结构概念设计-第3章结构的水平体系.ppt

概述概述(Introduction)第第3章章结构的水平体系结构的水平体系TheHorizontalSystemofStructureTheHorizontalSystemofStructure3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析(MechanicalAnalysisofR.C.Beam)3.2结构水平体系的主要类型和特点结构水平体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)概述概述(Introduction)2/22/20231第第3 3章章 概述概述 (Introduction)由板、梁、桁架等多种水平构件组成由板、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。受竖向荷载，把它传给竖向结构体系。结结构构的的水水平平体体系系 在水平方向，通过平面内的弯在水平方向，通过平面内的弯 、剪、剪承受水平荷载，并把它传给抗侧力的竖承受水平荷载，并把它传给抗侧力的竖向结构体系。向结构体系。NVV应应 当当 指指 出出（1 1）水平体系构件的竖向高度）水平体系构件的竖向高度(例如板厚、例如板厚、梁高）比起它的跨度要小得多。梁高）比起它的跨度要小得多。（2 2）竖向荷载在数值上比水平荷载大得多。）竖向荷载在数值上比水平荷载大得多。因此，水平体系构件在竖直方向上的弯剪承因此，水平体系构件在竖直方向上的弯剪承载力和变形是控制这些结构构件设计计算的载力和变形是控制这些结构构件设计计算的主要因素。主要因素。2/22/202323.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析(MechanicalAnalysisofR.C.Beam)3.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析(MechanicalAnalysisofR.C.Beam)3.2 3.2 结构水平体系的主要类型和特点结构水平体系的主要类型和特点 (TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)概述概述(Introduction)第第3 3章章 结构的水平体系结构的水平体系TheHorizontalSystemofStructureTheHorizontalSystemofStructure2/22/202333.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析梁梁是是最最常常见见的的水水平平结结构构构构件件，应应用用很很广广，主主要要承承受弯矩和剪力，是最典型的受弯构件。受弯矩和剪力，是最典型的受弯构件。在在混混凝凝土土梁梁的的受受拉拉区区适适当当配配置置钢钢筋筋，由由钢钢筋筋来来承承担担混混凝凝土土中中的的拉拉应应力力，可可大大大大提提高高梁梁的的承承载载能能力力。实实际际上上，钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁(或或结结构构)是是钢钢筋筋和和混混凝凝土土两两种种不不同同材材料料组组合合而而成成的的组组合合结结构构，两两种种材材料料充充分分发发挥挥各各自自的的特特长长，共共同同工工作作，受受力力合合理理。凡凡是是梁梁中中混混凝凝土土抗抗拉拉不不足足的的部部位位，都都可可以用钢筋来加强以用钢筋来加强。VM根据力学知识，如果将根据力学知识，如果将钢筋沿梁的主拉应力迹线布钢筋沿梁的主拉应力迹线布置，受力最为合理。但通常置，受力最为合理。但通常钢筋是一根一根的直筋，这钢筋是一根一根的直筋，这样布置施工上有一定困难。样布置施工上有一定困难。(a)2/22/202343.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁试试验验试验梁试验梁反力架反力架分配梁分配梁2/22/202353.1钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土钢筋混凝土适筋适筋梁正截面破坏梁正截面破坏纵筋首先屈服纵筋首先屈服混混凝凝土土随随后后压压碎碎2/22/202363.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土钢筋混凝土超筋超筋梁正截面破坏梁正截面破坏混凝土受压区被压坏混凝土受压区被压坏侧侧向向受受拉拉破破坏坏向向上上受受拉拉破破坏坏总之，是在垂总之，是在垂直主压应力方向发直主压应力方向发生受拉破坏。生受拉破坏。2/22/202373.1钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁斜截面钢筋混凝土梁斜截面剪压剪压破坏破坏剪剪压压破破坏坏2/22/202383.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁斜截面钢筋混凝土梁斜截面剪压剪压破坏破坏剪剪压压区区斜斜裂裂缝缝2/22/20239(b)(c)弯起筋弯起筋架立筋或受压筋架立筋或受压筋 钢箍钢箍纵筋纵筋(d)钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁中中的的钢钢筋筋布布置置如如图图 (b)(b)所所示示，下下部部纵纵筋筋主主要要用用来来承承受受弯弯矩矩引引起起的的拉拉力力，钢钢箍箍和和弯弯起起钢钢筋筋主主要要用用来来承承受受斜斜截截面面上上的的主主拉拉应应力力。支支座座附附近近弯弯矩矩小小，纵纵筋筋在在靠靠近近支支座座附附近近不不能能被被充充分分利利用用，所所以以可可弯弯起起来来承承受受斜斜截截面面上上的的拉拉力力。钢钢筋筋的的抗抗压压强强度度也也很很高高，埋埋在在混混凝凝土土中中还还不不易易失失稳稳，有有时时也也用用来来帮帮助助受受压压区区混混凝凝土土抗抗压压，以以提提高受压区的承载力。高受压区的承载力。由由于于钢钢筋筋拉拉应应力力较较高高，一一般般情情况况下下钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁是是带带裂裂缝缝工工作作的的，主主要要有有跨跨中中附附近近的的垂垂直直裂裂缝缝和和支支座座附附近近的的斜斜裂裂缝缝。随随着着荷荷载载的的增增大大，裂裂缝缝会会不不断断扩扩大大和和延延伸伸。钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁开开裂裂以以后后的的工工作作状状态态比比较较复复杂杂，为为加加深深对对钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁开开裂裂后后工工作作状状态态的的理理解解，可可以以运运用用学学得得的的结结构构概概念念，把把它它设设想想为为某某种种我我们已经比较熟悉的结构。们已经比较熟悉的结构。3.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析（1 1）把把钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁设设想想为为带带有有下下斜斜腹腹杆杆的的一一个个平平行行弦弦桁桁架架，此此时时受受拉拉纵纵筋筋为为下下弦弦，上上部部受受压压混混凝凝土土为为上上弦弦(上上部部受受压压纵纵筋筋也也可可看看作作是是上上弦弦的的一一部部分分)，钢钢箍箍为为竖竖向向腹腹杆杆，而而弯弯起起钢钢筋筋则则是是下下斜斜式式受受拉拉腹腹杆杆(图图c)c)。跨跨中中没没有有弯弯起起钢钢筋筋的的梁梁段段，可可以以设设想想由由混混凝凝土土充当受压斜腹杆。充当受压斜腹杆。（2 2）把把只只有有一一排排弯弯起起筋筋的的钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁看看作作下下沉沉式式桁桁架架(图图d)d)，受受力力状状态态基基本本相相同同，只只是是中中间间由由混混凝凝土土充充当当受受压压腹腹杆杆的的梁梁段段长长一些而已。一些而已。2/22/2023103.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析（3 3）对对于于没没有有弯弯起起钢钢筋筋的的梁梁，可可以以设设想想为为带带有有上上斜斜腹腹杆杆的的平平行行弦弦桁桁架架，由由梁梁腹腹混混凝凝土充当斜向受压腹杆土充当斜向受压腹杆(图图e)。学学过过钢钢筋筋混混凝凝土土基基本本构构件件的的同同学学一一定定还还记记得得，在在梁梁的的斜斜截截面面计计算算中中有有一一个个截截面面限限制制条条件件，对对于于一一般般截截面面梁梁，其其表表达达式式为为：V=0.25bh0fc式中：式中：fc c 混凝土的抗压强度设计值；混凝土的抗压强度设计值；b 和和h0 0 分别为截面宽度和有效高度。分别为截面宽度和有效高度。此此式式反反应应了了梁梁在在主主压压应应力力方方向向的的极极限限承承载载力力。在在剪剪力力V作作用用下下梁梁在在主主拉拉应应力力方方向向产产生生拉拉应应力力的的同同时时，在在主主压压应应力力方方向向也也将将产产生生同同样样大大小小的的压压应应力力，过过大大的的斜斜向向压压应应力力有有可可能能使使梁梁在在斜斜压方向压碎。压方向压碎。对对比比图图e）的的支支座座斜斜腹腹杆杆，假假设设此此斜斜腹腹杆杆的的截截面面高高度为度为h1 1，则有，则有 b h1 fcsin a=V=0.25 bh0 fc得得 h1=0.25h0/sin a 设设 主主 压压 力力 近近 似似 为为 45，将将 sin45=0.707代代 入入 上上 式式 得得 h1=0.35 h0 也即这也即这斜腹杆斜腹杆的截面高度大约相当于的截面高度大约相当于0.35 h0 。(e)2/22/2023113.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析（4）对对于于裂裂缝缝开开展展得得很很严严重重的的钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁，可可以以认认为为受受拉拉区区混混凝凝土土已已退退出出工工作作，此此时时，可可以以把把它它设设想想为为一一个个带带拉拉杆杆的的拱拱，拱拱拉拉力力由由纵纵筋筋承承担担，拱拱压压力力由由混混凝凝土土承承担担(图图f)。梁梁上上各各截截面面的的弯弯矩矩M由由纵纵筋筋拉拉力力与与相相应应截截面面拱拱压压力力的的水水平平分分量量组组成成的的力力偶偶来来平平衡衡；各各截截面面的的剪剪力力由由相相应应截截面面拱拱压压力力的的竖竖向向分分量量来来平平衡衡。越越靠靠近近支支座座，拱拱轴轴越越倾倾斜斜，其其抗抗剪剪力力的的竖向分量也越大。竖向分量也越大。“拱拱”下下梁梁腹腹部部分分混混凝凝土土开开裂裂后后基基本本上上不不起起作作用用，挖挖几几个个洞洞对对承承载载力力也也没没有有明明显显影影响响。因因此此，工工程程中中常常在在薄薄腹腹梁梁(屋屋面面大大梁梁)跨跨中中腹腹板板处处挖挖去去几几个个圆圆洞洞，这这样样既既可可减减轻轻自自重重，节节省省材材料料，还还可可以以穿穿越越管管线。线。拉拉杆杆拱拱的的拉拉力力也也可可由由支支座座推推力力来来承承担担，只只要要支支座座能能提提供供足足够够的的推推力力，则则拉拉杆杆可可以以取取消消(图图g)g)，拱拱作用不会有任何变化。作用不会有任何变化。（f)（g)HHHHVVf2/22/2023123.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析北北京京革革命命军军事事博博物物馆馆带带地地下下拉拉杆杆的的钢钢筋筋混混凝凝土土落落地地拱拱2/22/2023133.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析敞肩式石拱桥敞肩式石拱桥2/22/2023143.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析（5 5）在在后后张张预预应应力力混混凝凝土土梁梁中中，有有时时也也采采用用曲曲线线配配筋筋(图图h )，此此时时曲曲线线钢钢筋筋受受拉拉，上上部部“弦弦杆杆”混混凝凝土土受受压压，受受力力状状态态与与带带拉拉杆杆的的拱拱正正好好相相反反。各各截截面面的的剪剪力力由由曲曲线线钢钢筋筋拉拉力力在在截截面面上上的的竖竖向向分分量量来来平平衡衡，上上弦弦只只提提供供压压力力，以以便便与与相相应应截截面面曲曲线线钢钢筋筋拉拉力力的的水水平平分分量量组组成成力力偶偶，来平衡该截面的弯矩。来平衡该截面的弯矩。如如果果支支座座可可以以提提供供足足够够的的水水平平力力，那那么么上上弦弦压压杆杆也也可可以以去去掉掉，支支座座水水平平力力与与上上弦弦压压力力的的作作用用效效应应是是一一样样的的。可可以以看看出出，此此时时已已变变为为一一悬悬索索结结构构(图图i )。（h)HHHHVVf（i)2/22/2023153.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析悬悬 索索 桥桥2/22/2023163.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析上上述述对对钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁受受力力状状态态的的分分析析，目目的的在在于于深深入入了了解解钢钢筋筋混混凝凝土土梁梁的的工工作作机机理理，加加深深对对受受弯弯构构件件的的理理解解。从从本本质质上上来来说说，只只要要设设法法承承受受截截面面的的弯弯矩矩M 和和剪剪力力V，就就能能形形成成水水平平构构件件，跨跨越越一一定定跨跨度度。梁梁、拱拱、桁桁架架、悬悬索索等等结结构构构构件件在在这这一一点点上并没有本质的区别上并没有本质的区别。桁桁架架、拱拱和和悬悬索索巧巧妙妙地地将将弯弯矩矩M和和剪剪力力V 都都转转化化为为相相应应杆杆件件的的轴轴力力，可可以以充充分分利利用用材材料料的的受受力力特特性性和和充充分分利利用用杆杆件件的的截截面面积，使构件变得更经济合理，自重更轻。面面积，使构件变得更经济合理，自重更轻。梁梁高高相相对对其其跨跨度度而而言言是是比比较较小小的的，例例如如，次次梁梁的的高高跨跨比比通通常常为为1/121/16，主主梁梁的的高高跨跨比比通通常常为为1/81/12。而而桁桁架架、拱拱和和悬悬索索结结构构在在建建筑筑结结构构中中通通常常用用在在屋屋盖盖系系统统，可可适适当当提提高高其其有有效效高高度度，其其截截面面高高度度相相对对其其跨跨度度而而言言，例例如如桁桁架架的的高高跨跨比比通通常常可可高高达达1/41/7。很很明明显显，增增高高结结构构高高度度可可大大大大减减小小构构件件内内力力，从而使杆件截面更小，自重更轻，可跨越更大的跨度。从而使杆件截面更小，自重更轻，可跨越更大的跨度。在在第第一一章章中中曾曾谈谈到到结结构构尺尺度度的的概概念念，按按比比例例放放大大一一根根梁梁是是行行不不通通的的。因因为为梁梁自自重重的的增增加加比比其其抗抗力力的的增增加加还还要要快快，梁梁会会被被其其自自重重压压垮垮。而而结结构构形形式式的的改改变变，不不但但可可使使构构件件的的受受力力状状态态发发生生改改变变(例例如如，从从梁梁的的受受弯弯受受剪剪，改改变变为为桁桁架架、拱拱、悬悬索索结结构构以以承承受受轴轴力力为为主主)，增增加加内内力力臂臂而而减减少少构构件件内内力力，同同时时也也大大大大减减轻轻了结构自重，这样才能使结构跨越更大的跨度了结构自重，这样才能使结构跨越更大的跨度。可可见见，从从结结构构基基本本概概念念出出发发，合合理理改改进进结结构构形形式式，使使结结构构受受力力更更合合理理，对对结结构构工工程程师师来来说说，是是十十分分重重要要的的。同同时时也也可可以以看看到到，一一根根梁梁虽虽然然在在材材料料强强度度利利用用上上不不是是很很好好，但但梁梁中中隐隐含含着着上上斜斜式式平平行行弦弦桁桁架架、下下斜斜式式平平行行弦弦桁桁架架、带带拉拉杆杆拱拱、悬悬索索结结构构、下下沉沉式式桁桁架架等等多多种种结结构构受受力力状状态态，因因此此才才有有可可能能将将梁梁截截面面的的高高度度做做得得更更小小。当当跨跨度度不不很很大大时时，为为了了充充分分利利用用层层高高，尽尽可可能能减减小结构高度，梁还是一种很有效的结构形式。小结构高度，梁还是一种很有效的结构形式。2/22/202317