y)交通土建高职高专统编教材 Jiegou Sheji Yuanli 结构设计原理 第二版) 孙元桃主编 叶见曙[东南大学]主审 人庆交通出版 China Communications Press
交通土建高职高专统编教材 Jiegou Sheji Yuanli 结构设计原理 (第二版) 孙元桃主编 叶见曙[东南大学]主审 人民交通出版社
内容提要 本书为交通土建高职高专统编教材，以原高职教材为基础，按《公路桥涵设计通用规范》 (J1GD60一2004)等规范进行了修订。主要介绍了钢筋混凝土、预应力混凝土、圬工结构的设 计原理，包括如何合理选择构件截面尺寸及配筋，力学计算图式的拟定，构件承载力、稳定度、 刚度和裂缝计算等。 本书可作为高职路桥、监理、检测、养护等专业教材，亦可供中职有关师生使用、 图书在版编目(C1P)数据 结构设计原理/孙元桃主编.一第二版.一北京：人 民交通出版社，2005.4 ISBN7-114-05520-X I.结...Ⅱ.孙.Ⅲ.建筑结构-结构设计 IV.TU318 中国版本图书馆CIP数据核字(2005)第029194号 交通土建高职高专统编教材 书名： 结构设计原理（第二版） 著作者：孙元桃 责任编辑：卢仲贤师云 出版发行：人民交通出版社 地址：(100011)北京市朝阳区安定门外外馆斜街3号 网址：hitp:∥www.copress.com.cn 销售电话：(010)85285838,85285995 总经销：北京中交盛世书刊有限公司 经销：各地新华书店 印刷：北京凯通印刷厂 开本：787×10921/16 印张：16 字数：384千 版次： 2002年8月第1版 2005年5月第2版 印次：2005年5月第2版第1次印刷 书号：ISBN7-114-05520-X 印数：23001-28000册 定价：23.00元 (如有印刷、装订质量问题的图书由本社负责调换)
21世纪交通版 交通土建高职高专统编教材编审委员会 主任委员张洪滨(吉林交通耿业技术学院) 耐主任委员(按姓氏笔画为序) 田平(河北交通职业技术学院) 刘建明(青海交通职业技术学院) 张润虎(贵州交通职业技术学院) 李全文(四川交通职业技术学院) 陆春其(南京交通职业技术学院) 俞高明(安徽交通职业技术学院) 钟建民(山西交通职业技术学院) 郭发忠(浙江交通职业技术学院) 彭富强(湖南交通职业技术学院) 程兴新(陝西交通职业技术学院) 谢远光(重庆交通职业技术学院) 员(按姓氏笔画为序) 王彤(辽宁交通高等专科学校) 王亮(云南交通职业技术学院) 王连威(吉林交通职业技术学院) 刘武(江西交通职业技术学院) 孙元桃(宁夏交通职业技术学院) 张世海(甘肃交通职业技术学院) 张保成(内蒙古大学职业技术学院) 张美珍(山西交通职业技术学院) 李仕东(鲁东大学交通学院) 李加林(广东交通职业技术学院) 李绪梅(新疆交通职业技术学院) 杨晓丰(黑龙江工程学院) 邹积君(鲁东大学交通学院) 陈方晔(湖北交通职业技术学院) 周传林(南京交通职业技术学院) 周志坚(福建交通职业技术学院) 金桃(贵州交通职业技术学院) 姚丽(辽宁交通高等专科学校) 赵卫平(黑龙江工程学院) 夏连学(河南交通职业技术学院) 曹雪梅(四川交通职业技术学院) 梁金江(广西交通职业技术学院) 薛安顺(陝西交通职业技术学院) 秘书长卢仲贤(人民交通出版社)
2录 CONTENTS 总论 第一章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能 第一节钢筋混凝土结构的基本概念… 1445 第二节混凝土… 第三节钢筋 第四节钢筋与混凝土之间的粘结………… …19 思考题 第二章结构按极限状态法设计的原则… 第一节作用(荷载)与作用(荷载)效应组合 第二节极限状态法设计的基本概念……… 第三节我国公路桥涵设计规范规定的计算原则…… 思考题 第三章受弯构件正截面承载力计算 第一节钢筋混凝土受弯构件的构造要求 第二节受弯构件正截面受力全过程和破坏特征 第二节单筋矩形截面受弯构件计箅… 第四节双筋矩形截面受弯构件计算 第五节单筋T形截面受弯构件计算 思考题… 习题 第四章受弯构件斛截面承载力计算… 第一节受弯构件斜截面的受力待点及破坏形态…… 第二节受弯构件斜截面抗剪承载力计算 第二节受弯构件斜截面抗弯承载力计算 第四节全梁载力校核与构造要求 74 思考题 习题
第五章钢筋混凝土受弯构件在施工阶段的应力计算… 第一节换算截面… 第二节受弯构件在施工阶段的应力计箅… 思考题 习题 第六章钢筋混凝土受弯构件变形和裂缝宽度计算 882%899 第一节受弯构件的变形(挠度)计算 第二节受弯构件的裂缝宽度计箅 103 思考题 习题 第七章轴心受压构件承载力计算 第一节概述 第一节配有纵向受力钢筋和普通箍筋的轴心受压构件 第三节配有纵向受力钢筋和螺旋箍筋的轴心受压构件 l13 思考题…… …·116 习题 l16 第八章偏心受压构件承載力计算… 118 第一节偏心受压构件正截面受力特点和破坏形态……………119 第二节偏心受压构件的纵向弯曲 第三节矩形截面偏心受压构件 …127 第四节圆形截面偏心受压构件 14 思考题… 习题 第九章预应力混凝土结构的基本概念及材料 第一节概述 第二节部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土 152 第三节预加应力的方法与设备 157 第四节预应力混凝土结构的材料 ……………………163 思考题 第十章预应力混凝土受弯构件按承载能力极限状态设计计算… 166 第一节概述 第二节预加力的计算与预应力损失的估算 第二节预应力混凝土受弯构件的承载力计算 175 思考题 第十一章预应力混凝士受弯构件按正常使用极限状态设计计算………183 第一节预应力混凝土受弯构件的应力计算 第二节端部锚固区计算 第三节使用阶段正截面和斜截面抗裂验算 第四节变形计算 思考题 l99
第十二章预应力混凝土简支梁设计 第一节预应力混凝土受弯构件的基本构造 第二节预应力混凝土简支梁设计计算示例 206 思考题 214 第十三章圬工结构的基本概念与材料 第…-节概述 第二节圬工结构的材料 ……………………………………215 第三节砌体的强度与变形……… 219 思考题 第十四章圬工结构的承载力计算 第一节设计原则 227 第二节圬工受压构件正截面承载力计箅 思考题 ……235 习题 …235 附:参考教学大纲 236 主要参考文献 ………240
总论 本课程的任务及与其他课程的关系 《结构设计原理》主要是研究钢筋混凝土、预应力混凝土、石材及混凝土(通称圬工)结构构 件的设计原理。其主要内容包括如何合理选择构件截面尺寸及其联结方式,并根据承受作用 的情况验算构件的承载力、稳定性、刚度和裂缝等问题,且为今后学习桥梁工程和其他道路人 工构造物的设计计算奠定理论基础。本课程是属“界于基础课和专业课之间的技术基础课” 各种桥梁结构都是由桥面板、横梁,主梁、桥墩(台)、拱、索等基本构件所组成。桥梁或道 路人工构造物都要受到各种外力,例如车辆荷载、人群荷载、风荷载以及桥跨结构各部分自重 等的作用。建筑物中承受作用和传递作用的各个部件的总和统称为结构,因而结构是由若干 基本构件,如以上所述的板、梁、拱圈等所组成。由这些基本构件可以组合成各种各样的桥梁 及道路人工构造物。《结构设计原理》课程就是以这些基本构件为主要研究对象的一门学科。 根据构件受力特点,可将基本构件归纳为:受拉构件、受压构件、受弯构件和受扭构件等几 种最基本的受力图式。在工程实际中,有些构件的受力和变形比较简单,但有些构件的受力和 变形则比较复杂,常有可能是几种受力状态的组合。 在外荷载作用下,构件有可能由于承载力不足而破坏或变形过大而不能正常使用。因而 在设计基本构件时,要求构件本身必须具有一定的抵抗破坏和抵抗变形等的能力,即“承载能 力”。构件承载能力的大小与构件的材料性质、几何形状截面尺寸、受力特点、工作条件构造 特点以及施工质量等因素有关。当其他条件已经确定,如果构件的尺寸过小,则结构将有可能 因产生过大的变形而不能正常使用,或因材料强度不够而导致结构的破坏。为此,如何正确地 处理好作用与承载能力之间的关系,就是本课程所讨论的主要内容。 《结构设计原理》是一门重要的技术基础课。它是在学习《材料力学》、《道路建筑材料》等 先修课程的基础上,结合桥梁工程中实际构件的工作特点来研究结构构件设计的一门学科 本教材的主要内容取材于我国现行的《公路桥涵设计通用规范》(JD60-2004)、《公路圬 工桥涵设计规范》(JGD61-2004)、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(mG D62-2004)。这些设计规范是我国公路桥涵结构物设计的主要依据。在学习过程中,应熟悉 上述规范。只有对上述规范条文的概念、实质有了正确的理解,才能确切地应用规范的公式和 条文,以充分发挥设计者的主动性和创造性。 在学习本课程时,应着重了解构件的受力特点和变形特点,以及在此基础上建立起来的符 合实际受力情况的力学计算图式。由于本课程与建筑材料的实际材性有着紧密的关系,而各 种建筑材料(钢、木、混凝土、石材等)的材性是各不相同的,故本课程往往要依赖于科学实验的
结构设计原理 结果。因此,在进行理论推导时,经常地要在计算公式中引进…些半理论半经验的修正系数。 此外,学习本课程的另一特点是设计的多方案性。只要在保亚结构设计要求的前提下,答案常 常不是惟一的,而且,设计计算工作也不是—一次就可以获得成功的。以上这些特点,都是同学 们在已学课程中所未曾遇到过的问题,因此必须很好地认识它,并通过不断实践才能较好地掌 握本课程的内容。 根据所选用材料的不同,结构可分为:钢筋混凝土结构;预应力混凝土结构;石材及混凝士 结构(圬工结构);钢结构和木结构等。当然,也可以是采用各种材料所组成的组合结构。本书 主要介绍钢筋混凝土、预应力混凝土、石材及混凝土结构的材料特点及基本构件受力性能、设 计计算方法和构造。 二、各种材料结构的特点及使用范围 目前国内外桥梁的发展总趋势是:轻型化、标准化和机械化。因而,对于基本构件的设计 也应符合上述要求。 (一)各种材料结构的特点 I结构质量 为了达到增大结构跨径的目的,应力求使构件能做成薄壁、轻型和高强。钢材的单位体积 质量(容重)虽大但其强度却很高;木材的强度虽很低,但其容重却很小。如果以材料容重y 与容许应力a]之比(以y[a])作为比较标准,且以钢结构质量为10,则其他结构的相对质 量{a]/y大致为,受压构件:木-1、5~2.4;钢筋混凝士-3.8~Ii;砖石一9,2~28。受弯构 件:木-1.5-24;钢筋混凝土-3-10;预应力混凝土—2~3。从以上比较可以看出,在跨径 较大的永久性桥梁结构中,釆用预应力混凝土结构是十分合理和经济的。 2.使用性能 从结构抗变形的能力(即刚度)结构的延性、耐久性和耐火性等方面来说,则以钢筋混凝 土结构和圬工结构较好;钢结构和木结构则都需采取适当的防护措施和定期进行保养维修。 预应力混凝土结构的耐久性比钢筋混凝土结构更好,但其延性则不如钢筋混凝土结构好。 3.建筑速度 石材及混凝土结构和钢筋混凝土结构较易就地取材;钢、木结构则易于快速施工。由于混 凝土工程需要有一段时间的结硬过程,因而施工工期一般较长。尽管装配式钢筋混凝土结构 可以在预制工场进行工业化成批生产,但建筑工期稍比钢、木结构要长。 (二)各种结构的使用范囤 1.钢筋混凝土结构 钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种材料组成的,具有易于就地取材、耐久性好、刚度大、可 模性(亦郎可以根据工程需要浇筑成各种几何形状)好等优点。钢筋混凝土结构的应用范围非 常广泛,如各种桥梁、涵洞、挡土墙、路面、水工结构和房屋建筑等。当采用标准化装配化的预 制构件,更能保证工程质量和加快施工进度。相对于预应力混凝土结构而言,钢筋混凝土结构 具有较好的延性,对抗震结构更为有利。但是,钢筋混凝土结构也有自重较大、抗裂性能差、修 补困难等缺点。 2预应力混凝土结构
总论 构作在葶受作用之前预先对混凝土受拉区施以适当压成力的结构称为”预应力混凝土结 构”,因而在正常使用条件下,可以人为地控制截面上:只出现很小的拉应力或不出现拉应力.从 而延缓∫裂缝的发生和发展,且可使高强度钢材和扃等级混凝土的“高强”在结构中得到允分 利用,降低∫结构的白重,增大∫跨越能力,目前、预应力混凝上结构在国内外得到丁迅速发 展,是现今桥梁⊥程中应用较广泛的一种结构。近年来,部分预应力混凝土结构也正在快速的 发展。它是介F普通钢筋混凝土结构与全预应力混凝土结构之间的一种中间状态的混凝上结 构它可以人为地根据结构的使用要求,控制混凝土裂缝的开裂稈度和拉应力大小 3.石村及混凝土结构(圬L结构) 用胶结材料将大然石料、混凝土预制埉等埉材按·定规则砌筑而成旳幣体结构有材炇 混凝士结构在我国使用甚广,常用于拱圈、墩台、基础和挡十墙等结构中 因本书主要讲述的是钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、石材及混凝土结构,故对钢结 构、木结构的使用特性不作介绍 工程结构设计的基本要求 公路桥梁应根据所在公路的使用任多,性质和将来的发展需要,按照适用、经济、安全和美 观的原则进行设计,也需要根据国地制宜就地取村、便于施1和养护的原则,合理地选用适当 结构形式,同时,应尽可能地节省木材,钢村和水泥的用量,其中尤应注意贯彻节省木材的精 在设计结构物时,应全面地进行综合忠,严格地遵照有关的技术标准和设计规范(包括 各种技术标准和技术规范的跗法糸文)行没计但对于…些特殊结构或创新结构,则可参照 国家批准的专门规范或有关的艽进技术资料进行设计,同时,还应进行必要的科学实验 桥涵结构在设;.准期内应有一定的可靠度,这就要求桥涵结构的整体及其各个组成部 分的构件在使用荷载作用F具有足够的承载力稳定性、刚度和耐久性:承载力要求是指桥涵 结构物在设计基准期内.它的各个部件及其联结的各个细部都符合规定的要求或具有足够的 安全储备,稳定要求是指整个结构物及其各个部件在计算荷载作用下都处于稳定的平衡状 态ε桥涵结构物的刚度要求是指在计算荷载作用下.桥涵结构物的变形必须控制在容许范围 以内。桥涵结构物的耐久性是指桥溷结构物在设计基准期内不得过早地发生破坏而蟛响ⅱ常 使用.得汴意的是.不可片面地强调结构的经济指标而降低对结构物耐久性的要求,从而影 响桥函结构物的使用寿命或过多地增加桥粞及道路人工构造物的维修、养护、加固的费用 因此、桥结构物的所有构件和联结细部都必须进行设计和验算。同时,每个程技术 员都必须清楚地樺得,配确地处理好结构构造间题是十分重要的,这与处理好计算问题是同等 地要因而.在进行结构设计时,首先应根据材料的性质、受力特他用条件和施工要求等 情况,慎重地进行综合性分析,尔后采取合理的构造措施确定构件的几何形状和各部尺寸,并 进行验算和修 另外,每个结构构件除应满足使用期间的承载力刚度和稳定性要求外还应满足制造、运 输和安装过程屮的承载力、刚度和稳定性要求。桥涵结构物的结构形式必须受力明确、构造简 单施工方便和易于养护等,设计时必须充分考虑时当地的丁条件和施订能性。设计时 应充分注意我国的国情,应尽可能地采用适合当时当地情况的新材料新I艺和新技术