土木工程结构设计

土木工程中三大主要结构设计基本导图；包括混凝土结构设计、钢结构设计以及砌体结构设计等内容。

结构设计

钢筋混凝土结构

材料性能

钢筋

质量要求

强度

延性

机械性能

材料性能

极限抗拉强度

屈服强度

伸长率

塑性变形+弹性变形

冷弯性能

可焊性

焊接接头

的强度不低于被焊钢筋的强度

及其附近不应出现焊接裂纹

的塑性不应比被焊前差

选用

纵向受力钢筋

HRB400 HRBF400 RRB400 HRB500 HRBF500 HRB335 HPB300

梁、柱、斜撑构件

HRB400 HRBF400 HRB500 HRBF500

箍筋

HRB400 HRBF400 HRB335 HPB300 HRB500 HRBF500

预应力筋

预应力钢丝

钢绞线

预应力螺纹钢筋

混凝土

多孔隙非均质的弹塑性人造石材

选用原则

素混凝土结构的强度等级不低于C15

钢筋混凝土结构的强度等级不低于C20

采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，强度等级不低于C25

承受重复荷载的钢筋混凝土构件，强度等级不低于C30

预应力混凝土结构的强度等级不低于C30，且不宜低于C40

力学指标及其相互关系

立方体抗压强度标准值fcu,k

力学指标基本的代表值

强度设计依据

标准试块150*150*150

100*100==*0.95

200*200==*1.05

28d、或、设计规定龄期用标准试验方法测得具有95%保证率的抗压强度

轴心抗压强度标准值fck

棱柱150*150*300//150*150*450

直接拉伸/劈裂试验

fck=0.88a1a2fcu,k

a1【C50=0.76；C80=0.82】

a2【C40=1；C80=0.87】

抗拉强度标准值ftk

100*100*500+两端对中埋150mm的16钢筋

设计值常用于常规承载能力极限状态计算

标准值常用于正常使用极限状态计算、抗震性能设计等处

复杂应力状态下混凝土强度

剪应力与单轴正应力共同作用

注意：只要有剪应力，抗拉、抗压强度都降低

混凝土的强度：多向应力状态下

双向受压：强度增加；

双向受拉：强度基本不变；

一拉一压：强度降低；

三向受压：强度与极限变形均提高。

混凝土的抗剪强度：

拉应力增大，则减小

压应力增大，则增大

压应力=0.6fc时，抗剪强度最大，随着压应力再增加，抗剪强度减少

混凝土的变形

一次短期加荷

混凝土强度越大，线弹性段越长，峰值应变越大，但脆性较显著，下降段较陡

极限破坏应变不大于0.0033

峰值应变不小于0.002

弹性模量指原点切线模量

泊松比=【试件受压时】横向应变/纵向应变，《混规》取0.2

多次重复荷载下的应力-应变关系

混凝土的疲劳强度——试件承受≥200万次，重复荷载时发生破坏的压应力

长期作用下的变形性能--徐变

在荷载长期作用下，即使荷载大小维持不变，但混凝土变形却随时间而不断增长。

原因

混凝土中的水泥凝胶体未完全晶体化+荷载作用=粘性流动

混凝土较大应力作用下微裂缝发展

通过减少【水灰比、水泥用量、凝胶体】；养护温度与湿度越大，时间越长，养护越充分，徐变就越小

混凝土的收缩【一般与荷载无关】

收缩——混凝土在空气中结硬时体积缩小的现象

膨胀——在水中或饱和湿度情况下结硬时体积会略有增大

【一般情况下收缩值远大于膨胀值】

主要原因：水泥水化凝结+游离水增发=体积缩小

减小砼收缩的措施

增加养护湿度、温度，提高混凝土密实度，减少水泥用量，减小水灰比，采用粒径大骨料等

钢筋混凝土的粘结

钢筋混凝土形成整体、共同作用的基础

粘接的实质：保证混凝土与钢筋间有效传力

因此必须保证钢筋在支座中的锚固长度及不同钢筋间传力的搭接长度

粘结应力

钢筋混凝土构件受力后，沿钢筋和混凝土接触面产生剪应力=粘接应力

主要包括钢筋的锚固粘接应力、裂缝间的粘接应力。

来源

化学胶结力

水泥胶的水化作用，使钢筋与混凝土的接触面上产生化学吸附作用【发生滑移后消失】

摩擦力

混凝土收缩对钢筋产生的握裹力

光圆钢筋为主

机械咬合力

钢筋与混凝土之间的力

变形钢筋为主

粘结长度：必须足够

粘结强度

粘结面单位面积能承受的最大粘结应力

影响因素

混凝土强度等级越高，粘接强度越高

必须保证钢筋混凝土保护层厚度

横向箍筋与横向压应力均可提高粘接强度

钢筋端部弯折并添加附加锚固措施，提高粘接强度

当纵向受拉普通钢筋末端采用【弯钩/机械锚固措施】，包括弯钩/锚固端头在内的锚固长度=0.6基本锚固长度

正向

直径越小，粘接强度越好，变形钢筋大于光圆钢筋

反向

基本设计原则

结构功能要求

设计要保证结构的可靠性

结构功能要求/结构的可靠性

安全性

结构能承受正常施工和使用期间可能出现的各种作用（荷载、支座变形、约束变形、爆炸、撞击等）

适用性

结构正常使用需保证良好的使用性能。如不出现过大的变形及裂缝，无过大振动等。

耐久性

结构在规定的工作环境中，在预定时期内，材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效频率

碳化：CO2导致砼中性化的过程

合理设计混凝土配合比【规定水泥用量的低限值和水灰比的最高限值】

提高混凝土的密实性、抗渗性

规定钢筋保护层的最小厚度

采用覆盖面层（水泥砂浆或涂料等）

合理采用掺合料

钢筋锈蚀：电化学腐蚀

降低水灰比，增加水泥用量，提高混凝土的密实度

要有足够的混凝土保护层厚度

严格控制氯离子Cl的含量

采用覆盖层，防止CO2、O2、Cl 的渗入

概要

碳化会破坏钢筋表面的氧化膜，为钢筋锈蚀创造了前提条件

碳化会加剧混凝土的收缩，可导致混凝土开裂，使钢筋容易锈蚀

可靠度

可靠度：在规定的设计基准期内（50年），在规定条件下，完成预定功能的概率

概率

功能函数：Z=R-S=结构抗力-作用效应

Z>0

可靠状态

Z=0

极限状态

Z<0

失效状态

可靠概率Ps

失效概率Pf

相加=1

可靠指标β

β和Pf一一对应，成反比

三个时间段

结构的设计使用年限

只需进行正常的维护、不需要进行大修就能完成预定功能的使用年限【设计规定】

超过该年限≠结构寿命终结

超出后，结构的失效概率较设计预期变大，可靠度降低了，但一般仍可正常使用

结构的使用年限

实际寿命

设计基准期

为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数

极限状态

荷载代表值

标准值

设计基准期内超越此值的概率为5%， 永久荷载代表值只有标准值

组合值

一个主导可变荷载取标准值，另一个取组合值

频遇值

对可变荷载，设计基准期内超越的总时间为较小比例（一般不大于10%）

准永久值

对可变荷载，设计基准期内超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。

可变荷载标准值×荷载准永久值系数

结构的极限状态

正常使用极限状态验算时应进行的荷载效应组合

标准组合

不可逆正常使用极限状态

频遇组合

可逆正常使用极限状态

准永久组合

长期效应是决定性因素的正常使用极限状态

三种极限状态

承载能力极限状态

1.结构构件或连接超过材料强度破坏或疲劳破坏，或因过度变形不适合承载；

2.整个结构或其中一部分作为刚体失去平衡；

3. 结构转变为机动体系；

4.结构或构件失稳、地基丧失承载力失稳；

5. 结构局部破坏引起连续倒塌。

正常使用极限状态

1.影响正常使用或外观的变形（过大的挠度，位移）；

2.影响正常使用或耐久性的局部损坏（过大的裂缝）；

3.影响正常使用的振动；

耐久性极限状态

1.影响承载能力和正常使用的材料性能劣化；

2.影响耐久性的裂缝变形等；

3.影响耐久性的其他特定状态；

四种设计状况

持久设计状况

短暂设计状况

偶然设计状况

地震设计状况

承载能力极限状态计算

构件受力分类

受弯构件

正截面抗弯承载力

分类

少筋破坏

超筋破坏-受拉钢筋不屈服

脆性破坏

适筋破坏

受压区高度≤界限受压区高度

受压混凝土被压碎

塑性破坏

有明显的塑性变形和裂缝预兆

受拉钢筋达到屈服强度

计算

抗裂计算

挠度计算

正截面承载力计算

计算的基本假定

截面平均应变符合平截面假定

不考虑受拉区混凝土抗拉强度

受压区混凝土的应力应变曲线

先凸上——平

|纵向钢筋的应力|=|钢筋应变×弹性模量|≤强度设计值

纵向受拉钢筋的极限拉应变=0.01

矩形截面

单筋矩形截面计算的两种问题：截面设计和截面复核

双筋矩形截面

使用原因：

单筋矩形截面存在超筋现象、截面上下均可能受拉、抗震结构设计

需要特别复核x≥2a ，当不满足该条件时，可偏保守取x2a

取x2a原因

满足破坏时受压区钢筋应力=抗压强度设计值

当x<2a时，受压钢筋不屈服

T型截面受弯承载力设计

根据矩形截面的分析，受拉区混凝土在承担弯矩时发挥的作用较小，因此可能受拉区混凝土挖去一部分，

不影响承载力、节省混凝土、减轻自重

斜截面承载力验算-受剪承载力验算

剪跨比——本质是反应了截面上正应力/剪应力的相对比值

根据剪跨比的不同，有/无腹筋梁的斜截面受剪破坏三种形态【脆性破坏】

斜压破坏

大于最大配筋率或小于最大配筋率+剪跨比小于1

主要特点为混凝土被腹剪斜裂缝分割成若干斜向短柱而被压坏

斜拉破坏

小于最小配筋率+剪跨比大于3：主要特点为斜裂缝一出现梁即破坏

设计中避免

使构件剪切破坏不先于弯曲破坏

构造实现

剪压破坏

最大和最小配筋率之间、或小于最小配筋率且1<剪跨比<3

特点：先产生垂直裂缝，然后斜裂缝发展，最终斜裂缝减压区高度缩小，减压区混凝土被压坏。

破坏前有预兆，承载力随配筋率增大而增大，远大于斜拉破坏承载力

计算实现

主要采用构造措施保证

纵向受拉钢筋弯起时保证斜截面受弯能力的构造措施

抵抗弯矩图-纵向受拉钢筋的截断

受压构件

注意

应控制强度+长细比，避免失稳

宜采用较高强度等级的混凝土【可充分发挥混凝土抗压强度高的优势】

高强度钢材不能充分发挥优势，可以不用高强度钢筋

配置纵向钢筋及箍筋可有效提高受压构件承载力

正截面受压承载力

轴心受压

分类：根据长细比不同

短柱

lo/b（矩形截面，b为较小边长）≤8

lo/d（圆形截面，d为直径）≤7

lo/i（其他截面，i为截面回转半径）≤28（lo为柱的计算长度）

长柱：长细比大于上述限值的柱子

配筋不同分类

配普通箍筋

配螺旋箍筋/间接钢筋

螺旋箍筋不直接参与抵抗轴向压力==通过约束混凝土的横向变形==间接提高受压构件的承载力和变形能力

间接钢筋对混凝土强度的折减系数a

可靠度调整系数0.9

公式适用性

计算规定

1. 间接钢筋间距≤{80mm，1/5核心混凝土直径}，且不宜小于40mm；

2. 按上述公式计算的承载力不应大于1.5倍普通箍筋柱受压承载力；

不考虑间接钢筋影响的情况：

1. lo/d>12；

2. 按上述公式计算的承载力N'<按普通箍筋柱受压承载力N；

3. Asso<25%纵筋全部面积

偏心受压

分类

单向偏心

双向偏心

偏心受压构件的弯矩=原弯矩+初始偏心+侧移引起的二阶弯矩等

弯矩作用平面内截面对称的偏心受压构件，可不考虑附加弯矩影响的条件：

1. 杆端弯矩比M1/M2≤0.9且轴压比≤0.9时；其中M1、M2为两端组合弯矩设计值，（绝对值较大为M2，较小为M1），构件单曲率时取正，否则取负；

2. 长细比：l/i=34-12(M1 / M2)

两种破坏形式

大偏心受压破坏

拉坏，破坏形式≈适筋梁，延性破坏

受拉混凝土出现先裂缝，裂缝迅速开展，主裂缝处纵筋受拉屈服，压区混凝土压碎

小偏心受压破坏

压坏，脆性破坏

受压区混凝土先被压碎；另一侧钢筋受压或受拉，可能屈服/不屈服（无主裂缝）

反向破坏

当偏心距e很小，受压钢筋>受拉钢筋，截面的实际形心将偏向受压钢筋侧+较大轴压力作用=【远离轴压力一侧】混凝土先破坏

正常情况是e=e1+eo

反向破坏是e=e1-eo

M-N曲线

①大偏心——N<Nb N与M正比

②临界破坏点——N=Nb 有Mmax

③小偏心——N>Nb N与M反比

斜截面受剪承载力

随着轴压比的增加(轴力的增加)，抗剪承载力先增加后减小。

当轴压比 N/fbh=0.3~0.5时，继续增加轴向压力将使得受压构件的破坏形态转变为带有斜裂缝的小偏心受压破坏

受拉构件

受拉构件从开始加载——破坏，其受力过程可分为三个受力阶段：

1. 加载到混凝土开裂前

2. 混凝土开裂前到受拉钢筋屈服前

3. 受拉钢筋屈服：轴心受力构件破坏时，全部拉力由钢筋来承受

分类

大偏心受拉

钢筋一侧受拉，一侧受压

受拉钢筋屈服，受压混凝土压坏

破坏形式≈适筋梁

轴向拉力作用点在外侧

小偏心受拉

钢筋两侧均受拉，都达到屈服破坏

轴向拉力作用点在内侧

受扭构件

分类

据计算方法

平衡扭转

约束扭转

根据受力不同

纯扭构件

影响因素

受扭纵向配筋率tl

受扭箍筋配筋率sv

纵向钢筋与箍筋的强度比值

剪扭构件

剪扭的相关性

弯剪扭构件

弯矩、剪力与扭矩共同作用下的钢筋混凝土构件，其承载力总是小于剪力和扭矩单独作用下的承载力

破坏模式

少筋破坏

构件一旦开裂，受扭钢筋立即屈服，≈素混凝土，属脆性破坏

受扭纵向配筋率tl

受扭箍筋配筋率sv

都小

适筋破坏

首条裂缝出现后构件并没有立即破坏，而是陆续出现多条平行的连续螺旋形裂缝，与裂缝相交的箍筋与纵筋先后屈服，然后受压面混凝土压碎，有一定延性

受扭纵向配筋率tl

受扭箍筋配筋率sv

均大

超筋破坏

受扭钢筋尚未达到屈服，混凝土就被压碎，构件立即破坏，属脆性破坏

受扭纵向配筋率tl

受扭箍筋配筋率sv

纵向钢筋与箍筋的强度比值

都合适

部分超筋破坏

受压混凝土被压坏，与斜裂缝相交的纵筋和箍筋应力均达不到屈服，破坏预兆不明显，材料利用不充分，应避免

受扭纵向配筋率tl

受扭箍筋配筋率sv

一个太大

纵向钢筋与箍筋的强度比值

过大/过小

破坏面：空间扭曲面

突然性的脆性破坏

冲切

冲切与剪切破坏

剪切破坏：荷载或构件呈线性，剪切破坏面贯穿构件整个宽度

冲切破坏：破坏面围绕荷载区域形成冲切椎体

都属于脆性破坏，其破坏机理均为材料主拉应力达到极限

承载力计算

改善平板抗冲切性能的措施：加柱帽或配筋

局部承压

疲劳

正常使用极限状态验算

抗裂

裂缝成因

荷载——受力裂缝

对策：合理配筋，控制钢筋应力不过高，钢筋直径不过粗，间距不过大，选择带肋钢筋。

必要时采用预应力混凝土结构

非荷载——变形裂缝

温度变化

温度变化=热胀冷缩=变形受到约束=产生裂缝。

对策：设伸缩缝，减小约束，允许自由变形。

大体积混凝土：分层分块浇筑，采用低热水泥，埋置块石，预冷骨料，预埋冷却水管等

混凝土收缩

混凝土+空气=结硬=收缩变形=收缩裂缝。

对策：设伸缩缝，降低水灰比，配筋率不过高，设置构造钢筋使收缩裂缝分布均匀，加强潮湿养

基础不均匀沉降

对策：构造措施及设沉降缝等

冰冻

钢筋锈蚀

钢筋锈蚀是电化学反应，钢筋生锈体积膨胀，产生顺筋裂缝，导致混凝土保护层剥落，影响结构耐久性。

对策：提高混凝土的密实度和抗渗性，适当地加大保护层厚度。

碱骨料化学反应

混凝土孔隙中水泥的碱性溶液+活性骨料(含活性SiO2)——化学反应——生成碱一硅酸凝胶，遇水膨胀，使混凝土胀裂

对策：限制活性骨料含量，高混凝土的密实度和采用较低的水灰比

抗裂验算

一般混凝土结构都是带裂缝工作的，裂缝对混凝土结构的不利影响：

（1）影响外观，产生不安全感

（2）缩短混凝土碳化到达钢筋的时间，钢筋提早锈蚀

（3）在侵蚀环境中，加速钢筋锈蚀

（4）水头较大时，产生水力劈裂现象

轴心受拉构件

钢筋与混凝土变形协调=即将开裂时，混凝土与钢筋应变一致

混凝土开裂时，钢筋的应力很低，增加钢筋提高抗裂强度=不经济

受弯构件

受弯构件正截面即将开裂时，应力处于第1阶段末

受拉区近似假定为梯形，塑化区高度=1/2受拉区高度

利用平截面假定，根据力和力矩的平衡，求出Mcr

保持Mcr相等，将受拉区梯形应力图折换成直线分布应力图，进行计算

偏心受拉构件

把钢筋换算为混凝土截面面积，将应力折换成直线分布，引入γ偏拉，采用迭加原理，用材料力学公式进行计算

裂缝

裂缝宽度计算理论

裂缝宽度验算主要针对由弯矩、轴向拉力、偏心拉压应力引起的垂直弯矩

由于剪力或扭矩引起的弯矩，目前研究还不够充分

由于荷载外因素引起的裂缝=主要依靠构造措施减少或避免发生或发展

由于混凝土质量不均，裂缝间距有疏有密。Dmax=(1.3～2)D平均

平均裂缝宽度

问题理想化

裂缝是等间距、同时发生

荷载增加只加大裂缝宽度，不产生新的裂缝

各条裂缝宽度，在同一荷载下相等

影响因素

裂缝间距

钢筋应变不均匀系数

减小受力裂缝宽度最有效的措施：增加受拉钢筋截面面积

减小裂缝截面的钢筋应力

提高钢筋和砼之间的粘结应力

荷载＞50％开裂荷载==裂缝间距才趋于稳定

裂缝开展宽度有大有小，实际设计考虑的是最大宽度

裂缝出现前，拉区钢筋与混凝土共同受力。沿构件长度方向，各截面受力相同

粘结滑移理论

滑移理论

与钢筋滑移有关

无滑移理论

与保护层厚度大小有关

综合理论

前两种理论结合，我国规范采用

裂缝控制措施

影响裂缝宽度的主要因素

钢筋应力、钢筋的直径、外形、混凝土保护层厚度及配筋率【混凝土强度对裂缝宽度无显著影响】

普通钢筋混凝土结构

不宜采用高强钢筋

采用细而密、变形钢筋==适当提高受拉钢筋配筋率==使裂缝间距及裂缝宽度减小

混凝土保护层

混凝土保护层越厚，表面裂缝宽度越大，钢筋不易锈蚀

不宜采用减小保护层厚度的方法

受拉区混凝土设置钢筋网和掺加钢纤维，采用合理的结构外形。

解决荷载裂缝问题的最有效方法==采用预应力钢筋混凝土

挠度/变形验算

变形曲线

裂缝出现前， M- f接近直线

出现裂缝后，出现转折点A′。混凝土塑性发展，变形模量降低；截面开裂，抗弯刚度降低

钢筋屈服，出现第二个转折点C′，截面刚度急剧降低

影响混凝土徐变和收缩的因素都将导致刚度的降低，使构件挠度增大

限值

挠度不满足

提高构件刚度

增加截面尺寸

合理有效的措施是增大截面的高度

提高混凝土强度等级

增加配筋量

选用合理的截面(如T形或工形等)

短期刚度Bs

平截面假定

平均应变沿截面高度为线性分布

最小刚度假定

等截面受弯构件中同号弯矩区段内，假定其刚度为常数，而且取该区段弯矩绝对值最大处的截面刚度【最小刚度】为该区段的刚度

长期刚度B

预应力混凝土

施压方法

先张法【中小构件】

先张拉预应力钢筋，后浇筑混凝土的施工方法。

需要台座和张拉设备

先张法施工工艺过程：

① 将预应力钢筋的一端，用夹具固定在台座的钢梁上，钢筋的另一端则通过张拉夹具、测力器与张拉机械相连

②用设备张拉预应力钢筋，将钢筋张拉到规定应力

③浇筑混凝土，并进行养护

④待混凝土应力达到规定的强度时，即可将预应力钢筋切断。通过预应力钢筋的弹性回缩挤压混凝土，使构件的混凝土产生预压应力

后张法【大型构件和现浇构件】

先浇筑混凝土构件， 后张拉预应力钢筋的施工方法

后张法的施工工艺过程 ：

① 浇筑混凝土构件，并在构件中预留预应力钢筋的孔道。

② 养护混凝土构件，当混凝土达到规定强度后，将预应力钢筋穿入孔道，并在锚固端用锚具将预应力钢筋锚固在构件的端部。

③ 在构件的另一端，用张拉机具张拉预应力钢筋。在张拉钢筋的同时，构件的混凝土也受到压力。当张拉到预应力钢筋的控制应力时，用锚具将钢筋锚固在构件上，并拆除张拉机具。

④往预留孔道内灌浆养护

材料要求

混凝土

要求：高强度。收缩徐变小、快硬早强。

原因：只有混凝土的抗压强度较高，才能承受高预压力，使构件获得高的抗裂能力

《规范》规定：混凝土强度等级不宜低于C40 ，不应低于C30.

钢筋

要求：高强度、良好的塑性、良好的可焊性。

钢筋强度高，拉力大，给混凝土作用的压力大，抗裂效果好

预应力损失

构造和使用过程中，钢筋的应力会由于各种原因而减小

传力锚固时的损失

传力锚固后出现的损失

影响因素

张拉端锚具变形和钢筋内缩

选择锚具变形和钢筋内缩值较小的锚具

减少垫板数量，对先张法，增加台座长度

预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦

两端张拉

超张拉

预应力钢筋与台座之间温差

二次升温养护

采用整体式刚模板

预应力钢筋的应力松驰

超张拉

混凝土的收缩和徐变

注意使混凝土预压应力不要过高，一般要求

采用高强度等级的水泥，以减少水泥用量，使水泥胶体所占的体积相对值减小

采用级配良好的骨料、减小水灰比、加强振捣以提高混凝土的密实度

加强养护（最好采用蒸汽养护），防止水分过多散失，使水泥水化作用充分

环形构件中，因混凝土的局部挤压

优先使用预应力混凝土的类型

要求裂缝控制等级较高的结构

大跨度或受力很大的构件

对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件，如工业厂房中的吊车梁、码头和桥梁中的大跨度梁式构件等

缺点

构造、施工和计算复杂

延性较差

施工阶段的验算

混凝土强度

施加预应力时，不宜低于75%的混凝土立方体抗压强度设计值

分类

轴拉构件

计算混凝土预压应力中

先张法用Ao

换算截面面积

后张法用An

净截面面积

引入σpo和Npo的目的

将先张和后张的N公式统一起来

把预应力与普通钢筋混凝土轴心受拉构件承载力计算公式同一起来

受弯构件

单层厂房

结构布置

柱网布置

吊车梁

承受吊车横向、纵向水平力

吊车纵向水平荷载，按作用在一边轨道上所有刹车轮的最大轮压之和的10%采用

柱

排架柱

传递横向水平力

柱截面尺寸要求

计算+最小截面构造规定

目的：保证必要的横向刚度

一般可不验算横向水平位移

截面配筋计算要点

运输及吊装验算，构件平卧浇筑时，平吊比较方便

平吊验算不够时，应采用翻身起吊

抗风柱【围护结构】

支撑布置

屋盖支撑

水平

垂直

柱间支撑

保证结构整体稳定

提高侧向刚度

传递纵向水平力

围护结构

基础

分类

排架结构

钢架结构

计算

荷载传递

竖向荷载传递

横向水平荷载传递

纵向水平荷载传递

基本假定

屋架水平刚度无穷大

屋架与柱上端铰接

柱与基础刚接

牛腿设计：截面高度以不出现斜裂缝作为控制条件，宽度取柱宽

弯压破坏

1>a/ho>0.75，且纵向配筋率较低

随荷载增加，纵向钢筋应力不断增加，最终受拉钢筋屈服，牛腿下部与柱相交的受压区砼压碎

斜压破坏

a/ho=0.1-0.75

随荷载增加，整个压杆范围内出现大量短小斜裂缝，最终形成一条通长斜裂缝而破坏，此时受拉钢筋屈服

剪切破坏

a/ho<0.1

牛腿与下柱相交面上出现一系列短细斜裂缝，最后牛腿沿此裂缝从柱上切下而破坏

多层及高层房屋

《高层建筑混凝土技术规程》规定：高层建筑定义为10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑以及房屋高度大于24m的其他民用结构

结构轴力

弯矩

侧向位移

结构体系

框架结构

由梁柱通过节点连接构成的用来承担竖向荷载和水平荷载的结构体系，可采用现浇，也可采用装配式

优点：平面布置灵活，自重轻，整体性好，一定高度范围内造价低。

缺点：抗侧移刚度较小，水平侧移大，最大高度受限制。

内力计算

竖向荷载作用下

分层法

计算假定

侧移忽略不计

每层梁上的荷载对其他各层梁柱影响忽略不计

水平荷载作用下

反弯点法

1.假定框架横梁抗弯刚度无穷大（当梁柱线刚度之比大于3时），这样框架节点就只有侧移无转角，且各节点水平位移为0

2.假定低层柱子反弯点位于柱子刚度的2/3，其余各层柱的反弯点位于柱中

D值法【改进反弯点法】

1.假定同层各节点转角相同；承认节点转角的存在；

2.假定同层各节点侧移相同。

各杆件的弯矩图为直线，一般情况下每根杆件都有个弯矩为0的点，最大弯矩均在杆件两端

理论上只要知道反弯点位置和各杆件抗侧移刚度，即可求得各杆件内力

15层以下、700m以下

剪力墙结构

由建筑墙体和水平楼板构成的用来承担竖向荷载和水平向荷载的结构体系

优点：抗侧移刚度大，水平侧移小，抗震性好

缺点：自重大，平面布置受限

计算假定

楼板平面内自身刚度无限大，平面外无刚度

剪力墙自身平面内刚度远较平面外刚度大

有洞口的剪力墙

分类

整体悬臂墙

内力与位移计算时可等同于悬臂墙计算，变形以弯曲性为主

忽略洞口影响

【平面内不开洞/洞口系数≤15%】+【孔洞间净距至墙边净距>洞口长边尺寸】

孔洞/墙面面积≤0.16

α≥10

整体小开口墙

IA/I≤ξ

连肢墙

IA/I>ξ

1<α<10

壁式框架

IA/I≤ξ

剪力墙整体性系数α

=连梁总转角刚度/墙肢总线刚度

α越大剪力墙的整体性越好，受力越接近悬臂式剪力墙

但当孔洞很大，但梁柱刚度比很大时（扁洞）时，α也会较大，此时结构接近框架，因此引入墙肢惯性矩比值IA/I：IA为扣除墙肢惯性矩后剪力墙的惯性矩

墙肢是否出现反弯点，与上述两个参数以及层数有关系

10-50层，最好为30层

框-剪结构

大部分水平力由剪力墙承担，而竖向荷载主要由框架承担，侧向刚度比框架结构大，且立面容易分割

框-剪结构设计要点

双向抗侧力体系

框剪=10-20层

筒体结构

框筒=30-40层

40层以上

结构布置

结构最大高度、结构高宽比

平面布置

不宜采用角部重叠或细腰平面布置

竖向布置

结构缝的布置

抗震缝

伸缩缝

沉降缝

楼盖结构选择

现浇

装配

抗震设计

一般规定

抗震设防等级

特殊设防类

重点设防类

提高一度

标准设防类

提高一度

适度设防类

适当降低，但6度不降

强柱弱梁

防止柱先于梁受弯屈服，从而造成结构倒塌

地震作用大小与持续时间无关

构造要求

框架的构造措施-439

抗震墙的构造措施-443

厚度：一二级不能小于160mm，且不宜小于层高（或无支长度）的1/20

钢结构

钢材基本性能

Q235B【Q-屈服强度，253-屈服点，B质量等级（冲击韧性不同）】

具有良好的塑性，常温下一般不会突然断裂

塑性指标

伸长率

断面收缩率

可焊性

钢材在正常施焊条件下焊缝不产生裂纹及焊接后力学性能不受影响的性质

衡量可焊性的指标

材料的碳当量CEV

CEV≤0.38%

钢材的可焊性很好，只需采用一般焊接工艺

0.38%<CEV≤0.45%

焊接时需要预热，并注意控制施焊工艺

CEV>0.45%

需采用较高的预热温度和严格的工艺措施

力学性能影响因素

冶金缺陷

冶金步骤

脱氧方式

沸腾钢和镇静钢，强度特性和伸长率相差不大，但焊接性能，冲击韧性等差别较大，镇静钢用于重要结构，沸腾钢用于一般结构

冶炼

形成钢的化学成分，并在很大程度上决定钢的金相组织

轧制

可使晶粒变细，改善钢材的力学性能。薄板因辊轧次 数多，强度比厚板略高

热处理

部分高强度钢材需要在轧制后进行热处理，通过改变钢材的组织来改善其塑性和韧性

偏析

金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析

——影响偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性

非金属夹杂

钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，使得钢材性能变脆

裂纹

钢材中存在微观裂纹

气泡

浇铸时有氧化亚铁和碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而滞留形成微小孔洞

分层

浇铸时的非金属夹在轧制后可能造成钢材的分层

化学成分

Mn、Si有益

P、S有害

钢材硬化

冷作硬化

在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性、韧性降低

时效硬化

随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点、抗拉强度提高，塑性、韧性下降

应变时效硬化

应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，碳素提晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使得已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化的现象

荷载类型

静力

动力

循环荷载的影响

温度

高温【250℃以上，徐变】

低温冷脆

强度提高，塑性、韧性降低

应力状态

应力集中

加载速度

钢结构在计算疲劳和正常使用极限状态的变形时，荷载的取值均为标准值

钢结构的变形不受荷载长期作用的影响

选用

（1）承重结构的钢材宜采用 Q235，Q345 ，Q390和Q420和Q345GJ，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，应符合相应有关标准的规定和要求。

钢材的种类

碳素结构钢

Q235

低合金结构钢

Q345

Q390

Q420

Q460

（2）承重结构的钢材应具有抗拉强度，伸长率、屈服强度和硫、麟含量的合格保证，对焊接结构尚应该具有碳含量的合格保证

（3）对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构，应具有冲击韧性的合格保证。

（4）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。

（5）对于外露环境，且对大气腐蚀具有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢

连接

焊缝连接

几何形体适应性强，不削弱截面，方便施工，连接刚度大，构造简单。

缺点：对材质要求高，焊接程序严格，存在残余应力，对裂缝敏感

分类

角焊缝——静力结构的连接

连续角焊缝

间接角焊缝

对接焊缝——承受各种荷载的永久性结构

斜对接

正对接

T形对接

构造

选择正确的坡口与间隙保证焊透

设置引弧板

在对接焊缝的拼接处，如果钢板厚度或宽度的变化超过4mm时，为了使构件传力均匀，需设置过渡坡。

按施焊位置

俯焊、立焊、横焊、仰焊

普通螺栓

装卸便利，设备简单，螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大

适用于内力较小，次要位置，临时结构的连接和安装连接等。

高强度螺栓连接

摩擦型高强螺栓连接

加工方便，对结构削弱少，可拆换，耐疲劳，塑性、韧性好，能承受动荷载

缺点是摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高

适用于内力较大的永久性结构，以及直接承受动载的结构。

承压型高强螺栓连接

承载力高，适用于承受静力荷载的永久性结构，不得用于直接承受动载的结构。

柳钉连接

传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好

适用于承受各种荷载的永久性结构

缺点是费钢，费工，施工速度慢，条件差

构件间的连接

《钢规》规定：在同一连接部位上不得采用普通螺栓或承压型高强度螺栓与焊接共同的的连接，在改扩建工程中作为加固补强措施时，可采用摩擦性高强度螺栓与焊接承受同一作用力的栓焊并用连接。

构件

轴心受力构件

轴心受拉

刚度

强度

轴心受压

稳定性

实腹式

强度、刚度、整体稳定和局部稳定的要求。

格构式

绕实轴的整体稳定性验算同实腹式构件；

绕虚轴的整体稳定性验算采用换算长细比；

整体稳定

整体失稳

弯曲

扭转

弯扭

实际轴压构件的临界应力

屈服准则

以理想压杆为模型，弹性段以欧拉临界力为基础，弹塑性段以切线模量为基础，用安全系数考虑初始缺陷的不利影响。

边缘屈服准则

以有初弯曲和初偏心的压为模型，以截面边缘应力达到屈服点为其承载力极限。

最大强度准则

以有初始缺陷的压杆为模型，考虑截面的塑性发展，以最终破坏的最大荷载为其极限承载力。

局部稳定

局部失稳

轴心受压杆件多由若干个板件组成，且板件的厚度和宽度相对都比较小

杆件受压时，由于沿外力作用方向受压应力作用，板件本身也可能发生翘曲而退出工作

措施

避免——遵守等稳定原则

即压杆在发生整体失稳之前，板件不能发生局部失稳

满足宽厚比的限值

增加厚度

工字形和箱型

计算方法

计算强度和稳定性时，腹板截面取有效高度

计算稳定系数时，取全截面

构造方法

设置纵向加劲肋加强腹板

当端部连接及中部拼接处组成截面的的强度同受拉构件，如果杆件截面没有孔眼削弱，杆件的设计一般由稳定控制

刚度

强度

几何缺陷和残余应力是影响承载力的最大因素

构件长细比的确定

双轴对称构件，截面形心与剪心重合，一般发生弯曲和扭转屈曲

单轴对称构件，截面形心与剪心不重合，一般发生绕非对称主轴的弯曲屈曲和绕对称主轴的弯扭屈曲，弯扭屈曲计算长细比需采用换算长细比

受弯构件

拉弯和压弯构件的计算和构造

应用

悬臂梁

钢材的抗拉、抗压强度相等

选择上下翼缘面积相同，双轴对称的工字形截面

框架柱

安装接头

高强度螺栓

焊接组合节点

高强螺栓【腹板】+焊缝【翼缘】组合

翼缘

单面V形坡口+衬垫全焊透焊缝

全焊缝节点

翼缘

单面V形坡口+衬垫全焊透焊缝

腹板

K形坡口双面部分焊透焊缝

砌体结构

材料性能

砌体

块材

强度MU

分类

砖

砌块

砼

石材

砂浆

强度M

一般采用相同强度等级的水泥砂浆

抗压强度

砌体＜块材

轴心抗拉强度

取决于砂浆的抗压强度

弯曲抗拉

三种破坏形态

沿齿缝截面的受拉破坏

轴心拉力∥水平灰缝

沿砖块体截面的拉坏

烧结普通砖砌体

沿通缝截面的受拉破坏

轴拉⊥水平灰缝

抗剪强度三种破坏形态

沿齿缝截面的破坏

沿体截面的破坏

弯矩∥通缝截面作用

沿通缝截面的破坏

弯矩⊥通缝截面作用

几个公式

砌体强度标准值

砌体强度设计值

调整P469

基本设计原则

设计表达式

承载力

抗压

局部承压

局部均匀受压

梁端局部受压

特点

非局部受压部分提供套箍作用

应力扩散

提高受压强度

混合结构房屋设计

结构布置

静力计算

构造

房屋部件

圈梁

过梁

墙梁

挑梁

抗震设计要点

一般规定

构造要求

多层砌体房屋

竖向荷载作用下

墙、柱在每层高度范围内≈两端铰支的竖向构件

水平荷载作用下

墙、柱≈竖向连续梁

钢材脆性破坏的原因

措施

合理设计

合理的选用钢材

对低温工作和受动力荷载的结构，应使其脆性转变温度＜结构的工作温度

尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性

设计合理的形状，避免构件截面突然改变——能均匀、连续的传递应力==减少构件的应力集中

正确制造

严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意更改连接方式，不得随意加大焊缝厚度。

避免冷作硬化现象=应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方法+对于剪切边进行刨边

为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺和技术措施，必要时刻采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力

焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照规范法要求进行

合理使用

不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构

原设计在温室工作的结构，在冬季停产时要注意保暖

不要在主结构上任意焊接或附加零件悬挂物

避免因生产和运输不当对结构造成的撞击和机械损伤

平时对结构应注意检查和维护

外因

连接方式

硬化

动力荷载

低温

应力集中

内因

构造缺陷

化学成分

上翼缘受拉，下翼缘受压

选择“工字形”梁最好

钢筋混凝土结构

材料性能

钢筋

质量要求

强度

延性

机械性能

材料性能

极限抗拉强度

屈服强度

伸长率

塑性变形+弹性变形

冷弯性能

可焊性

焊接接头

的强度不低于被焊钢筋的强度

及其附近不应出现焊接裂纹

的塑性不应比被焊前差

选用

纵向受力钢筋

HRB400 HRBF400 RRB400 HRB500 HRBF500 HRB335 HPB300

梁、柱、斜撑构件

HRB400 HRBF400 HRB500 HRBF500

箍筋

HRB400 HRBF400 HRB335 HPB300 HRB500 HRBF500

预应力筋

预应力钢丝、预应力螺纹钢筋、钢绞线

混凝土

多孔隙非均质的弹塑性人造石材

选用原则

素混凝土结构的强度等级不低于C15

钢筋混凝土结构的强度等级不低于C20

采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，强度等级不低于C25

承受重复荷载的钢筋混凝土构件，强度等级不低于C30

预应力混凝土结构的强度等级不低于C30，且不宜低于C40

力学指标及其相互关系

立方体抗压强度标准值fcu,k

力学指标基本的代表值

强度设计依据

标准试块150*150*150

100*100==*0.95

200*200==*1.05

28d、或、设计规定龄期用标准试验方法测得具有95%保证率的抗压强度

轴心抗压强度标准值fck

棱柱150*150*300//150*150*450

直接拉伸/劈裂试验

fck=0.88a1a2fcu,k

a1【C50=0.76；C80=0.82】

a2【C40=1；C80=0.87】

抗拉强度标准值ftk

100*100*500+两端对中埋150mm的16钢筋

设计值常用于常规承载能力极限状态计算

标准值常用于正常使用极限状态计算、抗震性能设计等处

复杂应力状态下混凝土强度

双向受压：强度增加；

双向受拉：强度基本不变；

一拉一压：强度降低；

三向受压：强度与极限变形均提高。

剪应力与单轴正应力共同作用下的强度

有剪应力

抗拉、抗压强度都降低

混凝土的强度：多向应力状态下

混凝土的抗剪强度：

随拉应力增大而减小，随压应力增大而增大；

压应力为0.6fc时抗剪强度最大，随着压应力再增加，抗剪强度减少

混凝土的变形

一次短期加荷

混凝土强度越大，线弹性段越长，峰值应变越大，但脆性较显著，下降段较陡。

极限破坏应变不大于0.0033

峰值应变不小于0.002

弹性模量指原点切线模量

泊松比=【试件受压时】横向应变/纵向应变，《混规》取0.2

多次重复荷载下的应力-应变关系

混凝土的疲劳强度

试件承受≥200万次，重复荷载时发生破坏的压应力

长期作用下的变形性能--徐变

在荷载长期作用下，即使荷载大小维持不变，但混凝土变形却随时间而不断增长。

原因

混凝土中的水泥凝胶体未完全晶体化+荷载作用=粘性流动

混凝土较大应力作用下微裂缝发展

通过减少【水灰比、水泥用量、凝胶体】；养护温度与湿度越大，时间越长，养护越充分，徐变就越小

混凝土的收缩：一般与荷载无关

收缩——混凝土在空气中结硬时体积缩小的现象

膨胀——在水中或饱和湿度情况下结硬时体积会略有增大

【一般情况下收缩值远大于膨胀值】

主要原因：水泥水化凝结+游离水增发=体积缩小。

减小混凝土收缩措施：增加养护湿度、温度，提高混凝土密实度，减少水泥用量，减小水灰比，采用粒径大骨料等。

钢筋混凝土的粘结

钢筋混凝土形成整体、共同作用的基础

粘接的实质：保证混凝土与钢筋间有效传力

因此必须保证钢筋在支座中的锚固长度及不同钢筋间传力的搭接长度

粘结应力

钢筋混凝土构件受力后，沿钢筋和混凝土接触面产生剪应力=粘接应力

主要包括钢筋的锚固粘接应力、裂缝间的粘接应力。

来源

化学胶结力

水泥胶的水化作用，使钢筋与混凝土的接触面上产生化学吸附作用【发生滑移后消失】

摩擦力

混凝土收缩对钢筋产生的握裹力

光圆钢筋为主

机械咬合力

钢筋与混凝土之间的力

变形钢筋为主

粘结长度

必须足够

粘结强度

粘结面单位面积能承受的最大粘结应力

影响因素

1.混凝土强度等级越高，粘接强度越高；

2.必须保证钢筋混凝土保护层厚度；

3.直径越小，粘接强度越好，变形钢筋大于光圆钢筋；

4.横向箍筋与横向压应力均可提高粘接强度；

5.钢筋端部弯折并添加附加锚固措施，提高粘接强度；

当纵向受拉普通钢筋末端采用【弯钩/机械锚固措施】，包括弯钩/锚固端头在内的锚固长度=0.6基本锚固长度

基本设计原则

结构功能要求

设计要保证结构的可靠性

安全性

结构能承受正常施工和使用期间可能出现的各种作用，如荷载、支座变形、约束变形、爆炸、撞击等。

适用性

结构正常使用需保证良好的使用性能。如不出现过大的变形及裂缝，无过大振动等。

耐久性

结构在规定的工作环境中，在预定时期内，材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效频率

碳化：CO2导致砼中性化的过程

减少措施

合理设计混凝土配合比，规定水泥用量的低限值和水灰比的高限值，合理采用掺合料

提高混凝土的密实性、抗渗性

规定钢筋保护层的最小厚度

采用覆盖面层（水泥砂浆或涂料等）

钢筋锈蚀：电化学腐蚀

降低水灰比，增加水泥用量，提高混凝土的密实度

要有足够的混凝土保护层厚度

严格控制氯离子的含量

采用覆盖层，防止CO2、O2、Cl 的渗入

碳化会破坏钢筋表面的氧化膜，为钢筋锈蚀创造了前提条件；同时碳化会加剧混凝土的收缩，可导致混凝土开裂，使钢筋容易锈蚀

可靠度

可靠度分析：如何设计结构以实现结构的可靠度指标-概率极限状态设计法

功能函数：Z=R-S=结构抗力-作用效应

Z>0

可靠状态

Z=0

极限状态

Z<0

失效状态

概率

可靠概率Ps

失效概率Pf

可靠指标β

一一对应，成反比

三个时间段

结构的设计使用年限

结构或结构构件只需进行正常的维护而不需要进行大修就能完成预定功能的使用年限，是设计规定的一个时段

超过这个年限，并不是结构寿命终结了，只是结构的失效概率较设计预期变大，可靠度降低了，一般结构仍可正常使用

结构的使用年限

实际寿命

设计基准期

为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数

结构的安全等级

极限状态

荷载代表值

标准值

设计基准期内超越此值的概率为5%， 永久荷载代表值只有标准值。

组合值

一个主导可变荷载取标准值，另一个取组合值

频遇值

对可变荷载，设计基准期内超越的总时间为较小比例（一般不大于10%）

准永久值

对可变荷载，设计基准期内超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。

可变荷载标准值×荷载准永久值系数

结构的极限状态

正常使用极限状态验算时应进行的荷载效应组合

标准组合

不可逆正常使用极限状态

频遇组合

可逆正常使用极限状态

准永久组合

长期效应是决定性因素的正常使用极限状态

三种极限状态

承载能力极限状态

1.结构构件或连接超过材料强度破坏或疲劳破坏，或因过度变形不适合承载；

2.整个结构或其中一部分作为刚体失去平衡；

3. 结构转变为机动体系；

4.结构或构件失稳、地基丧失承载力失稳；

5. 结构局部破坏引起连续倒塌。

正常使用极限状态

1.影响正常使用或外观的变形（过大的挠度，位移）；

2.影响正常使用或耐久性的局部损坏（过大的裂缝）；

3.影响正常使用的振动；

耐久性极限状态

1.影响承载能力和正常使用的材料性能劣化；

2.影响耐久性的裂缝变形等；

3.影响耐久性的其他特定状态；

四种设计状况

持久设计状况

短暂设计状况

偶然设计状况

地震设计状况

概要

承载能力极限状态计算

构件受力分类

受弯构件

正截面抗弯承载力

分类

少筋破坏

超筋破坏-受拉钢筋不屈服

脆性破坏

适筋破坏

受压区高度≤界限受压区高度

受压混凝土被压碎

塑性破坏

有明显的塑性变形和裂缝预兆

受拉钢筋达到屈服强度

计算

抗裂计算

挠度计算

正截面承载力计算

计算的基本假定

截面平均应变符合平截面假定

不考虑受拉区混凝土抗拉强度

受压区混凝土的应力应变曲线

先凸上——平

|纵向钢筋的应力|=|钢筋应变×弹性模量|≤强度设计值

纵向受拉钢筋的极限拉应变=0.01

矩形截面

单筋矩形截面计算的两种问题：截面设计和截面复核

双筋矩形截面

使用原因：

单筋矩形截面存在超筋现象、截面上下均可能受拉、抗震结构设计

需要特别复核x≥2a ，当不满足该条件时，可偏保守取x2a

取x2a原因

满足破坏时受压区钢筋应力=抗压强度设计值

当x<2a时，受压钢筋不屈服

T型截面受弯承载力设计

根据矩形截面的分析，受拉区混凝土在承担弯矩时发挥的作用较小，因此可能受拉区混凝土挖去一部分，

不影响承载力、节省混凝土、减轻自重

斜截面承载力验算-受剪承载力验算

剪跨比——本质是反应了截面上正应力/剪应力的相对比值

根据剪跨比的不同，有/无腹筋梁的斜截面受剪破坏三种形态【脆性破坏】

斜压破坏

大于最大配筋率或小于最大配筋率+剪跨比小于1

主要特点为混凝土被腹剪斜裂缝分割成若干斜向短柱而被压坏

斜拉破坏

小于最小配筋率+剪跨比大于3：主要特点为斜裂缝一出现梁即破坏

设计中避免

使构件剪切破坏不先于弯曲破坏

构造实现

剪压破坏

最大和最小配筋率之间、或小于最小配筋率且1<剪跨比<3

特点：先产生垂直裂缝，然后斜裂缝发展，最终斜裂缝减压区高度缩小，减压区混凝土被压坏。

破坏前有预兆，承载力随配筋率增大而增大，远大于斜拉破坏承载力

计算实现

主要采用构造措施保证

纵向受拉钢筋弯起时保证斜截面受弯能力的构造措施

抵抗弯矩图-纵向受拉钢筋的截断

受压构件

注意

1. 应控制强度+长细比，避免失稳；

2. 宜采用较高强度等级的混凝土【可充分发挥混凝土抗压强度高的优势】，但高强度钢材不能充分发挥优势；

3. 配置纵向钢筋及箍筋可有效提高受压构件承载力

正截面受压承载力

轴心受压

分类：根据长细比不同

短柱：长细比lo/b（矩形截面，b为较小边长）≤8；lo/d（圆形截面，d为直径）≤7；lo/i（其他截面，i为截面回转半径）≤28（lo为柱的计算长度）

长柱：长细比大于上述限值的柱子；

配筋不同分类

配普通箍筋

配螺旋箍筋

间接钢筋：螺旋箍筋并不直接参与抵抗轴向压力，而是通过约束混凝土的横向变形，间接提高了受压构件的承载力和变形能力

间接钢筋对混凝土强度的折减系数a

可靠度调整系数0.9

公式适用性

计算规定

1. 间接钢筋间距≤{80mm，1/5核心混凝土直径}，且不宜小于40mm；

2. 按上述公式计算的承载力不应大于1.5倍普通箍筋柱受压承载力；

不考虑间接钢筋影响的情况：

1. lo/d>12；

2. 按上述公式计算的承载力N'<按普通箍筋柱受压承载力N；

3. Asso<25%纵筋全部面积

偏心受压

分类

单向偏心

双向偏心

偏心受压构件的弯矩=原弯矩+初始偏心+侧移引起的二阶弯矩等

弯矩作用平面内截面对称的偏心受压构件，可不考虑附加弯矩影响的条件：

1. 杆端弯矩比M1/M2≤0.9且轴压比≤0.9时；其中M1、M2为两端组合弯矩设计值，（绝对值较大为M2，较小为M1），构件单曲率时取正，否则取负；

2. 长细比：l/i=34-12(M1 / M2)

两种破坏形式

大偏心受压破坏

拉坏，破坏形式≈适筋梁，延性破坏

截面受拉侧混凝土较早出现裂缝，然后裂缝迅速开展，主裂缝处纵筋受拉屈服，压区混凝土压碎而破坏

小偏心受压破坏

压坏，脆性破坏

破坏是由于受压区混凝土先被压碎；另一侧钢筋受压或受拉，可能屈服/不屈服（无主裂缝）

反向破坏

当偏心距e很小，受压钢筋>受拉钢筋，截面的实际形心将偏向受压钢筋侧+较大轴压力作用=【远离轴压力一侧】混凝土先破坏

正常情况是e=e1+eo

反向破坏是e=e1-eo

M-N曲线

①　大偏心——N<Nb N与M正比

②　临界破坏点——N=Nb 有Mmax

③　小偏心——N>Nb N与M反比

斜截面受剪承载力

随着轴压比的增加(轴力的增加)，抗剪承载力先增加后减小。

★当轴压比 N/fbh=0.3~0.5时，继续增加轴向压力将使得受压构件的破坏形态转变为带有斜裂缝的小偏心受压破坏，

受拉构件

受拉构件从开始加载——破坏，其受力过程可分为三个受力阶段：

1. 加载到混凝土开裂前

2. 混凝土开裂前到受拉钢筋屈服前

3. 受拉钢筋屈服：轴心受力构件破坏时，全部拉力由钢筋来承受

分类

大偏心受拉

钢筋一侧受拉，一侧受压

受拉钢筋屈服，受压混凝土压坏

破坏形式≈适筋梁

轴向拉力作用点在外侧

小偏心受拉

钢筋两侧均受拉，都达到屈服破坏

轴向拉力作用点在内侧

受扭构件

分类

据计算方法

平衡扭转

约束扭转

根据受力不同

纯扭构件

影响因素

受扭纵向配筋率tl

受扭箍筋配筋率sv

纵向钢筋与箍筋的强度比值

剪扭构件

剪扭的相关性

弯剪扭构件

弯矩、剪力与扭矩共同作用下的钢筋混凝土构件，其承载力总是小于剪力和扭矩单独作用下的承载力

破坏面：空间扭曲面

突然性的脆性破坏

破坏模式：

少筋破坏

构件一旦开裂，受扭钢筋立即屈服，≈素混凝土，属脆性破坏

受扭纵向配筋率tl

受扭箍筋配筋率sv

都小

超筋破坏

受扭钢筋尚未达到屈服，混凝土就被压碎，构件立即破坏，属脆性破坏

受扭纵向配筋率tl

受扭箍筋配筋率sv

纵向钢筋与箍筋的强度比值

都合适

部分超筋破坏

受压混凝土被压坏，与斜裂缝相交的纵筋和箍筋应力均达不到屈服，破坏预兆不明显，材料利用不充分，应避免

受扭纵向配筋率tl

受扭箍筋配筋率sv

一个太大

纵向钢筋与箍筋的强度比值

过大/过小

适筋破坏

首条裂缝出现后构件并没有立即破坏，而是陆续出现多条平行的连续螺旋形裂缝，与裂缝相交的箍筋与纵筋先后屈服，然后受压面混凝土压碎，有一定延性

受扭纵向配筋率tl

受扭箍筋配筋率sv

均太大

冲切

冲切与剪切破坏

剪切破坏：荷载或构件呈线性，剪切破坏面贯穿构件整个宽度

冲切破坏：破坏面围绕荷载区域形成冲切椎体

都属于脆性破坏，其破坏机理均为材料主拉应力达到极限

承载力计算

改善平板抗冲切性能的措施：加柱帽或配筋

局部承压

疲劳

正常使用极限状态验算

抗裂

裂缝成因

荷载

对策：合理配筋，控制钢筋应力不过高，钢筋直径不过粗，间距不过大，选择带肋钢筋。必要时采用预应力混凝土结构

非荷载

温度变化

温度变化=热胀冷缩=变形受到约束=产生裂缝。

对策：设伸缩缝，减小约束，允许自由变形。

大体积混凝土：分层分块浇筑，采用低热水泥，埋置块石，预冷骨料，预埋冷却水管等

混凝土收缩

混凝土+空气=结硬=收缩变形=收缩裂缝。

对策：设伸缩缝，降低水灰比，配筋率不过高，设置构造钢筋使收缩裂缝分布均匀，加强潮湿养

基础不均匀沉降

对策：构造措施及设沉降缝等

冰冻

钢筋锈蚀

钢筋锈蚀是电化学反应，钢筋生锈体积膨胀，产生顺筋裂缝，导致混凝土保护层剥落，影响结构耐久性。

对策：提高混凝土的密实度和抗渗性，适当地加大保护层厚度。

碱骨料化学反应

混凝土孔隙中水泥的碱性溶液+活性骨料(含活性SiO2)——化学反应——生成碱一硅酸凝胶，遇水膨胀，使混凝土胀裂

对策：限制活性骨料含量，高混凝土的密实度和采用较低的水灰比

抗裂验算

一般混凝土结构都是带裂缝工作的，裂缝对混凝土结构的不利影响：

（1）影响外观，产生不安全感

（2）缩短混凝土碳化到达钢筋的时间，钢筋提早锈蚀

（3）在侵蚀环境中，加速钢筋锈蚀

（4）水头较大时，产生水力劈裂现象

轴心受拉构件

钢筋与混凝土变形协调=即将开裂时，混凝土与钢筋应变一致

混凝土开裂时，钢筋的应力很低，增加钢筋提高抗裂强度=不经济

受弯构件

受弯构件正截面即将开裂时，应力处于第1阶段末

受拉区近似假定为梯形，塑化区高度=1/2受拉区高度

利用平截面假定，根据力和力矩的平衡，求出Mcr

保持Mcr相等，将受拉区梯形应力图折换成直线分布应力图，进行计算

偏心受拉构件

把钢筋换算为混凝土截面面积，将应力折换成直线分布，引入γ偏拉，采用迭加原理，用材料力学公式进行计算

裂缝

裂缝宽度计算理论

裂缝宽度验算主要针对由弯矩、轴向拉力、偏心拉压应力引起的垂直弯矩

由于剪力或扭矩引起的弯矩，目前研究还不够充分

由于荷载外因素引起的裂缝=主要依靠构造措施减少或避免发生或发展

由于混凝土质量不均，裂缝间距有疏有密。Dmax=(1.3～2)D平均

荷载＞50％开裂荷载==裂缝间距才趋于稳定

裂缝开展宽度有大有小，实际设计考虑的是最大宽度

裂缝出现前，拉区钢筋与混凝土共同受力。沿构件长度方向，各截面受力相同

粘结滑移理论

滑移理论

与钢筋滑移有关

无滑移理论

与保护层厚度大小有关

概要

综合理论

前两种理论结合，我国规范采用

平均裂缝宽度

问题理想化

裂缝是等间距、同时发生

荷载增加只加大裂缝宽度，不产生新的裂缝

各条裂缝宽度，在同一荷载下相等

影响因素

裂缝间距

钢筋应变不均匀系数

裂缝控制措施

影响裂缝宽度的主要因素

钢筋应力、钢筋的直径、外形、混凝土保护层厚度及配筋率【混凝土强度对裂缝宽度无显著影响】

普通钢筋混凝土结构

不宜采用高强钢筋

采用细而密、变形钢筋==适当提高受拉钢筋配筋率==使裂缝间距及裂缝宽度减小

混凝土保护层

混凝土保护层越厚，表面裂缝宽度越大，钢筋不易锈蚀

不宜采用减小保护层厚度的方法

受拉区混凝土设置钢筋网和掺加钢纤维，采用合理的结构外形。

解决荷载裂缝问题的最有效方法==采用预应力钢筋混凝土

挠度/变形验算

变形曲线

裂缝出现前， M- f接近直线

出现裂缝后，出现转折点A′。混凝土塑性发展，变形模量降低；截面开裂，抗弯刚度降低

钢筋屈服，出现第二个转折点C′，截面刚度急剧降低

影响混凝土徐变和收缩的因素都将导致刚度的降低，使构件挠度增大

限值

挠度不满足，增加截面尺寸、提高混凝土强度等级、增加配筋量及选用合理的截面(如T形或工形等)都可提高构件的刚度

合理有效的措施是增大截面的高度

预应力混凝土

轴拉构件

受弯构件

施压方法

先张法

先张拉预应力钢筋，后浇筑混凝土的施工方法。

需要台座和张拉设备

先张法施工工艺过程：

① 将预应力钢筋的一端，用夹具固定在台座的钢梁上，钢筋的另一端则通过张拉夹具、测力器与张拉机械相连

②用设备张拉预应力钢筋，将钢筋张拉到规定应力

③浇筑混凝土，并进行养护

④待混凝土应力达到规定的强度时，即可将预应力钢筋切断。通过预应力钢筋的弹性回缩挤压混凝土，使构件的混凝土产生预压应力

后张法

先浇筑混凝土构件， 后张拉预应力钢筋的施工方法

后张法的施工工艺过程 ：

① 浇筑混凝土构件，并在构件中预留预应力钢筋的孔道。

② 养护混凝土构件，当混凝土达到规定强度后，将预应力钢筋穿入孔道，并在锚固端用锚具将预应力钢筋锚固在构件的端部。

③ 在构件的另一端，用张拉机具张拉预应力钢筋。在张拉钢筋的同时，构件的混凝土也受到压力。当张拉到预应力钢筋的控制应力时，用锚具将钢筋锚固在构件上，并拆除张拉机具。

④往预留孔道内灌浆养护

单层厂房

组成与布置

吊车梁

承受吊车横向水平力

传递纵向水平力

柱间支撑

保证结构整体稳定

提高侧向刚度

传递纵向水平力

排架柱

传递横向水平力

柱

基础

多层及高层房屋

结构体系及布置

剪力墙结构

框-剪结构

框-剪结构设计要点

抗震设计要点

一般规定

构造要求