⅰ类环境50年设计使用年限时，混凝土强度等级≥C25）、最大水胶比（Ⅰ类环境≤0.55）、最小胶凝材料用量（≥280kg/m³）；③规定钢筋的混凝土保护层最小厚度（如梁、柱在Ⅰ类环境中，C30混凝土时保护层厚度为20mm，环境类别提高时厚度增大）；④采取防裂措施（控制裂缝宽度，Ⅰ类环境中普通构件最大裂缝宽度限制为0.3mm）；⑤对特殊环境（如冻融环境），要求混凝土抗冻等级（≥F50）、含气量（4%～5%）等指标。环境类别划分依据主要是环境中的侵蚀介质类型及作用程度，例如海洋氯化物环境（Ⅲ类）指长期受海水喷雾、潮汐区或浪溅区影响的环境；除冰盐环境（Ⅳ类）指使用除冰盐的道路、桥梁等结构。二、计算题1.某单跨简支梁，计算跨度l0=6m，截面尺寸b×h=250mm×500mm，混凝土采用C30（fc=14.3N/mm²，ft=1.43N/mm²），钢筋采用HRB400（fy=360N/mm²），梁承受均布恒载标准值gk=12kN/m（含自重），均布活载标准值qk=8kN/m，安全等级二级（γ0=1.0），环境类别Ⅰ类（保护层厚度c=20mm，as=35mm）。按承载能力极限状态计算梁的纵向受拉钢筋面积As（不考虑受压钢筋）。解：（1）荷载组合：γG=1.2，γQ=1.4，设计值q=1.2×12+1.4×8=14.4+11.2=25.6kN/m跨中最大弯矩设计值M=γ0×(q×l0²)/8=1.0×(25.6×6²)/8=1.0×(25.6×36)/8=115.2kN·m（2）截面有效高度h0=h-as=500-35=465mm（3）计算系数αs：αs=M/(α1fcbh0²)，C30混凝土α1=1.0αs=115.2×10^6/(1.0×14.3×250×465²)=115200000/(1.0×14.3×250×216225)=115200000/(774,348,750)≈0.1488（4）求ξ和γs：ξ=1-√(1-2αs)=1-√(1-2×0.1488)=1-√(0.7024)=1-0.838=0.162ξ＜ξb=0.518（HRB400钢筋，ξb=0.518），属适筋破坏（5）计算受拉钢筋面积As：As=α1fcbh0ξ/fy=1.0×14.3×250×465×0.162/360先计算分子部分：14.3×250=3575；3575×465=1,662,375；1,662,375×0.162≈269,304.75As=269,304.75/360≈748mm²（6）验算最小配筋率：ρmin=max(0.2%,0.45ft/fy)=max(0.2%,0.45×1.43/360)=max(0.2%,0.179%)=0.2%ρ=As/(bh0)=748/(250×465)=748/116,250≈0.643%＞0.2%，满足要求（7）选用钢筋：选用2Φ22（As=760mm²），或3Φ18（As=763mm²），均满足计算要求且钢筋间距≥25mm（2Φ22时，间距=250-2×20-22=168mm＞25mm）。2.某钢筋混凝土轴心受压柱，截面尺寸b×h=400mm×400mm，计算长度l0=5.2m，混凝土C35（fc=16.7N/mm²），钢筋采用HRB400（fy’=360N/mm²），柱承受轴向压力设计值N=3200kN，安全等级二级（γ0=1.0）。求柱的纵向受压钢筋面积As’（不考虑稳定系数影响时需补充验算）。解：（1）计算稳定系数φ：长细比λ=l0/b=5200/400=13，查《混凝土结构设计规范》表6.2.15，φ=0.93（λ=13时，φ=0.93）（2）轴心受压构件正截面承载力公式：N≤0.9φ(fcA+fy’As’)其中A=b×h=400×400=160,000mm²（3）代入数据求As’：3200×10^3≤0.9×0.93×(16.7×160,000+360As’)右侧=0.837×(2,672,000+360As’)=2,236,160+301.32As’整理得：3200,000≤2,236,160+301.32As’301.32As’≥3200,0002,236,160=963,840As’≥963,840/301.32≈3199mm²（4）验算最小配筋率：ρmin’=0.6%（轴心受压柱），最小配筋面积=0.6%×160,000=960mm²＜3199mm²，满足（5）验算最大配筋率：ρmax’=5%（5%×160,000=8000mm²＞3199mm²），满足（6）钢筋选择：选用8Φ25（As’=8×490.9=3927mm²），钢筋间距=400-2×20-25×2=400-40-50=310mm（每边2根，间距310/1=310mm＞200mm？需调整），或选用10Φ22（As’=10×380.1=3801mm²），每边2根时，间距=400-2×20-22×2=400-40-44=316mm，仍＞200mm；改用每边3根，如12Φ20（As’=12×314.2=3770mm²），每边3根时，间距=(400-2×20-20×3)/2=(400-40-60)/2=300/2=150mm≤200mm，满足构造要求。三、分析题某多层框架结构，底层中柱在罕遇地震作用下出现柱端受拉破坏，而梁端未出现明显塑性铰。结合“强柱弱梁”设计原则，分析可能的原因及改进措施。可能原因：（1）柱端弯矩设计值调整不足：设计时未按抗震等级要求充分放大柱端弯矩（如一级框架柱未取1.5倍梁端弯矩之和），导致柱端实际抗弯承载力小于梁端，地震时柱先于梁屈服。（2）柱轴压比过高：高轴压比使柱的延性降低，混凝土受压区易发生脆性破坏，即使弯矩设计值满足，也可能因轴力过大导致柱端受拉破坏。（3）梁端配筋超配：施工中梁端实际配筋大于计算值（如为提高安全储备增加钢筋），导致梁端实际抗弯承载力高于设计值，而柱端按原设计配筋，造成“强梁弱柱”反转。（4）柱纵筋配置不合理：柱纵筋过少或直径过大（大直径钢筋延性差），导致柱受拉时钢筋过早屈服或断裂，无法形成塑性铰。（5）节点核心区抗剪不足：节点区箍筋配置不足，地震时节点破坏导致柱端约束减弱，间接引发柱端破坏。改进措施：（1）严格执行“强柱弱梁”调整系数：根据抗震等级，一级框架柱端弯矩设计值取1.5倍梁端弯矩之和，二级取1.3倍，确保柱端抗弯承载力大于梁端。（2）控制柱轴压比：对一级框架柱，轴压比限值由0.6（剪跨比≥2）降至0.5（剪跨比＜2），采用高强混凝土（如C50）或钢管混凝土柱降低轴压比。（3）限制梁端超配筋：设计时考虑钢筋强度超强系数（如HRB400钢筋取1.25），将梁端实际抗弯承载力计入调整，避免梁端“超强”。（4）优化柱配筋：采用小直径、多根数纵筋（如Φ20～Φ25），提