國家開放大學混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理形考任務答案形考任務一1.簡答題-什么是混凝土結(jié)構(gòu)？根據(jù)混凝土中添加材料的不同通常分哪些類型？混凝土結(jié)構(gòu)是以混凝土為主要材料制成的結(jié)構(gòu)。根據(jù)混凝土中添加材料的不同，通?？煞譃樗鼗炷两Y(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預應力混凝土結(jié)構(gòu)。素混凝土結(jié)構(gòu)是指由無筋或不配置受力鋼筋的混凝土制成的結(jié)構(gòu)，一般用于次要的、受力較小的結(jié)構(gòu)，如一些小型的擋土墻、基礎(chǔ)墊層等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是在混凝土中配置受力的普通鋼筋、鋼筋網(wǎng)或鋼筋骨架的結(jié)構(gòu)，由于鋼筋和混凝土兩種材料的物理力學性能不同，它們可以相互取長補短，共同工作，廣泛應用于各類建筑工程中，如房屋建筑、橋梁等。預應力混凝土結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受外力荷載作用前，先人為地對它施加壓力，由此產(chǎn)生的預應力狀態(tài)用以減小或抵消外荷載所引起的拉應力，提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能和剛度，常用于大跨度的橋梁、工業(yè)廠房等。-鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ)條件是什么？鋼筋與混凝土能夠共同工作的基礎(chǔ)條件主要有以下三點。一是鋼筋與混凝土之間存在良好的粘結(jié)力，使兩者能可靠地結(jié)合在一起，在荷載作用下能夠協(xié)調(diào)變形，共同受力。這種粘結(jié)力主要由化學膠著力、摩擦力和機械咬合力組成?；瘜W膠著力是由于水泥水化作用，將鋼筋和混凝土粘結(jié)在一起；摩擦力是由于混凝土收縮，將鋼筋緊緊握裹而產(chǎn)生；機械咬合力則是由于鋼筋表面的橫肋與混凝土之間的相互作用。二是鋼筋與混凝土的溫度線膨脹系數(shù)較為接近。鋼筋的溫度線膨脹系數(shù)約為1.2×10??/℃，混凝土的溫度線膨脹系數(shù)約為(1.0～1.5)×10??/℃，二者相差不大。因此，當溫度變化時，鋼筋和混凝土之間不會因過大的變形差異而產(chǎn)生較大的溫度應力，從而保證它們能夠共同工作。三是混凝土對鋼筋具有保護作用?；炷涟阡摻钔饷?，能防止鋼筋銹蝕，保證鋼筋與混凝土的粘結(jié)力，同時也能提高結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。-結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的是什么？結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的是要保證所建造的結(jié)構(gòu)安全適用，能夠在規(guī)定的期限內(nèi)滿足各種預期的功能要求，并且要經(jīng)濟合理。具體來說，結(jié)構(gòu)應滿足以下功能要求。安全性方面，結(jié)構(gòu)應能承受在正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種作用，以及在偶然事件（如地震、爆炸等）發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必要的整體穩(wěn)定性，不致發(fā)生倒塌。適用性方面，結(jié)構(gòu)應在正常使用時具有良好的工作性能，例如不產(chǎn)生影響正常使用的過大變形、裂縫或振動等。耐久性方面，結(jié)構(gòu)應在正常維護下具有足夠的耐久性，能夠在規(guī)定的時間內(nèi)，在各種環(huán)境因素的作用下，不發(fā)生影響正常使用的破壞。在滿足上述功能要求的前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計還應考慮經(jīng)濟合理性，盡量降低工程造價，減少材料消耗，提高資源利用率。2.計算題已知梁的截面尺寸為b×h=200mm×500mm，混凝土強度等級為C20，fc=9.6N/mm2，鋼筋采用HRB335級，fy=300N/mm2，環(huán)境類別為一類。求：當受拉鋼筋為3Φ20（As=942mm2）時，梁正截面受彎承載力Mu。解：首先確定梁的有效高度h0。對于一類環(huán)境類別，梁的混凝土保護層厚度c=20mm，假設(shè)鋼筋單排布置，則h0=h-c-d/2=500-20-20/2=470mm。然后根據(jù)單筋矩形截面受彎構(gòu)件正截面承載力的基本公式x=fyAs/(α1fcb)（對于C20混凝土，α1=1.0），代入數(shù)據(jù)可得x=300×942/(1.0×9.6×200)≈147.2mm。判斷x是否滿足適用條件。界限相對受壓區(qū)高度ξb，對于HRB335級鋼筋，ξb=0.550。x/h0=147.2/470≈0.313<ξb，滿足適用條件。最后計算梁正截面受彎承載力Mu。Mu=α1fcbx(h0-x/2)=1.0×9.6×200×147.2×(470-147.2/2)≈117.4×10?N·mm=117.4kN·m。形考任務二1.簡答題-什么是配筋率？配筋率對梁的正截面承載力有何影響？配筋率是指縱向受力鋼筋截面面積與截面有效面積的百分比，即ρ=As/(bh0)，其中As為受拉區(qū)縱向鋼筋截面面積，b為梁的截面寬度，h0為梁的截面有效高度。配筋率對梁的正截面承載力有重要影響。當配筋率較低時，梁的破壞是少筋破壞。少筋梁的受拉鋼筋配置過少，一旦受拉區(qū)混凝土開裂，鋼筋應力會迅速增大并超過屈服強度，甚至被拉斷，而受壓區(qū)混凝土尚未達到極限壓應變，梁的破壞具有突然性，屬于脆性破壞，正截面承載力很低，在設(shè)計中不允許采用。當配筋率適中時，梁的破壞是適筋破壞。適筋梁在受荷過程中，受拉鋼筋首先屈服，然后受壓區(qū)混凝土被壓碎，梁的破壞有明顯的預兆，屬于延性破壞。隨著配筋率的增加，梁的正截面承載力也隨之提高。當配筋率過高時，梁的破壞是超筋破壞。超筋梁的受拉鋼筋配置過多，在受壓區(qū)混凝土被壓碎時，受拉鋼筋尚未屈服，梁的破壞無明顯預兆，屬于脆性破壞，而且超筋梁的正截面承載力并不隨配筋率的增加而無限提高，因此在設(shè)計中也不允許采用。-在斜截面受剪承載力計算中，為什么要對梁的截面尺寸加以限制？為什么要對最小配箍率作出規(guī)定？對梁的截面尺寸加以限制主要是為了防止斜壓破壞。當梁的截面尺寸過小，而剪力較大時，梁的腹板可能會因主壓應力過大而發(fā)生斜壓破壞。這種破壞是突然的、脆性的，且一旦發(fā)生，梁的承載能力將急劇下降。通過限制梁的截面尺寸，如規(guī)定梁的截面高度與寬度之比h/b不宜過大，以及對不同強度等級的混凝土和不同的剪力設(shè)計值，規(guī)定了相應的截面最小尺寸要求，可以保證梁在承受剪力時具有足夠的抗剪能力，避免斜壓破壞的發(fā)生。規(guī)定最小配箍率是為了防止斜拉破壞。當配箍率過低時，一旦斜裂縫出現(xiàn)，箍筋可能會因應力突然增大而被拉斷，導致梁發(fā)生斜拉破壞。斜拉破壞也是一種脆性破壞，破壞前沒有明顯的預兆。通過規(guī)定最小配箍率，保證梁中配置一定數(shù)量的箍筋，當斜裂縫出現(xiàn)時，箍筋能夠承擔一部分剪力，延緩斜裂縫的發(fā)展，提高梁的斜截面受剪承載力和延性，避免斜拉破壞的發(fā)生。-簡述受扭構(gòu)件的破壞形態(tài)。受扭構(gòu)件的破壞形態(tài)主要有少筋破壞、適筋破壞、超筋破壞和部分超筋破壞。少筋破壞是指當受扭縱筋和受扭箍筋配置過少時，一旦構(gòu)件受扭，裂縫會迅速開展，縱筋和箍筋很快屈服甚至被拉斷，構(gòu)件立即破壞，破壞具有突然性，屬于脆性破壞，在設(shè)計中不允許采用。適筋破壞是在正常配筋的情況下，構(gòu)件在扭矩作用下，首先在截面長邊中點附近出現(xiàn)多條螺旋形裂縫，隨著扭矩的增加，裂縫不斷延伸和加寬，受扭縱筋和箍筋相繼屈服，最后混凝土被壓碎，構(gòu)件破壞。適筋破壞有一定的預兆，屬于延性破壞。超筋破壞是當受扭縱筋和受扭箍筋配置過多時，在構(gòu)件破壞時，縱筋和箍筋都未屈服，而是混凝土先被壓碎，破壞沒有明顯的預兆，屬于脆性破壞，設(shè)計中應避免。部分超筋破壞是指受扭縱筋和受扭箍筋的配筋強度比ζ不在合適的范圍內(nèi)（一般要求0.6≤ζ≤1.7），導致縱筋和箍筋不能同時屈服，破壞時部分鋼筋先屈服，部分鋼筋未屈服，破壞仍具有一定的脆性。2.計算題已知矩形截面簡支梁，b×h=250mm×600mm，承受均布荷載設(shè)計值q=40kN/m（包括梁自重），梁的計算跨度l0=6m?；炷翉姸鹊燃墳镃25，fc=11.9N/mm2，ft=1.27N/mm2，箍筋采用HPB300級鋼筋，fyv=270N/mm2。求：所需的箍筋數(shù)量。解：首先計算梁的剪力設(shè)計值。簡支梁在均布荷載作用下，支座邊緣處的剪力最大，V=1/2ql0=1/2×40×6=120kN。然后判斷是否需要按計算配置箍筋。根據(jù)公式0.7ftbh0，h0=h-35=600-35=565mm，0.7ftbh0=0.7×1.27×250×565≈125.3kN>V=120kN，按構(gòu)造配置箍筋即可。根據(jù)規(guī)范，對于HPB300級箍筋，最小配箍率ρsv,min=0.24ft/fyv=0.24×1.27/270≈0.11%。假設(shè)采用雙肢箍Φ8（Asv1=50.3mm2），則ρsv=Asv/(bs)=2×50.3/(250s)≥ρsv,min=0.11%，解得s≤366mm。取箍筋間距s=200mm，滿足構(gòu)造要求。形考任務三1.簡答題-什么是預應力混凝土結(jié)構(gòu)？與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比，預應力混凝土結(jié)構(gòu)有哪些優(yōu)缺點？預應力混凝土結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受外力荷載作用前，先人為地對它施加壓力，由此產(chǎn)生的預應力狀態(tài)用以減小或抵消外荷載所引起的拉應力，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用階段不產(chǎn)生裂縫或延遲裂縫的出現(xiàn)。與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比，預應力混凝土結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點。一是抗裂性能好。由于預先施加了預應力，在使用荷載作用下，構(gòu)件的拉應力得到了有效的抵消或減小，從而可以避免或延遲裂縫的出現(xiàn)，提高了結(jié)構(gòu)的抗裂性能和耐久性。二是剛度大。預應力可以使構(gòu)件在使用階段的變形減小，提高了結(jié)構(gòu)的剛度，適用于對變形要求較高的結(jié)構(gòu)，如大跨度的橋梁、工業(yè)廠房等。三是節(jié)省材料。在相同的承載能力要求下，預應力混凝土結(jié)構(gòu)可以采用較小的截面尺寸，減少混凝土和鋼材的用量，降低結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省材料。四是提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。預應力可以減小構(gòu)件在反復荷載作用下的應力變化幅度，從而提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，適用于承受動力荷載的結(jié)構(gòu)。預應力混凝土結(jié)構(gòu)也存在一些缺點。一是施工工藝復雜，需要專門的張拉設(shè)備和技術(shù)，對施工人員的要求較高。二是工程造價較高。由于需要使用高強度的鋼材和混凝土，以及增加了張拉設(shè)備和施工工藝的費用，預應力混凝土結(jié)構(gòu)的工程造價相對較高。三是設(shè)計計算較為復雜，需要考慮預應力的建立、損失、傳遞等因素，設(shè)計難度較大。-簡述先張法和后張法的施工工藝。先張法的施工工藝是在澆筑混凝土前，先將預應力筋張拉到設(shè)計控制應力，并用夾具將其臨時固定在臺座或鋼模上，然后澆筑混凝土。待混凝土達到一定強度（一般不低于設(shè)計強度的75%）后，放松預應力筋，由于預應力筋與混凝土之間的粘結(jié)力，預應力筋的彈性回縮會對混凝土產(chǎn)生預壓應力。先張法的主要施工步驟包括：臺座準備、預應力筋的鋪設(shè)與張拉、混凝土的澆筑與養(yǎng)護、預應力筋的放張等。后張法的施工工藝是先澆筑混凝土構(gòu)件，并在構(gòu)件中預留孔道。待混凝土達到設(shè)計強度后，將預應力筋穿入孔道，然后利用千斤頂?shù)葟埨O(shè)備在構(gòu)件端部張拉預應力筋，達到設(shè)計控制應力后，用錨具將預應力筋錨固在構(gòu)件端部，最后在孔道內(nèi)灌漿，使預應力筋與混凝土粘結(jié)成整體。后張法的主要施工步驟包括：構(gòu)件制作（預留孔道）、預應力筋的穿入、預應力筋的張拉、錨具的安裝、孔道灌漿等。-在預應力混凝土結(jié)構(gòu)中，預應力損失有哪些？如何減少這些損失？預應力損失主要包括以下幾種。一是張拉端錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預應力損失σl1。減少這種損失的方法有：選擇變形小的錨具；增加臺座長度；采用超張拉等。二是預應力筋與孔道壁之間的摩擦引起的預應力損失σl2?？梢酝ㄟ^采用兩端張拉、在孔道內(nèi)涂抹潤滑劑、減少孔道的彎曲和長度等方法來減少這種損失。三是混凝土加熱養(yǎng)護時，受張拉的鋼筋與承受拉力的設(shè)備之間的溫差引起的預應力損失σl3?？刹捎枚紊郎仞B(yǎng)護的方法，先在常溫下養(yǎng)護一段時間，待混凝土與預應力筋之間建立一定的粘結(jié)力后，再升溫養(yǎng)護，以減少這種損失。四是預應力筋的應力松弛引起的預應力損失σl4?？梢圆捎贸瑥埨姆椒?，使鋼筋在短時間內(nèi)經(jīng)歷較大的應力松弛，從而減少后期的應力松弛損失。五是混凝土的收縮和徐變引起的預應力損失σl5?？赏ㄟ^采用高標號水泥、減少水灰比、加強養(yǎng)護等方法，減少混凝土的收縮和徐變，從而降低這種損失。六是螺旋式預應力筋對混凝土的局部擠壓引起的預應力損失σl6。對于環(huán)形構(gòu)件，可適當增大構(gòu)件的直徑，以減少這種損失。2.計算題已知一先張法預應力混凝土軸心受拉構(gòu)件，截面尺寸為b×h=200mm×200mm，混凝土強度等級為C40，fc=19.1N/mm2，ft=2.39N/mm2，預應力鋼筋采用鋼絞線，Ap=300mm2，fpk=1860N/mm2，fpy=1320N/mm2，con=0.75fpk，預應力損失值為σl=200N/mm2。求：構(gòu)件的開裂荷載和極限荷載。解：首先計算有效預應力σpe。σpe=con-σl=0.75×1860-200=1195N/mm2。構(gòu)件的開裂荷載Ncr。根據(jù)公式Ncr=(σpeAp+ftA)，其中A=bh=200×200=40000mm2，Ncr=(1195×300+2.39×40000)≈463.1×103N=463.1kN。構(gòu)件的極限荷載Nu。根據(jù)公式Nu=fpyAp=1320×300=396×103N=396kN。形考任務四1.簡答題-簡述單層廠房的結(jié)構(gòu)組成及各部分的作用。單層廠房的結(jié)構(gòu)組成主要包括屋蓋結(jié)構(gòu)、橫向平面排架、縱向平面排架、圍護結(jié)構(gòu)等。屋蓋結(jié)構(gòu)包括屋面板、屋架（或屋面梁）等，其作用是承受屋面的自重、雪荷載、積灰荷載等豎向荷載，并將這些荷載傳遞給橫向平面排架。同時，屋蓋結(jié)構(gòu)還起到圍護和保溫隔熱的作用。橫向平面排架由屋架（或屋面梁）、柱子和基礎(chǔ)組成，是單層廠房的主要承重結(jié)構(gòu)。它承受屋蓋結(jié)構(gòu)傳來的豎向荷載、風荷載、吊車荷載等，并將這些荷載傳遞給基礎(chǔ)和地基。橫向平面排架是保證廠房橫向穩(wěn)定性和承載能力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)?？v向平面排架由柱子、連系梁、柱間支撐等組成，其作用是承受縱向風荷載、吊車縱向制動力等縱向荷載，保證廠房的縱向穩(wěn)定性和剛度。圍護結(jié)構(gòu)包括外墻、抗風柱、墻梁等，其作用是圍護廠房內(nèi)部空間，防止風雨、陽光等自然因素的侵襲，同時承受墻體自重和風荷載，并將這些荷載傳遞給基礎(chǔ)。-簡述牛腿的破壞形態(tài)及設(shè)計中應采取的措施。牛腿的破壞形態(tài)主要有彎曲破壞、剪切破壞和局部受壓破壞。彎曲破壞是當牛腿的配筋不足或牛腿的高度較小時，在豎向荷載作用下，牛腿可能會在根部出現(xiàn)正截面受彎裂縫，隨著荷載的增加，裂縫不斷發(fā)展，最終導致牛腿發(fā)生彎曲破壞。為防止彎曲破壞，設(shè)計中應保證牛腿有足夠的高度，并配置足夠數(shù)量的受拉鋼筋。剪切破壞又可分為斜壓破壞和斜拉破壞。斜壓破壞是當牛腿的剪跨比a/h0較小時，牛腿的斜壓區(qū)混凝土因主壓應力過大而被壓碎；斜拉破壞是當剪跨比a/h0較大時，牛腿的斜裂縫一旦出現(xiàn)，箍筋可能會因應力突然增大而被拉斷，導致牛腿發(fā)生斜拉破壞。為防止剪切破壞，設(shè)計中應限制牛腿的剪跨比，配置足夠數(shù)量的箍筋，并保證牛腿的截面尺寸滿足要求。局部受壓破壞是當牛腿頂面的局部壓應力過大時，牛腿頂面的混凝土可能會被壓碎。為防止局部受壓破壞，設(shè)計中應限制牛腿頂面的局部壓應力，必要時可在牛腿頂面設(shè)置加強鋼筋網(wǎng)。-簡述多層框架結(jié)構(gòu)的受力特點和設(shè)計要點。多層框架結(jié)構(gòu)的受力特點主要有：水平荷載（如風荷載、地震作用等）成為影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的主要因素。隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移會迅速增大，因此在設(shè)計中需要重點考慮水平荷載的作用。框架結(jié)構(gòu)是一種空間結(jié)構(gòu)體系，但在進行內(nèi)力分析時，通?？蓪⑵浜喕癁槠矫婵蚣苓M行計算。每個平面框架在其自身平面內(nèi)承受豎向荷載和水平荷載，各平面框架之間通過樓蓋結(jié)構(gòu)相互連接，共同工作?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的變形主要包括水平位移和豎向位移。水平位移是由于水平荷載作用引起的，過大的水平位移會影響結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性；豎向位移是由于豎向荷載作用引起的，過大的豎向位移會導致樓蓋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等問題。多層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點包括：合理選擇結(jié)構(gòu)方案，根據(jù)建筑的使用功能、層數(shù)、高度等因素，選擇合適的框架形式（如現(xiàn)澆框架、裝配式框架等）和柱網(wǎng)尺寸。進行準確的內(nèi)力分析，考慮豎向荷載和水平荷載的組合作用，采用合適的分析方法（如分層法、反彎點法、D值法等）計算框架的內(nèi)力。進行截面設(shè)計，根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果，對框架的梁、柱等構(gòu)件進行正截面、斜截面承載力計算，并進行配筋設(shè)計?？刂平Y(jié)構(gòu)的變形，通過合理的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件截面設(shè)計，控制框架結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移，使其滿足規(guī)范要求。進行構(gòu)造設(shè)計，保證框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點、連接等部位具有足夠的強度、剛度和延性，確保結(jié)構(gòu)的整體性和安全性。2.計算題某多層框架結(jié)構(gòu)的一層柱，截面尺寸為b×h=400mm×400mm，計算長度l0=5m，混凝土強度等級為C30，fc=14.3N/mm2，鋼筋采用HRB400級，fy=360N/mm2。該柱承受軸向壓力設(shè)計值N=1200kN，彎矩設(shè)計值M=240kN·m。求：該柱的配筋面積。解：首先計算柱的偏心距e0=M/N=240×10?/(1200×103)=200mm。附加偏心距ea，取20mm和h/30（400/30≈13.3mm）中的較大值，即ea=20mm。初始偏心距ei=e0+ea=200+20=220mm。計算偏心距增大系數(shù)η。l0/h=5000/400=12.5>5，需要考慮偏心距增大系數(shù)。ξ1=0.5fcA/N=0.5×