國家開放大學(xué)《建筑結(jié)構(gòu)》大作業(yè)參考答案一、結(jié)構(gòu)的功能要求與極限狀態(tài)（一）結(jié)構(gòu)的功能要求建筑結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)滿足安全性、適用性和耐久性三項(xiàng)功能要求。安全性是指結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受在正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用，以及在偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必要的整體穩(wěn)定性。例如，在地震、強(qiáng)風(fēng)等自然災(zāi)害作用下，結(jié)構(gòu)不能發(fā)生倒塌，要保障人員和財(cái)產(chǎn)的安全。適用性是指結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)應(yīng)具有良好的工作性能，不產(chǎn)生影響正常使用的過大變形、裂縫或振動(dòng)等。比如，辦公樓的樓面梁在正常使用荷載作用下，其撓度不能過大，否則會導(dǎo)致樓面出現(xiàn)不平整，影響正常使用。耐久性是指結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)下應(yīng)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)滿足各項(xiàng)功能要求，例如混凝土結(jié)構(gòu)要能夠抵抗環(huán)境的侵蝕，保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)不出現(xiàn)因耐久性問題而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性能下降。（二）結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)以下情況時(shí)，即認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài)：整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞，或因過度變形而不適于繼續(xù)承載；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定。正常使用極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)以下情況時(shí)，即認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài)：影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部損壞；影響正常使用的振動(dòng)；影響正常使用的其他特定狀態(tài)。二、混凝土結(jié)構(gòu)（一）混凝土的力學(xué)性能混凝土的強(qiáng)度包括立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等。立方體抗壓強(qiáng)度是混凝土最基本的強(qiáng)度指標(biāo)，我國規(guī)范規(guī)定以邊長為150mm的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（溫度20±2℃，相對濕度95%以上）養(yǎng)護(hù)28d，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的抗壓強(qiáng)度作為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，用符號$f_{cu,k}$表示。軸心抗壓強(qiáng)度是采用棱柱體試件測得的抗壓強(qiáng)度，它更能反映混凝土在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的受壓情況?；炷恋目估瓘?qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，一般只有抗壓強(qiáng)度的1/10-1/20?；炷恋淖冃慰煞譃閮深悾阂活愂窃诤奢d作用下的受力變形，如短期荷載作用下的變形和長期荷載作用下的徐變；另一類是與受力無關(guān)的體積變形，如混凝土的收縮和膨脹。徐變是指混凝土在長期荷載作用下，其應(yīng)變隨時(shí)間而持續(xù)增長的現(xiàn)象。收縮是指混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)體積縮小的現(xiàn)象，收縮可能會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，影響結(jié)構(gòu)的耐久性和正常使用。（二）鋼筋的力學(xué)性能鋼筋按其力學(xué)性能可分為有明顯流幅的鋼筋和無明顯流幅的鋼筋。有明顯流幅的鋼筋其應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的屈服點(diǎn)和流幅，其強(qiáng)度指標(biāo)以屈服強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)依據(jù)。無明顯流幅的鋼筋其應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服點(diǎn)，通常取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力作為條件屈服強(qiáng)度。鋼筋的塑性指標(biāo)主要有伸長率和冷彎性能。伸長率是指鋼筋在拉斷后，標(biāo)距段的總變形與原標(biāo)距長度之比，它反映了鋼筋的塑性變形能力。冷彎性能是指鋼筋在常溫下承受彎曲變形而不破裂的能力，它是檢驗(yàn)鋼筋塑性和內(nèi)部質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。（三）鋼筋與混凝土的共同工作原理鋼筋與混凝土能夠共同工作的主要原因有以下幾點(diǎn)：一是鋼筋與混凝土之間存在良好的粘結(jié)力，使兩者能夠可靠地結(jié)合在一起，共同承受外力；二是鋼筋與混凝土的溫度線膨脹系數(shù)相近，在溫度變化時(shí)，兩者之間不會產(chǎn)生過大的相對變形而導(dǎo)致粘結(jié)破壞；三是混凝土對鋼筋起到保護(hù)作用，防止鋼筋生銹，保證了鋼筋的耐久性。（四）受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算受彎構(gòu)件正截面的破壞形態(tài)主要有適筋破壞、超筋破壞和少筋破壞三種。適筋破壞是指受拉鋼筋首先達(dá)到屈服強(qiáng)度，然后受壓區(qū)混凝土被壓碎，構(gòu)件破壞。這種破壞具有明顯的預(yù)兆，屬于延性破壞。超筋破壞是指在構(gòu)件破壞時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓碎，而受拉鋼筋尚未達(dá)到屈服強(qiáng)度。這種破壞沒有明顯的預(yù)兆，屬于脆性破壞。少筋破壞是指構(gòu)件在受拉區(qū)混凝土一開裂，受拉鋼筋就立即達(dá)到屈服強(qiáng)度并進(jìn)入強(qiáng)化階段，甚至被拉斷，而受壓區(qū)混凝土尚未被壓碎。這種破壞也沒有明顯的預(yù)兆，屬于脆性破壞。為了避免超筋破壞和少筋破壞，在設(shè)計(jì)中要對受彎構(gòu)件的配筋率進(jìn)行限制。適筋梁正截面承載力計(jì)算的基本假定包括：平截面假定，即梁的正截面在彎曲變形后仍保持為平面；不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度；混凝土的壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想化的曲線；鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想的彈塑性模型。根據(jù)這些基本假定，可以推導(dǎo)出受彎構(gòu)件正截面承載力的計(jì)算公式。（五）受彎構(gòu)件斜截面承載力計(jì)算受彎構(gòu)件斜截面的破壞形態(tài)主要有斜壓破壞、剪壓破壞和斜拉破壞三種。斜壓破壞是指在集中荷載作用下，梁的腹部出現(xiàn)一系列大致平行于斜向壓力的斜裂縫，隨著荷載的增加，梁腹部被斜向壓碎。這種破壞的特點(diǎn)是破壞時(shí)斜裂縫多而密，破壞荷載較高，但變形較小，屬于脆性破壞。剪壓破壞是指在荷載作用下，梁先出現(xiàn)垂直裂縫，然后發(fā)展為斜裂縫，最后斜裂縫頂端的混凝土在剪應(yīng)力和壓應(yīng)力的共同作用下被壓碎。這種破壞有一定的預(yù)兆，屬于延性破壞。斜拉破壞是指在荷載作用下，梁一旦出現(xiàn)斜裂縫，就迅速向受壓區(qū)延伸，將梁沿斜向拉斷。這種破壞沒有明顯的預(yù)兆，屬于脆性破壞。為了防止斜壓破壞和斜拉破壞，在設(shè)計(jì)中要對梁的截面尺寸和配箍率進(jìn)行限制。受彎構(gòu)件斜截面承載力計(jì)算的基本公式是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，它考慮了剪跨比、混凝土強(qiáng)度、箍筋和彎起鋼筋的用量等因素對斜截面承載力的影響。三、砌體結(jié)構(gòu)（一）砌體材料及其力學(xué)性能砌體是由塊體和砂漿砌筑而成的整體。塊體包括磚、砌塊和石材等。磚按其制作工藝可分為燒結(jié)磚和非燒結(jié)磚。燒結(jié)磚具有較高的強(qiáng)度和耐久性，但生產(chǎn)過程中能耗較大。非燒結(jié)磚如蒸壓灰砂磚、蒸壓粉煤灰磚等，具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。砌塊按其尺寸大小可分為小型砌塊、中型砌塊和大型砌塊。石材按其加工程度可分為毛石、料石等。砂漿是砌體的粘結(jié)材料，它將塊體粘結(jié)成整體，使砌體具有一定的強(qiáng)度和整體性。砂漿按其組成材料可分為水泥砂漿、混合砂漿和石灰砂漿等。水泥砂漿強(qiáng)度高、耐久性好，但流動(dòng)性和保水性較差；混合砂漿具有較好的流動(dòng)性和保水性，強(qiáng)度也能滿足一般工程的要求；石灰砂漿強(qiáng)度較低，耐久性較差，一般用于次要的砌體結(jié)構(gòu)。砌體的抗壓強(qiáng)度主要取決于塊體和砂漿的強(qiáng)度等級、塊體的尺寸和形狀、砌筑質(zhì)量等因素。砌體的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較低，主要是因?yàn)閴K體與砂漿之間的粘結(jié)力較弱。（二）無筋砌體受壓構(gòu)件承載力計(jì)算無筋砌體受壓構(gòu)件可分為軸心受壓構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件。軸心受壓構(gòu)件是指軸向壓力作用線與構(gòu)件截面形心軸線重合的構(gòu)件。偏心受壓構(gòu)件是指軸向壓力作用線與構(gòu)件截面形心軸線不重合的構(gòu)件。無筋砌體軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算公式是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立的，它考慮了砌體的抗壓強(qiáng)度、構(gòu)件的高厚比等因素對承載力的影響。偏心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算要比軸心受壓構(gòu)件復(fù)雜，它需要考慮偏心距的大小、構(gòu)件的高厚比等因素對承載力的影響。在偏心受壓構(gòu)件中，當(dāng)偏心距較小時(shí)，構(gòu)件的破壞特征是受壓區(qū)砌體先被壓碎；當(dāng)偏心距較大時(shí)，構(gòu)件的破壞特征是受拉區(qū)砌體首先出現(xiàn)裂縫，然后受壓區(qū)砌體被壓碎。（三）混合結(jié)構(gòu)房屋墻體設(shè)計(jì)混合結(jié)構(gòu)房屋是指由砌體墻、柱和鋼筋混凝土樓蓋、屋蓋組成的房屋。在混合結(jié)構(gòu)房屋墻體設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行墻體的承載力計(jì)算、高厚比驗(yàn)算和墻體的構(gòu)造設(shè)計(jì)。墻體的承載力計(jì)算包括軸心受壓承載力計(jì)算和偏心受壓承載力計(jì)算，以確保墻體能夠承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載。高厚比驗(yàn)算是為了保證墻體的穩(wěn)定性，防止墻體在施工和使用過程中出現(xiàn)傾斜、失穩(wěn)等現(xiàn)象。墻體的構(gòu)造設(shè)計(jì)包括設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱等，以增強(qiáng)房屋的整體性和抗震性能。圈梁是在房屋的外墻和內(nèi)縱墻中設(shè)置的連續(xù)封閉的梁，它可以增強(qiáng)房屋的整體剛度，防止由于地基不均勻沉降或較大振動(dòng)荷載等對房屋引起的不利影響。構(gòu)造柱是在房屋的轉(zhuǎn)角處、縱橫墻交接處等部位設(shè)置的鋼筋混凝土柱，它與圈梁共同作用，提高了房屋的抗震能力。四、鋼結(jié)構(gòu)（一）鋼材的性能鋼材的力學(xué)性能主要包括強(qiáng)度、塑性、韌性和可焊性等。鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)包括屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度是鋼材開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度是鋼材所能承受的最大拉應(yīng)力。鋼材的塑性指標(biāo)主要用伸長率和斷面收縮率來衡量，伸長率是指鋼材在拉斷后，標(biāo)距段的總變形與原標(biāo)距長度之比，斷面收縮率是指鋼材在拉斷后，斷面縮小的面積與原斷面面積之比。鋼材的韌性是指鋼材在沖擊荷載作用下吸收能量和抵抗斷裂的能力，通常用沖擊韌性指標(biāo)來衡量?？珊感允侵镐摬脑谝欢ǖ暮附庸に嚄l件下，能夠獲得質(zhì)量良好的焊接接頭的性能。鋼材的化學(xué)成分對其性能有重要影響，其中碳（C）是影響鋼材強(qiáng)度和韌性的主要元素，隨著含碳量的增加，鋼材的強(qiáng)度提高，但塑性和韌性降低，可焊性變差。（二）鋼結(jié)構(gòu)的連接鋼結(jié)構(gòu)的連接方法主要有焊接連接、螺栓連接和鉚釘連接三種。焊接連接是通過電弧或火焰等熱源將鋼材局部加熱熔化，然后冷卻凝固形成連接的方法。焊接連接的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、不削弱構(gòu)件截面、節(jié)省鋼材、連接的剛度大、密封性能好等；缺點(diǎn)是焊接殘余應(yīng)力和殘余變形較大，對鋼材的疲勞性能有一定影響。螺栓連接分為普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓連接。普通螺栓連接一般用于承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，它的安裝方便，但連接的剛度較小。高強(qiáng)度螺栓連接是通過擰緊螺栓，使螺桿產(chǎn)生預(yù)拉力，從而使被連接件之間產(chǎn)生摩擦力來傳遞荷載。高強(qiáng)度螺栓連接具有連接緊密、受力性能好、耐疲勞、可拆換等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中。鉚釘連接是將一端帶有預(yù)制釘頭的鉚釘插入被連接件的釘孔中，然后用鉚釘槍將另一端打鉚成釘頭，使被連接件連接在一起。鉚釘連接的優(yōu)點(diǎn)是連接可靠、塑性和韌性好；缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜、費(fèi)鋼費(fèi)工，目前已較少使用。（三）軸心受力構(gòu)件軸心受力構(gòu)件可分為軸心受拉構(gòu)件和軸心受壓構(gòu)件。軸心受拉構(gòu)件的計(jì)算主要包括強(qiáng)度計(jì)算和剛度計(jì)算。強(qiáng)度計(jì)算是為了保證構(gòu)件在荷載作用下不發(fā)生破壞，其計(jì)算公式為構(gòu)件的軸力設(shè)計(jì)值除以構(gòu)件的凈截面面積不超過鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。剛度計(jì)算是為了保證構(gòu)件在使用過程中不產(chǎn)生過大的變形，通常用長細(xì)比來控制，長細(xì)比是指構(gòu)件的計(jì)算長度與構(gòu)件截面的回轉(zhuǎn)半徑之比。軸心受壓構(gòu)件的計(jì)算除了強(qiáng)度計(jì)算和剛度計(jì)算外，還需要進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算和局部穩(wěn)定性計(jì)算。整體穩(wěn)定性計(jì)算是為了防止軸心受壓構(gòu)件在荷載作用下發(fā)生整體失穩(wěn)，通常采用穩(wěn)定系數(shù)來考慮構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能。局部穩(wěn)定性計(jì)算是為了防止構(gòu)件的局部板件在壓力作用下發(fā)生局部失穩(wěn)，一般通過限制板件的寬厚比來保證。（四）受彎構(gòu)件鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件通常稱為鋼梁，鋼梁的計(jì)算主要包括強(qiáng)度計(jì)算、剛度計(jì)算和整體穩(wěn)定性計(jì)算。鋼梁的強(qiáng)度計(jì)算包括抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和局部承壓強(qiáng)度計(jì)算?？箯潖?qiáng)度計(jì)算是為了保證鋼梁在彎矩作用下不發(fā)生破壞，其計(jì)算公式為鋼梁的最大彎矩設(shè)計(jì)值除以鋼梁的凈截面抵抗矩不超過鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值?？辜魪?qiáng)度計(jì)算是為了保證鋼梁在剪力作用下不發(fā)生破壞，其計(jì)算公式為鋼梁的最大剪力設(shè)計(jì)值除以鋼梁的腹板凈截面面積不超過鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。局部承壓強(qiáng)度計(jì)算是為了保證鋼梁在集中荷載作用下，局部承壓處的鋼材不發(fā)生破壞。鋼梁的剛度計(jì)算通常用撓度來控制，以保證鋼梁在正常使用時(shí)不產(chǎn)生過大的變形。鋼梁的整體穩(wěn)定性計(jì)算是為了防止鋼梁在荷載作用下發(fā)生側(cè)向彎扭失穩(wěn)，當(dāng)鋼梁的整體穩(wěn)定性不能滿足要求時(shí)，需要采取增加側(cè)向支撐等措施來提高其整體穩(wěn)定性。五、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則（一）概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法我國現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。這種設(shè)計(jì)方法將結(jié)構(gòu)的可靠性用概率來度量，認(rèn)為結(jié)構(gòu)的失效是一個(gè)隨機(jī)事件，其發(fā)生的概率稱為失效概率。結(jié)構(gòu)的可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率，它與失效概率之和等于1。在設(shè)計(jì)中，通過對結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)的抗力進(jìn)行概率分析，確定結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的可靠度。（二）荷載組合在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮多種荷載同時(shí)作用的情況，因此要進(jìn)行荷載組合。荷載組合分為承載能力極限狀態(tài)的荷載組合和正常使用極限狀態(tài)的荷載組合。承載能力極限狀態(tài)的荷載組合是為了保證結(jié)構(gòu)在各種可能的荷載組合作用下具有足夠的承載能力，通常采用基本組合和偶然組合?；窘M合是指永久荷載和可變荷載的組合，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)情況，可變荷載需要考慮其組合值系數(shù)。偶然組合是指永久荷載、可變荷載和偶然荷載的組合。正常使用極限狀態(tài)的荷載組合是為了保證結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)具有良好的工作性能，通常采用標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合。標(biāo)準(zhǔn)組合是指永久荷載和可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)