结构概念设计——第3章结构的水平体系1.ppt
概述 (Introduction ),第3章 结构的水平体系 The Horizontal System of Structure,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析 (Mechanical Analysis of R.C. Beam ),3.2 结构水平体系的主要类型和特点 ( The Major Styles and Characteristics of Horizontal Structural System),概述 (Introduction ),第3章 概述 ( Introduction ),由板、梁、桁架等多种水平构件组成,在竖直方向，通过平面外弯、剪承 受竖向荷载，把它传给竖向结构体系。,结构的水平体系,在水平方向，通过平面内的弯 、剪 承受水平荷载，并把它传给抗侧力的竖 向结构体系。,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析 (Mechanical Analysis of R.C. Beam ),3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析 (Mechanical Analysis of R.C. Beam ),3.2 结构水平体系的主要类型和特点 ( The Major Styles and Characteristics of Horizontal Structural System),概述 (Introduction ),第3章 结构的水平体系 The Horizontal System of Structure,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,梁是最常见的水平结构构件，应用很广，主要承受弯矩和剪力，是最典型的受弯构件。,在混凝土梁的受拉区适当配置钢筋，由钢筋来承担混凝土中的拉应力，可大大提高梁的承载能力。实际上，钢筋混凝土梁(或结构)是钢筋和混凝土两种不同材料组合而成的组合结构，两种材料充分发挥各自的特长，共同工作，受力合理。凡是梁中混凝土抗拉不足的部位，都可以用钢筋来加强。,(a),3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,钢筋混凝土梁试验,试验梁,反力架,分配梁,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,钢筋混凝土适筋梁正截面破坏,纵筋首先屈服,混凝土随后压碎,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,钢筋混凝土超筋梁正截面破坏,混凝土受压区被压坏,侧向受拉破坏,向上受拉破坏,总之，是在垂 直主压应力方向发 生受拉破坏。,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,钢筋混凝土梁斜截面剪压破坏,剪压破坏,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,钢筋混凝土梁斜截面剪压破坏,剪压区,斜裂缝,钢筋混凝土梁中的钢筋布置如图 (b)所示，下部纵筋主要用来承受弯矩引起的拉力，钢箍和弯起钢筋主要用来承受斜截面上的主拉应力。支座附近弯矩小，纵筋在靠近支座附近不能被充分利用，所以可弯起来承受斜截面上的拉力。钢筋的抗压强度也很高，埋在混凝土中还不易失稳，有时也用来帮助受压区混凝土抗压，以提高受压区的承载力。,由于钢筋拉应力较高，一般情况下钢筋混凝土梁是带裂缝工作的，主要有跨中附近的垂直裂缝和支座附近的斜裂缝。随着荷载的增大，裂缝会不断扩大和延伸。钢筋混凝土梁开裂以后的工作状态比较复杂，为加深对钢筋混凝土梁开裂后工作状态的理解，可以运用学得的结构概念，把它设想为某种我们已经比较熟悉的结构。,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,（2） 把只有一排弯起筋的钢筋混凝土梁看作下沉式桁架(图d) ，受力状态基本相同，只是中间由混凝土充当受压腹杆的梁段长一些而已。,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,（3） 对于没有弯起钢筋的梁，可以设想为带有上斜腹杆的平行弦桁架，由梁腹混凝土充当斜向受压腹杆(图e) 。,学过钢筋混凝土基本构件的同学一定还记得，在梁的斜截面计算中有一个截面限制条件，对于一般截面梁，其表达式为： V = 0.25×b h0 fc 式中： fc 混凝土的抗压强度设计值； b 和h0 分别为截面宽度和有效高度。 此式反应了梁在主压应力方向的极限承载力。在剪力V作用下梁在主拉应力方向产生拉应力的同时，在主压应力方向也将产生同样大小的压应力，过大的斜向压应力有可能使梁在斜压方向压碎。,对比图e）的支座斜腹杆，假设此斜腹杆的截面高度为h1，则有 b h1 fc sin a= V = 0.25 b h0 fc 得 h1 = 0.25 h0 / sin a 设主压力近似为45°，将 sin45°= 0.707代入上式得 h1 = 0.35 h0 也即这斜腹杆的截面高度大约相当于0.35 h0 。,(e),3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,（4）对于裂缝开展得很严重的钢筋混凝土梁，可以认为受拉区混凝土已退出工作，此时，可以把它设想为一个带拉杆的拱，拱拉力由纵筋承担，拱压力由混凝土承担(图f )。梁上各截面的弯矩M由纵筋拉力与相应截面拱压力的水平分量组成的力偶来平衡；各截面的剪力由相应截面拱压力的竖向分量来平衡。越靠近支座，拱轴越倾斜，其抗剪力的竖向分量也越大。,“拱”下梁腹部分混凝土开裂后基本上不起作用，挖几个洞对承载力也没有明显影响。因此，工程中常在薄腹梁(屋面大梁)跨中腹板处挖去几个圆洞，这样既可减轻自重，节省材料，还可以穿越管线。 拉杆拱的拉力也可由支座推力来承担，只要支座能提供足够的推力，则拉杆可以取消(图g) ，拱作用不会有任何变化。,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,北京 革命军事博物馆 带地下拉杆的钢筋混凝土落地拱,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,敞肩式石拱桥,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,（5）在后张预应力混凝土梁中，有时也采用曲线配筋(图h ) ，此时曲线钢筋受拉，上部“弦杆”混凝土受压，受力状态与带拉杆的拱正好相反。各截面的剪力由曲线钢筋拉力在截面上的竖向分量来平衡，上弦只提供压力，以便与相应截面曲线钢筋拉力的水平分量组成力偶，来平衡该截面的弯矩。,如果支座可以提供足够的水平力，那么上弦压杆也可以去掉，支座水平力与上弦压力的作用效应是一样的。可以看出，此时已变为一悬索结构(图i )。,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,悬 索 桥,3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析,上述对钢筋混凝土梁受力状态的分析，目的在于深入了解钢筋混凝土梁的工作机理，加深对受弯构件的理解。从本质上来说，只要设法承受截面的弯矩M 和剪力V，就能形成水平构件，跨越一定跨度。梁、拱、桁架、悬索等结构构件在这一点上并没有本质的区别。 桁架、拱和悬索巧妙地将弯矩M和剪力V 都转化为相应杆件的轴力，可以充分利用材料的受力特性和充分利用杆件的截面面积，使构件变得更经济合理，自重更轻。 梁高相对其跨度而言是比较小的，例如，次梁的高跨比通常为1/121/16，主梁的高跨比通常为1/81/12。而桁架、拱和悬索结构在建筑结构中通常用在屋盖系统，可适当提高其有效高度，其截面高度相对其跨度而言，例如桁架的高跨比通常可高达1/41/7。很明显，增高结构高度可大大减小构件内力，从而使杆件截面更小，自重更轻，可跨越更大的跨度。,在第一章中曾谈到结构尺度的概念，按比例放大一根梁是行不通的。因为梁自重的增加比其抗力的增加还要快，梁会被其自重压垮。而结构形式的改变，不但可使构件的受力状态发生改变(例如，从梁的受弯受剪，改变为桁架、拱、悬索结构以承受轴力为主)，增加内力臂而减少构件内力，同时也大大减轻了结构自重，这样才能使结构跨越更大的跨度。 可见，从结构基本概念出发，合理改进结构形式，使结构受力更合理，对结构工程师来说，是十分重要的。同时也可以看到，一根梁虽然在材料强度利用上不是很好，但梁中隐含着上斜式平行弦桁架、下斜式平行弦桁架、带拉杆拱、悬索结构、下沉式桁架等多种结构受力状态，因此才有可能将梁截面的高度做得更小。当跨度不很大时，为了充分利用层高，尽可能减小结构高度，梁还是一种很有效的结构形式。,
