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橋梁結構與基本構件掌握橋梁組成和各組成部分的作用；了解橋梁建造施工的一般過程。熟悉工程基本構件按受力特征、建筑材料的兩種分類。學習目標任務目錄1.1橋梁結構1.2結構基本構件公路橋梁的橋型1.1橋梁結構

橋梁、隧道、涵洞、擋土墻等人工構造物，作為單項工程實體,必須由其承重結構來承受各種外荷載的作用。

承重結構是由構件按照工程力學的結構幾何不變體系構成原則組成。

1）橋梁的組成與承重結構

從橋梁的設計、施工和管理上，一般可把橋梁的組成分成四部分，即橋面系、上部結構、下部結構和附屬設施。

以一座三跨預制裝配式鋼筋混凝土簡支空心板梁橋布置圖為例來介紹。1.1橋梁結構（1）橋面系。橋面系包括橋面鋪裝、橋面板、伸縮裝置、泄水系統(tǒng)、防撞護欄或人行道及欄桿、照明系統(tǒng)，以及橋頭搭板等。為汽車、行人等提供安全適用的通過空間。圖1-1鋼筋混凝土簡支空心板梁橋的布置圖1.1橋梁結構（2）上部結構。是橋梁支座(包括橋梁支座）以上跨越橋孔結構的總稱。上部結構除承受自身重力（又稱結構重力）作用外，還要承受橋面系的重力（又稱結構附加重力）和橋面上汽車、人群等直接作用。圖1-1鋼筋混凝土簡支空心板梁橋的布置圖1.1橋梁結構（3）下部結構。是橋墩、橋臺和基礎的總稱。下部結構的主要作用是支承上部結構，因此除承受自身重力作用和其他作用外，還承受橋梁上部結構傳來的全部荷載作用，并把它們傳遞給地基。圖1-1鋼筋混凝土簡支空心板梁橋的布置圖1.1橋梁結構（4）附屬設施。指橋頭（橋臺兩側及前墻外）錐體及防護用鋪砌、橋頭及引道的排水設施、以及特大橋和大橋專門設置的維修養(yǎng)護通道設施等。圖1-1鋼筋混凝土簡支空心板梁橋的布置圖1.1橋梁結構2）橋梁結構的荷載傳遞圖中橋面上豎向力表示作用的汽車荷載、人群荷載、及結構構件重力和結構附加重力等豎向荷載。①橋面系自重和汽車、人群等荷載直接作用在上部結構上，這時上部結構的空心板受力，除空心板本身產(chǎn)生截面內力（彎矩和剪力）和彎曲變形外，同時荷載力傳遞至空心板的支座處，即產(chǎn)生支承反力。

圖1-2橋梁結構受力與荷載傳遞路徑②通過空心板的支座，荷載力傳遞下部結構的橋墩蓋梁上，除蓋梁本身產(chǎn)生截面內力（彎矩和剪力）和彎曲變形外，同時荷載力傳遞至蓋梁與墩柱剛接點處。傳遞的荷載力使墩柱截面受壓，同時荷載力繼續(xù)傳遞到基礎（圖1-2所示樁基礎），再傳遞到地基。綜合歸納總結如下：橋梁一般由橋面系、上部結構、下部結構和附屬設施四部分組成。其中橋梁的上部結構和下部結構起到至關重要的受力和傳力作用，故為橋梁承重結構（簡稱橋梁結構）。橋梁承重結構由構件按照工程力學的結構幾何不變體系構成原則組成。一般是由若干構件連接而成，需要時也采用整體式截面構件，均屬于受力構件。若結構構件發(fā)生受力破壞，則結構就起不到受力和傳力的作用，導致橋梁不能安全使用。1.1橋梁結構1.1橋梁結構3）橋梁結構施工建造的一般順序a）基礎施工完畢b）墩（臺）施工完畢c）上部結構安裝施工完畢d）橋面系施工完畢橋梁現(xiàn)場施工就是按下部結構到上部結構，再到橋面系施工的順序進行。在結構施工過程中，每個構件和若干構件連接形成的結構都應該是幾何不變和牢固穩(wěn)定的。1.1橋梁結構橋梁的承重結構或是由若干個受力構件連接而成的，或是直接采用單個整體受力構件，同時，在實際工程上橋梁結構構件等都是由建筑材料制作而成的。工程上一般按照構件受力特征和使用的建筑材料種類來劃分。1）按構件受力特征的分類橋梁結構按構件的受力特征，主要有以下幾種典型的基本構件。（1）受彎構件在荷載作用下構件發(fā)生彎曲變形且截面上產(chǎn)生彎矩和剪力的構件。工程上主要有梁和板這兩種受彎構件。1.2結構基本構件在自重荷載作用下，由于箱形梁截面左右對稱，自重作用可以看作垂直于梁縱軸（截面重心軸的連線）的均布荷載qG,得到簡支箱形梁的計算簡圖。由材料力學可以得到自重荷載作用下梁的彎矩、剪力圖和跨中最大撓度。1.2結構基本構件1梁1.2結構基本構件梁有時也會受扭矩作用，這時梁截面上除產(chǎn)生彎矩M、剪力V之外還有扭矩T，但主要還是受彎。

1.2結構基本構件板的幾何特征是截面的高度遠小于其寬度，板在豎向荷載作用下截面上主要產(chǎn)生彎矩，剪力很小，且產(chǎn)生撓曲變形。兩對邊是簡支兩側邊自由（圖1-6）的矩形板，受力特點與梁相近，稱為單向板。2板四邊是簡支、固接或彈性嵌固的矩形板稱為四邊支承板，有些情況下板在兩個方向上都要發(fā)生彎曲（圖1-7），稱為雙向板，1.2結構基本構件（2）受壓構件受壓構件（直桿件）是在沿構件縱軸線方向壓力作用下的構件，以截面受壓為。當壓力作用點在構件截面的重心時，稱為軸心受壓構件。當壓力作用點不在構件截面的重心上時，稱為偏心受壓構件，這時構件截面上以受壓力為主，還有彎矩及剪力作用。橋梁上采用的拱，即曲桿形式構件，也是偏心受壓構件。在豎向荷載作用下，拱截面上產(chǎn)生軸向壓力N、彎矩M和剪力V。1.2結構基本構件1.2結構基本構件（3）受拉構件受拉構件與受壓構件（直桿件）的主要區(qū)別在于前者受拉，后者受壓，其余特點兩者基本相同。

2）按構件材料的分類1.2結構基本構件

橋梁結構使用的主要建筑材料有混凝土、普通鋼筋和預應力鋼筋、石料、鋼材、木材等。工程上依結構構件采用的主要建筑材料分為鋼筋混凝土（結構）構件、預應力混凝土（結構）構件、圬工（結構）構件、鋼（結構）構件和木（結構）構件。

（1）鋼筋混凝土構件是由鋼筋和混凝土兩種材料制成的構件。 根據(jù)構件的受力情況,合理地配置受力鋼筋可形成承載力較高、剛度較大的結構構件。在公路橋涵中，鋼筋混凝土主要用于中小跨徑橋梁受彎構件、受壓構件和受扭構件等。

（2）預應力混凝土構件 是采用預應力鋼筋和高強度混凝土（以及普通鋼筋）材料制成，并采用相應預應力鋼筋張拉施工工藝在結構構件中建立預加應力的構件。 在公路橋涵中，預應力混凝土常用于大跨徑橋梁的受彎構件、受拉構件和受扭構件。

（3）圬工構件 采用膠結材料將天然石料、混凝土預制塊等塊材按一定規(guī)則砌筑成整體或整體澆筑混凝土（只設置局部的鋼筋，不設置整體受力鋼筋）的結構構件。 在公路橋涵中，圬工主要用于橋梁的受壓構件和防護工程。1.2結構基本構件

（4）鋼構件 鋼構件一般是由鋼廠軋制的型鋼或鋼板通過焊接或栓接等連接組成的構件。在公路橋涵中，鋼結構常用于大跨徑及特大跨徑橋梁的受彎構件、受拉構件和受壓構件等，也常用于橋梁施工安裝現(xiàn)場的臨時設施。 此外，還有木結構構件（由木材制成的結構構件），目前國內公路橋涵上很少使用。1.2結構基本構件在工程中，一般兼顧以上兩種分類來稱呼，例如鋼筋混凝土梁（板）、預應力混凝土梁、鋼梁、鋼壓桿等。模塊2

橋梁結構構件設計計算的方法學習目標理解工程結構應滿足的功能要求和兩類極限狀態(tài),知道設計使用年限的規(guī)定。理解公路橋梁結構設計的不同設計狀況,掌握結構兩類極限狀態(tài)設計的一般表達式,了解作用基本組合、頻遇組合和準永久組合。了解結構按極限狀態(tài)設計時對使用材料強度取值的原則。任務目錄2.1結構的功能要求與極限狀態(tài)2.2極限狀態(tài)設計的基本原則2.3結構上的作用和環(huán)境影響2.4材料的強度取值2.1結構的功能要求與極限狀態(tài)工程結構設計要達到的基本目標是：使所設計的結構在規(guī)定的設計使用年限內能夠可靠地完成規(guī)定的全部功能要求,做到安全可靠、適用耐久和經(jīng)濟合理。工程結構在正常設計、正常施工和正常使用條件下,在規(guī)定的設計使用年限內應滿足安全性、適用性、耐久性功能要求。安全性、適用性、耐久性功能要求可概括起來稱為結構可靠性,即結構在規(guī)定的時間(設計使用年限)內,在規(guī)定的條件(正常設計、正常施工、正常使用和正常維護)下,完成預定功能的能力。2.1結構的功能要求與極限狀態(tài)(1)安全性。結構的安全性是指結構能夠承受在施工和使用期間出現(xiàn)的各種荷載作用的能力,以及在偶然事件(如地震、撞擊等)發(fā)生時和發(fā)生后,結構可能產(chǎn)生局部損壞,但不致出現(xiàn)整體破壞和連續(xù)倒塌,仍然保持必需的整體穩(wěn)固性的能力。(2)適用性。結構的適用性是指在正常使用情況下,結構具有保持良好使用的能力,結構或結構構件不發(fā)生過大的變形或振動。(3)耐久性。結構的耐久性是指結構在設計確定的環(huán)境作用和正常使用、維護條件下,在設計使用年限內保持其安全性和適用性的能力。結構及其構件的材料性能雖然隨時間有變化,但不會影響結構正常使用。結構的功能要求12.1結構的功能要求與極限狀態(tài)設計使用年限是在正常設計、正常施工、正常使用和正常維護條件下,結構或構件不需進行大修或更換,即可按其預期目的使用的年限。設計使用年限是設計規(guī)定的一個時間段,并不是群體概念上的均值使用年限,而是與結構適用性失效、可修復性的極限狀態(tài)相聯(lián)系的時間段。公路橋涵結構的設計使用年限是考慮了公路等級、結構重要性、結構一旦失效所造成的經(jīng)濟損失和對社會及環(huán)境的影響,以及結構設計、施工和維護的難易程度來確定的。設計使用年限22.1結構的功能要求與極限狀態(tài)行業(yè)標準《公路工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》(JTG2120—2020)對公路橋涵的主體結構和可更換部件的設計使用年限規(guī)定見表2-1。2.1結構的功能要求與極限狀態(tài)橋涵的分類標準見表2-2怎么區(qū)分表2-1所指的特大橋、大橋、中橋、小橋和涵洞？2.1結構的功能要求與極限狀態(tài)橋涵的分類標準，工程上一般采用兩個指標來區(qū)分：一個是單孔跨徑Lk，用以反映橋涵的技術復雜程度；另一個是多孔跨徑總長L，用以反映建設規(guī)模。對具體橋涵確定分類時，符合其中一個指標即可歸類。存在差異時，可采取“就高（分類）不就低（分類）”的原則。表2-1中的特大橋、大橋、中橋、小橋和涵洞劃分，是僅按表2-2規(guī)定的橋梁單孔跨徑Lk指標進行的。單孔跨徑Lk（m)是橋涵的標準跨徑。對梁式橋、板式橋取兩個相鄰橋墩中線距離或橋墩中線與臺背前緣距離；對拱式橋和涵洞取凈跨徑。多孔跨徑總長L（m)，對梁式橋、板式橋為多孔標準跨徑的總長；對拱式橋為兩端橋臺內起拱線間的距離；對其他形式橋梁為橋面系行車道長度。2.1結構的功能要求與極限狀態(tài)結構在使用期間的工作情況,稱為結構的工作狀態(tài)。當結構能夠滿足各項功能要求而良好地工作時，就可稱結構是“可靠”或“有效”的，反之則稱結構是“不可靠”或“失效”，那么結構工作狀態(tài)處于可靠還是失效的界限標志就是結構的“極限狀態(tài)”。當整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)而不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求時，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。根據(jù)功能要求，結構的極限狀態(tài)一般分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類。結構的極限狀態(tài)32.1結構的功能要求與極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到最大承載力或不適于繼續(xù)承載的變形或變位的狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)是處于結構安全可靠工作的極限狀態(tài)。凡是關乎人身安全、結構安全以及具有潛在危險的各種情況都可認為是達到了這種極限狀態(tài)，具體來講，當結構或構件出現(xiàn)表2-3情況（標志）之一時,即認為超過了結構承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)012.1結構的功能要求與極限狀態(tài)當結構或構件出現(xiàn)表2-3情況（標志）之一時,即認為超過了結構承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)還包括地震作用下構件缺乏延性而出現(xiàn)的脆性破壞，及由于火災、爆炸或撞擊等突發(fā)事件導致結構的破壞。2.1結構的功能要求與極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性的某項限值的狀態(tài)。是結構滿足適用性和耐久性要求而處于可靠工作的極限狀態(tài)。當結構或構件出現(xiàn)下列情況（標志）之一時，即認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的局部損壞；影響正常使用的振動；影響正常使用的其他特定狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)涉及結構工作條件和性能，結構超過正常使用極限狀態(tài)會造成結構使用性能降低，也會造成結構局部損傷，但并不會引起結構的破壞，不會造成生命財產(chǎn)的重大損失。正常使用極限狀態(tài)022.2極限狀態(tài)設計的基本原則2.2.1公路橋涵結構的設計狀況2.2.2極限狀態(tài)設計的一般表達式2.2.1公路橋涵結構的設計狀況公路橋涵結構在施工建造、運營使用等不同階段可能出現(xiàn)不同的結構受力體系、受到不同的荷載作用以及處于不同的環(huán)境條件,并可能受到自然災害影響，所以，在設計中應該分別考慮橋涵結構不同的設計狀況來進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的計算。行業(yè)標準《公路工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》（JTG2120—2020）規(guī)定了結構設計的四種設計狀況：持久設計狀況短暫設計狀況偶然設計狀況地震設計狀況2.2.1公路橋涵結構的設計狀況持久狀況是考慮在結構使用過程中一定出現(xiàn)且持續(xù)時間很長的設計狀況，一般其持續(xù)時間取與設計使用年限相同的時間。對公路橋涵而言，持久狀況是對應于橋涵處于正常運營使用情況下全過程的設計狀況。這個階段持續(xù)的時間很長，要對橋涵結構所有預定功能進行設計，必須進行針對結構承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設計計算。持久狀況12.2.1公路橋涵結構的設計狀況短暫狀況是考慮在結構施工或使用過程中出現(xiàn)概率較大，但與設計使用年限相比，其持續(xù)時間很短的設計狀況。對公路橋涵而言,短暫狀況是對應于橋涵建設的施工階段或橋涵工程維修階段。這個階段的持續(xù)時間相對于正常運營使用階段是短暫的。短暫狀況要進行橋涵結構的承載能力極限狀態(tài)設計計算，也可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)的設計計算。短暫狀況22.2.1公路橋涵結構的設計狀況偶然狀況是考慮在結構使用過程中出現(xiàn)概率極小且持續(xù)時間極短的異常情況時的設計狀況。對公路橋涵而言，偶然狀況是對應于橋涵使用過程中遭受撞擊(例如受到汽車、船舶的撞擊,落石或墜物沖擊等)、火災、爆炸等異常情況。對于偶然狀況，一般只進行橋涵結構的承載能力極限狀態(tài)設計計算。偶然狀況32.2.1公路橋涵結構的設計狀況地震狀況是考慮結構遭受地震時的設計狀況。地震作用是一種特殊的偶然作用，在抗震設防地區(qū)必須考慮地震狀況且應進行橋涵結構的承載能力極限狀態(tài)設計計算。地震狀況42.2.1公路橋涵結構的設計狀況在橋梁結構設計時，必須先確定結構的設計狀況。對結構設計計算的設計狀況、相應的極限狀態(tài)計算及作用組合要求等見表2-4。2.2.2極限狀態(tài)設計的一般表達式對橋涵結構及其構件的破壞或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形或變位的承載能力極限狀態(tài)設計，采用設計計算的一般表達式為：承載能力極限狀態(tài)設計時1γ0Sd

≤Rd

(2-1)作用組合的效應(例如結構構件截面上產(chǎn)生的軸力、彎矩等或表示幾個軸力、彎矩等的向量)設計值作用組合的效應函數(shù)i

個永久作用的設計值汽車荷載作用(含汽車沖擊力、離心力)的設計值在作用組合中除汽車荷載(含汽車沖擊力、離心力)以外的其他第j個可變作用的設計值結構或構件的承載力設計值材料強度設計值幾何參數(shù)設計值,當無可靠數(shù)據(jù)時,可采用幾何參數(shù)標準值

ak,即設計文件規(guī)定值2.2.2極限狀態(tài)設計的一般表達式表2-5中所列特大橋、大橋、中橋等仍是按表2-2的單孔跨徑確定，對多跨不等跨橋梁，以其中最大跨徑為準。結構重要性系數(shù)γ0

2.2.2極限狀態(tài)設計的一般表達式式（2-1）的物理意義，簡單講就是結構構件上作用（組合）產(chǎn)生的效應值必須小于或等于結構構件的承載力值，結構構件才是安全的。關于式(2-1)

2.2.2極限狀態(tài)設計的一般表達式作用的設計值為作用的標準值或組合值乘以相應的分項系數(shù)式(2-1)中作用的設計值Gid、Q1d和Qjd都含有按概率計算方法確定的分項系數(shù)式(2-1)中，fd為材料強度設計值，fd=fk/γf，fk為材料強度標準值，γf為材料的分項系數(shù)。fk也是按概率計算方法確定的。式（2-1）中結構重要性系數(shù)γ0是對不同設計安全等級的結構,為使其具有規(guī)定的可靠度而對作用組合效應設計值調整的分項系數(shù)結構重要性系數(shù)γ0僅用于結構構件承載能力極限狀態(tài)設計。關于式(2-1)

2.2.2極限狀態(tài)設計的一般表達式公路橋涵結構或構件按正常使用極限狀態(tài)設計時，采用設計計算的一般表達式為：

Sd

≤C

(2-2)作用組合的效應設計值設計對結構構件正常使用要求所規(guī)定的限值正常使用極限狀態(tài)設計時2結構構件按正常使用極限狀態(tài)設計時，作用組合的效應設計值主要是結構構件的撓度變形值、截面的開裂力以及裂縫的寬度值等，并且應小于相應的規(guī)定限值。2.3結構上的作用和環(huán)境影響2.3.1作用2.3.2作用組合2.3.3環(huán)境影響（作用）2.3.1作用作用是施加在結構上的力或引起結構變形、約束變形的原因，作用對結構的效應是使結構構件產(chǎn)生了截面內力（例如，彎矩、剪力、軸向力、扭矩等）和變形。按作用的性質分為兩類：一類是施加在結構的外力，例如橋上汽車、人群、結構自重等，它們是直接施加于橋梁結構上，稱為直接作用，可以用“荷載”來概括；另一類不是以外力形式施加在結構上，它們產(chǎn)生的效應與結構本身特性、所處環(huán)境有關，例如溫度變化、地震、基礎不均勻沉降或位移等，這些都是間接作用于結構上且引起結構構件的外加變形或約束變形，故稱為間接作用。2.3.1作用例如，圖2-2所示的兩端固接構件，材料的線膨脹系數(shù)為αt、彈性模量為E、構件截面積為A。當大氣溫度均勻變化且整體降溫(℃）時,計算可得到構件截面上軸向拉力Nt=l?αt?Δt?E?A。2.3.1作用工程上把所有引起結構反應的原因統(tǒng)稱作用，而把荷載僅限于表達施加于結構上的直接作用。公路橋涵設計采用的作用按隨時間變化分為永久作用、可變作用和偶然作用，見表2-6。2.3.1作用結構重力包括結構構件的自重力，以及橋梁的橋面鋪裝、人行道（或防撞護欄）以及附屬設備等結構附加重力。表2-7提供了橋梁結構常用材料的重度（又稱容重）γ值（kN/m3)。在結構構件設計計算中，應當根據(jù)構件的受力特性、支承條件和計算要求來建立結構重力作用的計算簡圖。結構重力12.3.1作用例如圖2-3所示的預制的T形截面鋼筋混凝土簡支梁，梁幾何長度為L,計算跨徑為l0。沿梁長度方向截面尺寸沒有變化，截面面積為A。但在梁的跨中處和靠近支座處設置了三道橫隔梁，每道橫隔梁在T形截面梁肋板對稱布置兩塊并與T梁成整體。2.3.1作用對于T形截面的簡支梁，重力G11k作用沿梁長度方向是連續(xù)的，故可化為沿梁長度方向的線均布荷載（圖2-3）,作用在梁中軸線處，均布荷載集度g=G11k為：

g=G11k=γA(2-3)T梁結構重力標準值（kN/m),線均布荷載材料的重度（kN/m3),對鋼筋混凝土，查表2-7取γ=25kN/m3T梁的截面積（m2)2.3.1作用橫隔梁的重力作用沿梁長度方向是不連續(xù)的，每塊橫隔梁的重力G12k可化為集中力（點荷載），若每塊橫隔梁的體積為V,則每塊橫隔梁的重力G12k為：

G12k=γV(2-4)每塊橫隔梁的重力標準值（kN)材料的重度（kN/m3)每塊橫隔梁的體積(m3)2.3.1作用在公路橋涵上，人群荷載是通過人行道作用于橋梁結構上。人群荷載標準值應根據(jù)表2-8采用。對跨徑不等的連續(xù)結構，以橋梁縱向的最大計算跨徑l0為準。人群荷載22.3.1作用人群荷載標準值是在人行道上的面均布荷載（面荷載）qQ2k，橫向應布置在人行道的凈寬度內（圖2-4），在橋縱向施加于使結構產(chǎn)生最不利荷載效應的區(qū)段內。人群荷載2人群荷載標準值的取值:非機動車、行人密集的公路橋梁，人群荷載標準值取表2-7所規(guī)定的標準值的1.15倍。專用人行橋，人群荷載標準值為3.5kN/m2。2.3.1作用公路橋涵設計時，汽車荷載分為公路-Ⅰ級和公路-Ⅱ級兩個等級，并且由車道荷載和車輛荷載組成，但車道荷載和車輛荷載的作用不得疊加。汽車荷載3車道荷載01橋梁結構的整體計算采用車道荷載，車道荷載的計算圖式是由線均布荷載qQ1k和一個集中荷載PQ1k組成（圖2-5）。2.3.1作用車道荷載01對公路-I級，車道荷載的線均布荷載標準值qQ1k=10.5kN/m;集中荷載標準值PQ1k取值見表2-9，計算剪力效應時應將表2-9集中荷載標準值乘以系數(shù)1.2。對公路-Ⅱ級，車道荷載的線均布荷載標準值qQ1k和集中荷載標準值PQ1k按公路-I級車道荷載的0.75倍采用。車道荷載的線均布荷載標準值qQ1k應滿布于使結構產(chǎn)生最不利效應的同號影響線上，集中荷載標準值PQ1k只作用于相應影響線中一個影響線峰值處。2.3.1作用車輛荷載02橋梁結構的局部加載、涵洞、橋臺和擋土墻土壓力等的計算采用車輛荷載。車輛荷載的尺寸見圖2-6，主要技術指標規(guī)定見表2-10。2.3.1作用汽車荷載圖式主要用于橋梁結構受力的靜力計算中，但是由于橋面的不平整，汽車駛過橋梁時車身震動等引起橋梁結構的振動，導致結構截面上汽車荷載作用效應增大，這種動力效應稱為汽車荷載沖擊作用。設計上引入一個豎向動力效應的增大系數(shù)，沖擊系數(shù)μ，來計算汽車荷載的沖擊力，汽車荷載的沖擊力即為汽車荷載標準值乘以沖擊系數(shù)μ。沖擊系數(shù)μ的計算與橋梁結構的自振頻率（基頻）f有關“汽車荷載（含汽車沖擊力）”表達含義是在具體計算中用汽車荷載標準值乘以1+μ。沖擊系數(shù)

2.3.2作用組合公路橋涵結構按承載能力極限狀態(tài)設計計算時,對持久設計狀況和短暫設計狀況應采用作用的基本組合,對偶然設計狀況應采用作用的偶然組合,對地震設計狀況應采用作用的地震組合。持久狀況的作用基本組合是永久作用設計值與可變作用設計值的組合,其中的作用均取其標準值。當作用與作用效應可按線性關系考慮時，作用基本組合的效應設計值表達通式為：承載能力極限狀態(tài)計算時作用組合1（2-5）承載能力極限狀態(tài)下，作用基本組合的效應設計值作用組合的效應函數(shù)第i個永久作用的分項系數(shù)，對于不同的永久作用取用的分項系數(shù)見表2-11Gik是參與作用基本組合的第i個永久作用的標準值。γGiGik=Gid，即式（2-1）中的第i個永久作用的設計值Gid。表示參與作用基本組合中的永久作用，m是考慮的永久作用個數(shù)表示參與作用基本組合中第1個可變作用（主導可變作用）汽車荷載作用且用汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）的標準值表示汽車荷載的分項系數(shù)，采用車道荷載計算時取1.4，采用車輛荷載計算時，其分項系數(shù)取1.8結構設計使用年限荷載調整系數(shù)。結構設計使用年限按表2-1取值時取1.0，否則，取值應按專題研究確定在作用組合中除汽車荷載外的其他第j個可變作用的標準值。ψcQjk稱為作用組合中除汽車荷載外的其他第個可變作用的組合值在作用組合中除汽車荷載外的其他可變作用的組合值系數(shù)，取0.75。

ψcγLj

γQj

Qjk=Qjd可以計算得到其他可變作用下結構構件的效應設計值，作用組合中除汽車荷載(含汽車沖擊力、離心力)以外的其他第j個可變作用的設計值Qjd

第j個可變作用的結構設計使用年限荷載調整系數(shù)，取值規(guī)定與前述的調整系數(shù)γL1相同在作用組合中除汽車荷載、風荷載外的其他第個可變作用的分項系數(shù)取1.4，風荷載作用的分項系數(shù)取1.1例2-1鋼筋混凝土簡支梁橋主梁計算跨徑l0=19.50m,在結構重力（包括結構附加重力）、汽車荷載（車道荷載）和人群荷載作用下，分別得到主梁跨中截面的彎矩標準值為：結構重力(含結構附加重力)產(chǎn)生的彎矩MGk=812.29kN?m；汽車荷載（含汽車沖擊力）的彎矩MQ1k

=783.96kN?m；人群荷載的彎矩MQ2k=66.30kN?m。設計使用年限50年。作用與作用效應可按線性關系考慮，試求作用基本組合下主梁跨中截面的彎矩設計值Md。2-1解：簡支梁在結構重力作用時主梁跨中截面產(chǎn)生正彎矩，對主梁截面抗彎承載能力不利，查表2-11序號1的“混凝土和圬工結構重力”得到永久作用的分項系數(shù)γG1=1.2。本例設計汽車荷載（含汽車沖擊力）為主導可變作用，且采用車道荷載計算，故取汽車荷載（含汽車沖擊力）的分項系數(shù)γQ1=1.4；人群荷載為除汽車荷載外的其他可變作用，故取人群荷載作用的分項系數(shù)為γQ2=1.4、組合值系數(shù)ψc=0.75。因本例結構的設計使用年限按表2-1取值，故取可變作用的結構設計使用年限荷載調整系數(shù)γL=1.0，γLj=1.0。根據(jù)已知條件，按式(2-4)計算承載能力極限狀態(tài)設計時作用基本組合下的主梁跨中截面彎矩設計值Md為：2.3.2作用組合公路橋涵結構按正常使用極限狀態(tài)設計計算時，應根據(jù)不同的設計要求，采用作用的頻遇組合或準永久組合。正常使用極限狀態(tài)計算時作用組合2作用頻遇組合01作用頻遇組合是永久作用的標準值與汽車荷載的頻遇值、其他可變作用準永久值相組合。2.3.2作用組合當作用與作用效應按線性關系考慮時，作用頻遇組合的效應設計值計算表達通式為：作用頻遇組合的效應設計值Gik是第i個永久作用的標準值汽車荷載（不計汽車沖擊力）的標準值除汽車荷載（不計汽車沖擊力）外的其他第j個可變作用的標準值汽車荷載（不計汽車沖擊力）頻遇值系數(shù)，ψf1=0.7其他可變作用準永久值系數(shù)，人群荷載時ψq=0.4，風荷載時ψq=0.75，溫度梯度作用時ψq=0.8，其他作用時ψq=1.0（2-6）2.3.2作用組合是永久作用的標準值與可變作用準永久值相組合。當作用與作用效應按線性關系考慮時，作用準永久組合設計值計算表達通式為：作用準永久組合02作用準永久組合的效應設計值Gik是第i個永久作用的標準值可變作用的標準值,汽車荷載不計汽車沖擊力可變作用準永久值系數(shù)。汽車荷載（不計汽車沖擊力）準永久值系數(shù)值ψq=0.4，人群荷載時ψq=0.4，風荷載時ψq=0.75，溫度梯度作用時ψq=0.8，其他作用時ψq=1.0（2-7）例2-2已知條件見例2-1，但不計汽車沖擊力的汽車荷載的彎矩標準值MQ1k

=653.30kN?m。試分別求出作用頻遇組合和作用準永久組合作用主梁跨中截面的彎矩設計值Md。例2-1的已知條件：鋼筋混凝土簡支梁橋主梁計算跨徑l0=19.50m,在結構重力（包括結構附加重力）、汽車荷載（車道荷載）和人群荷載作用下，分別得到主梁跨中截面的彎矩標準值為：結構重力(含結構附加重力)產(chǎn)生的彎矩MGk=812.29kN?m；汽車荷載（含汽車沖擊力）的彎矩MQ1k

=783.96kN?m；人群荷載的彎矩MQ2k=66.30kN?m。設計使用年限50年。2-2解：作用頻遇組合和作用準永久組合的效應設計值，分別參照式（2-6）和式（2-7）計算。（1）作用頻遇組合下簡支梁跨中截面的彎矩設計值在簡支梁跨中截面上，已知結構重力產(chǎn)生的彎矩標準值MGk=812.29kN?m；不計汽車沖擊力的汽車荷載的彎矩標準值為MQ1k

=653.30kN﹒m，人群荷載的彎矩標準值MQ2k=66.30kN?m。對汽車荷載（不計汽車沖擊力），其頻遇值系數(shù)取ψf1=0.7;對人群荷載，其準永久值系數(shù)取ψq2=0.4，由式（2-6）可得到作用頻遇組合下簡支梁跨中截面的彎矩設計值為：（2）作用準永久組合簡支梁跨中截面的彎矩設計值對汽車荷載（不計汽車沖擊力），其準永久值系數(shù)ψq1=0.4;對人群荷載，其準永久值系數(shù)ψq2=0.4，由式（2-7）可得到作用準永久組合下簡支梁跨中截面的彎矩設計值為：2.3.3環(huán)境影響（作用）結構的耐久性，本質上是構件和材料抵抗腐蝕和性能退化的能力，與結構使用的環(huán)境影響和采用的材料、施工質量有關。環(huán)境影響是指環(huán)境對結構產(chǎn)生的各種化學的、物理的、機械的和生物的不利影響。例如大氣中二氧化碳，河流、海洋和土壤中含有的氯離子、硫酸鹽等會對結構材料（主要是混凝土材料、鋼材等）產(chǎn)生不利影響；含有夾雜物（砂、石等）急速河水對水中結構的摩擦、切削作用，也會減少結構構件截面，導致一些建成使用時間不長的工程中出現(xiàn)病害現(xiàn)象。2.3.3環(huán)境影響（作用）圖2-7a）所示斜拉橋冬季了使用除冰鹽橋面化雪，但雪水沒有及時排除造成橋上防撞護欄表面混凝土剝落、鋼筋繡蝕；圖2-7b）是混凝土橋臺表面，因橋面伸縮裝置的漏水導致鋼筋繡蝕；圖2-7c）是混凝土柱式橋墩，因河水中的硫酸鹽含量嚴重超標造成橋墩表面混凝土剝落。2.3.3環(huán)境影響（作用）環(huán)境影響會引起結構材料性能隨時間發(fā)生不同程度的退化，向不利方向發(fā)展，或者產(chǎn)生結構構件損傷，從而降低結構的耐久性，影響了結構安全性和適用性。環(huán)境影響對結構的效應是造成結構材料性能劣化或結構構件損傷原因，從這個意義上講可以稱環(huán)境影響為環(huán)境作用?，F(xiàn)行設計規(guī)范考慮環(huán)境作用的主要做法是，根據(jù)結構所處的環(huán)境條件和材料特點，直接規(guī)定設計上應滿足結構耐久性的構造要求，規(guī)定施工上應采用的原材料標準和合理可靠的施工工藝等。2.3.3環(huán)境影響（作用）公路橋涵混凝土結構耐久性設計主要內容是：根據(jù)結構的設計使用年限、結構所處的環(huán)境類別及作用等級，確定材料耐久性指標、減輕環(huán)境作用效應的結構構造措施和防腐蝕附加措施等。公路橋涵混凝土結構耐久性設計主要內容01橋梁結構環(huán)境類別02公路橋涵混凝土結構環(huán)境類別分為七類，基本涵蓋了我國工程結構典型環(huán)境情況，表2-12為公路橋涵混凝土結構及構件所處環(huán)境類別。2.3.3環(huán)境影響（作用）使用表2-11時應注意，要根據(jù)結構所處區(qū)域位置和構件表面的局部環(huán)境特點,來判斷其所屬的環(huán)境類別,即應根據(jù)混凝土結構和構件表面直接接觸的環(huán)境來選擇環(huán)境類別；當結構的不同部位所受環(huán)境條件變化較大時,宜對不同部位選擇相應的所處環(huán)境類別。混凝土耐久性設計與混凝土材料、結構構造和裂縫控制措施、施工要求和必要的防腐蝕附加措施等內容有關,并且混凝土結構的耐久性在很大程度上取決于結構施工過程中的質量控制與質量保證，以及結構使用過程中的正確維修與例行檢測。單獨采取某一種措施可能效果不理想時，應根據(jù)混凝土結構物的使用環(huán)境、設計使用年限采取綜合防治措施,結構才能取得較好的耐久性。2.4材料的強度取值2.4材料的強度取值某鋼廠抽查同一批生產(chǎn)的鋼筋，并經(jīng)取樣試驗得到鋼筋受拉屈服強度實測資料，整理得到該批鋼筋屈服強度實測值變化見圖2-8。材料強度的變化規(guī)律12.4材料的強度取值由圖2-8可見，同一鋼廠同一車間生產(chǎn)的鋼筋實測屈服強度并不是同一個值，而是有高有低：①屈服強度為280MPa左右的鋼筋，數(shù)量最多；②屈服強度超過350MPa的很少；③屈服強度小于210MPa的鋼筋也很少；④這批鋼筋的平均屈服強度為287.5MPa。由圖2-8可見，經(jīng)過分析后所得的頻率分布的理論曲線形狀呈中間大，兩頭小。圖2-8是鋼筋強度變化規(guī)律，其他工程材料也具有類似規(guī)律。因此在工程中，當被告之某一材料的強度數(shù)據(jù)、或調查材料強度值、或查閱到技術資料的材料強度值時，應該首先弄清楚材料強度數(shù)據(jù)代表的意義，是單個試件材料強度的實測值，還是若干試件材料強度的平均值、或最大值。為了在設計中合理取用材料強度值,《公路橋規(guī)》對材料強度的取值采用標準值和設計值。2.4材料的強度取值標準值是材料強度的一種特征值,也是結構或構件設計時采用的材料強度的基本代表值，用符號fk表示。材料的強度標準值是由標準試件按標準試驗方法,實測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計以概率分布的0.05分位值確定的強度值,即其取值原則是在符合規(guī)定質量的材料強度實測值的總體中,材料的強度標準值度應具有不小于95%的保證率。材料強度的標準值22.4材料的強度取值材料強度的設計值，用符號fd表示，是材料強度標準值除以材料性能分項系數(shù)后的值,基本表達式為：材料強度的設計值3fd=fk/γf(2-8)對正常使用極限狀態(tài)，材料性能的分項系數(shù)γM，除非結構設計規(guī)范有專門規(guī)定外，γM取為1.0，即設計計算時采用材料的強度標準值。材料性能分項系數(shù),需根據(jù)不同材料進行構件分析,由得到的可靠指標達到規(guī)定的目標可靠指標及工程經(jīng)驗校準來確定。材料強度標準值模塊3鋼筋混凝土結構及其材料的物理力學性能學習目標了解鋼筋混凝土結構的概念，知道配置受力鋼筋所起的作用了解混凝土和熱軋鋼筋的基本物理力學性能，知道混凝土和熱軋鋼筋的材料強度特征值、彈性模量的設計取值規(guī)定。知道鋼筋和混凝土能有效結合、共同工作的原因，理解鋼筋與混凝土的粘結機理。任務目錄3.1鋼筋混凝土結構的概念3.2混凝土物理力學性能與設計取值3.3鋼筋的物理力學性能與設計取值3.4鋼筋與混凝土之間的粘結

3.1鋼筋混凝土結構的概念鋼筋混凝土結構是由內置受力普通鋼筋或鋼筋骨架的混凝土制成的結構。由這個定義可以看到鋼筋混凝土構件就是由鋼筋和混凝土材料制成的構件。鋼筋混凝土結構是針對素混凝土結構(指無筋或不配置受力鋼筋的混凝土結構)的問題而出現(xiàn)和發(fā)展的。什么是鋼筋混凝土結構？3.1鋼筋混凝土結構的概念圖3-1所示為矩形截面的素混凝土簡支梁在梁跨中截面上產(chǎn)生的彎矩

最大，且截面的中和軸以上部分受壓,以下部分受拉?；炷林袃戎娩摻钏鸬淖饔?.1鋼筋混凝土結構的概念P=Pc時由于混凝土的抗拉性能很弱，梁跨中截面（及附近截面）的受拉邊緣混凝土就開裂,并且彎曲裂縫急速沿截面高度向上發(fā)展,導致梁驟然斷裂[圖3-1b)]破壞前梁撓度很小，呈脆性破壞特征。

Pc為素混凝土梁截面受拉區(qū)邊緣混凝土開裂荷載,也是素混凝土梁的破壞荷載。3.1鋼筋混凝土結構的概念圖3-2所示為與素混凝土梁有相同截面尺寸的鋼筋混凝土梁在梁的受拉區(qū)配置了適量的縱向受力鋼筋P達到或略超過Pc值后梁的受拉區(qū)混凝土仍會開裂但在出現(xiàn)裂縫的截面處,截面受拉區(qū)混凝土雖退出工作,而配置在受拉區(qū)的鋼筋承擔幾乎全部的拉力。3.1鋼筋混凝土結構的概念鋼筋混凝土梁能繼續(xù)承受豎向集中力P荷載作用,直至縱向受拉鋼筋的應力達到屈服強度,繼而截面受壓區(qū)邊緣的混凝土也被壓碎,梁才破壞，破壞荷載值Prc?Pc破壞前梁跨中撓度較大，裂縫寬度較大，呈塑性破壞特征3.1鋼筋混凝土結構的概念鋼筋混凝土受壓構件[圖3-3c)在構件中配置縱向受力鋼筋]3.1鋼筋混凝土結構的概念鋼筋混凝土受壓構件與截面尺寸及長細比相同的素混凝土受壓構件相比鋼筋混凝土受壓構件不僅承載力大為提高,還改善了受壓構件破壞時的脆性受力性能。由于鋼筋的抗壓強度高于混凝土，所以鋼筋混凝土軸心受壓構件的截面尺寸也可以減小?；炷羶戎娩摻畹淖饔弥饕菂f(xié)助混凝土共同承受壓力。3.1鋼筋混凝土結構的概念綜上所述,根據(jù)構件受力狀況,在混凝土中配置適當?shù)目v向受力鋼筋構成鋼筋混凝土構件,充分利用鋼筋和混凝土各自的材料受力特性,從而提高構件的承載力、改善構件的受力性能，因此，鋼筋混凝土結構稱為被加強了的混凝土結構。而縱向受力鋼筋的作用是代替混凝土受拉(受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫后)或協(xié)助混凝土受壓?；炷林袃戎娩摻钏鸬淖饔?.1鋼筋混凝土結構的概念混凝土和鋼筋之間有著良好、足夠的粘結力,使兩者能可靠地結合成一個整體，在構件承受作用時能夠很好地協(xié)調變形共同工作，完成其結構功能。鋼筋和混凝土的溫度線膨脹系數(shù)較為接近。當溫度變化時，鋼筋與混凝土之間不致產(chǎn)生較大的相對溫度變形而破壞兩者之間的粘結?；炷林械乃嗌皾{為堿性，質量良好的混凝土可以保護內置鋼筋免遭銹蝕,保證鋼筋與混凝土的共同作用。鋼筋與混凝土能共同作用的原因1鋼筋和混凝土是兩種力學性能不同的材料，為什么能有效地結合在一起共同工作？3.1鋼筋混凝土結構的概念鋼筋混凝土結構的優(yōu)點與缺點23.2混凝土物理力學性能與設計取值3.2.1混凝土抗壓強度3.2.2混凝土的軸心抗拉強度3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力－應變關系、彈性模量3.2.1混凝土抗壓強度混凝土的立方體抗壓強度是采用立方體試件測得的混凝土抗壓強度，是混凝土各種力學指標的代表值?；炷翉姸鹊燃墤戳⒎襟w抗壓強度標準值確定?；炷亮⒎襟w抗壓強度試驗測定是采用邊長為150mm的立方體試件混凝土立方體抗壓強度和強度等級13.2.1混凝土抗壓強度混凝土立方體抗壓強度試驗測定是采用邊長為150mm的立方體試件，要求是立方體試件在溫度為（20±3）℃、相對濕度不小于90%的條件下養(yǎng)護28d；在壓力機上進行單軸受壓試驗時，試件上、下表面不涂潤滑劑。立方體抗壓強度標準值系指按照標準方法制作、養(yǎng)護的邊長為150mm的立方體試件,在28d（28天）或設計規(guī)定齡期以標準試驗方法測得的具有95%保證率的抗壓強度值。在工程和設計上采用的是立方體抗壓強度標準值，用符號fcu,k表示，下標“cu”表示立方體，“k”表示標準值。根據(jù)混凝土立方體抗壓強度標準值來劃分的等級稱為混凝土強度等級，以符號C來表示。3.2.1混凝土抗壓強度公路橋梁受力構件的混凝土強度等級有12級,即C25~C80,中間以5MPa進級。C50以下為普通強度混凝土C50及以上為高強度混凝土符號C50表示混凝土立方體抗壓強度標準值fcu,k

=50MPa對于鋼筋混凝土構件,混凝土強度等級不應低于C25;使用強度標準值400MPa及以上熱軋鋼筋配筋(見第3.2節(jié)內容)時,不應低于C30?；炷翉姸鹊燃?.2.1混凝土抗壓強度混凝土軸心抗壓強度：采用混凝土棱柱體試件(尺寸150mm×150mm×300mm的長方體試件)受壓破壞試驗得到的抗壓強度?；炷晾庵w試件與立方體試件的制作、混凝土棱柱體試件與立方體試件的制作、養(yǎng)護和單軸受壓強度試驗方法要求相同?；炷恋妮S心抗壓強度23.2.1混凝土抗壓強度混凝土軸心抗壓強度標準值由混凝土棱柱體標準試件得到的、具有95%保證率的軸心抗壓強度稱為混凝土軸心抗壓強度標準值用符號fck表示，下標字母c表示受壓，字母k表示標準值?；炷凛S心抗壓強度設計值混凝土軸心抗壓強度標準值除以材料性能分項系數(shù)后就得到混凝土軸心抗壓強度設計值[見式（2-7）]用符號fcd表示，下標字母c仍表示受壓，字母d表示設計值。3.2.1混凝土抗壓強度當已知混凝土強度等級時，由表3-2就可以得到相應的混凝土軸心抗壓強度標準值fck和混凝土軸心抗壓強度設計值fcd。3.2.1混凝土抗壓強度混凝土軸心抗壓強度標準值

與混凝土立方體抗壓強度標準值

的關系式為：fckfcu,k

fck=0.88α

fcu,k

（3-1）式中的符號α被稱為混凝土脆性折減系數(shù)。當混凝土強度等級不大于C40時，α=1.0；當混凝土強度等級大于C40、不大于C80時，α為1.0～0.87，中間按線性插入取值。

fck

與fcu,k關系3.2.2混凝土的軸心抗拉強度混凝土試件軸向單位面積上能承受的最大拉力稱為混凝土的軸心抗拉強度?；炷凛S心抗拉強度可以用兩種試驗方法測得：一種是混凝土軸向拉伸試驗，得到混凝土試件的軸向抗拉強度；另一種是混凝土劈裂抗拉強度試驗，得到混凝土試件的劈裂抗拉強度。3.2.2混凝土的軸心抗拉強度混凝土軸向抗拉強度（MPa),計算結果應精確至0.01MPa破壞荷載（N）試件截面面積（mm)室內成型的軸向拉伸試件應為100mm×100mm,圖3-6試件截面增大的兩端用于卡在拉力試驗機的夾頭上，施加拉力直至試件破壞。試件的軸向抗拉強度測試值為：1混凝土軸向拉伸試驗的試件3.2.2混凝土的軸心抗拉強度試件是邊長為150mm的立方體試件[圖3-7a)]或為A150mm×300mm的圓柱體試件混凝土劈裂抗拉強度試驗是在壓力試驗機上完成試件放在壓力試驗機下承壓板的中心位置，劈裂承壓面和劈裂面與試件成型時的頂面垂直，在上、下承壓板之間墊以圓弧形墊塊（橫截面為半徑75mm的鋼制圓弧形墊塊）及墊條（由普通膠合板或硬質纖維板制成的寬度約20mm、厚度約3mm～4mm的墊條）各一。在壓力試驗機的試驗壓力作用下，試件不是被壓壞，而是在墊條附近產(chǎn)生垂直于試件上、下頂面的裂縫最終在橫向被劈拉斷[圖3-7b)]。2混凝土劈裂抗拉強度試驗的標準試件3.2.2混凝土的軸心抗拉強度3.2.2混凝土的軸心抗拉強度混凝土劈裂抗拉強度按下式計算：混凝土劈裂抗拉強度（MPa),計算結果應精確至0.01MPa破壞荷載（N）試件劈裂面面積（mm)一般來講測得的混凝土立方體劈裂抗拉強度值比混凝土軸向拉伸試驗測得的軸心抗拉強度低。3.2.2混凝土的軸心抗拉強度混凝土軸心抗拉強度標準值，用符號ftk表示，下標字母t表示受拉，字母k表示標準值?；炷凛S心抗拉強度標準值除以材料性能分項系數(shù)后就得到混凝土軸心抗拉強度設計值，用符號ftd表示，下標字母t仍表示受拉,字母d表示設計值?；炷凛S心抗拉強度標準值ftk和混凝土軸心抗拉強度設計值ftd見表3-3。3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力-應變關系、彈性模量混凝土受壓的應力—應變關系是混凝土力學特征的一個重要方面，它是鋼筋混凝土結構構件的承載力計算和變形計算等方面必不可少的依據(jù)。一般是對混凝土棱柱體試件進行一次單調加載試驗(指加載從零開始單調增加至試件破壞,也稱單調加載)來測得混凝土的應力—應變曲線。短期一次加荷時混凝土受壓的應力-應變曲線1圖3-8為實測的混凝土棱柱體試件單軸受壓時典型的應力—應變曲線。3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力－應變關系、彈性模量由圖3-8可以看到，完整的混凝土棱柱體試件單軸受壓時典型應力—應變曲線由上升段OC、下降段CD和收斂段DE三個階段組成。3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力－應變關系、彈性模量σc<0.3fcσc

≥0.3fc1曲線上升段OA段接近直線變化,表明混凝土處于彈性工作階段。隨著壓應力的增大,混凝土受壓應力-應變關系越來越偏離直線。任意一點的混凝土壓應變ε分為彈性應變εce和塑性應變εcp兩部分,原有的混凝土內部微裂縫發(fā)展,并在混凝土內部孔隙等薄弱處產(chǎn)生新的個別微裂縫?；炷了苄宰冃物@著增大,混凝土內部裂縫不斷延伸擴展,并有幾條內部裂縫貫通,應力—應變曲線斜率急劇減小。如果不繼續(xù)加載,內部裂縫也發(fā)展,即內部裂縫處于非穩(wěn)定發(fā)展階段。σc達到0.8fcσc達到fc應力-應變曲線的斜率已接近于水平,試件表面出現(xiàn)不連續(xù)的可見裂縫。3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力－應變關系、彈性模量到達峰值應力點C后,混凝土的強度并不完全消失,隨著壓應力σc的減小(卸載),壓應變仍然增加,曲線下降坡度較陡,混凝土表面裂縫逐漸貫通。2曲線下降段3曲線收斂段在拐點D之后,應力下降的速率減慢,曲線漸趨平緩至穩(wěn)定的殘余應力。拐點D之后混凝土受壓應力—應變曲線中曲率最大點E被稱為收斂點，E點之后，表面縱向裂縫把混凝土棱柱體試件分成若干個小柱,外載力由裂縫處的摩擦咬合力及小柱體的殘余強度承受。3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力－應變關系、彈性模量混凝土棱柱體試件單軸受壓時典型應力-應變曲線的上升段和下降段的分界點（曲線的C點）最大壓應力值fc和相應的應變值εc0，以及曲線下降段末期的最大應變值(即極限壓應變值)εcu稱為曲線的三個特征值。對于均勻受壓的混凝土棱柱體試件,當壓應力達到混凝土棱柱體試件抗壓強度fc時,混凝土就不能承受更大的壓力。與fc相對應的混凝土壓應變εc0值是隨混凝土強度等級而異,在(1.5~2.5)×10-3之間變動,通常取其平均值εc0=2.0×10-3?；炷翗O限壓應變εcu值一般范圍為(3.0~5.0)×10-3。3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力－應變關系、彈性模量由混凝土棱柱體試件單軸受壓時典型應力—應變曲線可以看到，除OA段（壓應力σc<0.3fc）的混凝土受壓應力—應變關系接近直線變化,說明混凝土處于彈性工作階段外，在曲線大部分區(qū)段混凝土受壓應力—應變關系不成正比，所以混凝土基本上是一種彈塑性材料。不同強度級別的混凝土棱柱體試件單軸受壓應力—應變曲線有著相似的形狀，但也有實質性區(qū)別。3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力－應變關系、彈性模量圖3-9所示為不同強度等級混凝土棱柱體試件單軸受壓應力—應變曲線，曲線上升段和峰值應力對應的壓應變εc0的變化不是很顯著，而下降段形狀有較大差異，混凝土抗壓強度fc越高下降段越陡，表明混凝土的延性越差(延性是材料承受變形的能力）3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力－應變關系、彈性模量彈性材料：應力σ與應變ε成正比，把它們的比值σ/ε定義為彈性模量E?；炷粱旧鲜菑椝苄圆牧?，混凝土受壓應力—應變關系是一條曲線，在不同的應力階段，應力與應變之比是變數(shù)。在設計上混凝土的彈性模量，是反復加載和卸載后獲得的彈性模量。采用尺寸為150mm×150mm×300mm的混凝土棱柱體試件,取壓應力上限為σ=0.5fc,然后卸荷至零,再重復加載卸荷5~10次?；炷恋膹椥阅Ａ?3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力－應變關系、彈性模量由于混凝土不是彈性材料,每次卸荷至應力為零時,變形不能完全恢復,存在殘余變形。但隨著荷載重復次數(shù)的增加,由于混凝土內部微裂縫的發(fā)展逐漸穩(wěn)定，應力—應變曲線也趨于穩(wěn)定。重復5~10次后,應力—應變曲線接近于直線，該直線的斜率即作為混凝土彈性模量的取值。

3.2.3混凝土受壓（短期一次加荷）時的應力－應變關系、彈性模量混凝土彈性模量是根據(jù)混凝土棱柱體標準試件,用標準的試驗方法所測得的規(guī)定壓應力值與其對應的壓應變值的比值?；炷翉椥阅Ａ恐狄姳?-4。當采用引氣劑及較高砂率的泵送混凝土且無實測數(shù)據(jù)時，表3-4中C50~C80的彈性模量值Ec應乘以折減系數(shù)0.95。3.3鋼筋的物理力學性能與設計取值3.3.1熱軋鋼筋的種類3.3.2熱軋鋼筋的強度等級和牌號3.3.3熱軋鋼筋的強度與變形3.3.4熱軋鋼筋的塑性性能3.3.1熱軋鋼筋的種類熱軋鋼筋按照外形分為熱軋光圓鋼筋和熱軋帶肋鋼筋熱軋光圓鋼筋是經(jīng)熱軋成型并自然冷卻的表面光滑、截面為圓形的鋼筋。熱軋帶肋鋼筋是經(jīng)熱軋成型并自然冷卻而其圓周表面通常帶有兩條縱肋且沿長度方向有均勻分布橫肋的鋼筋。我國目前生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋主要為月牙肋鋼筋,其縱肋與橫肋不相交且橫肋為月牙形狀的,故稱為月牙肋鋼筋[圖3-11b)]。3.3.1熱軋鋼筋的種類對熱軋帶肋鋼筋產(chǎn)品規(guī)格和截面面積采用一種稱為“公稱直徑”來計量和計算。公稱直徑是與熱軋帶肋鋼筋截面（包括縱肋和橫肋在內）面積相等的光圓鋼筋截面直徑,由公稱直徑計算所得的圓面積就是熱軋帶肋鋼筋的截面面積。對于熱軋光圓鋼筋截面,其幾何直徑就是公稱直徑，因此就能以公稱直徑來統(tǒng)一度量熱軋帶肋鋼筋和熱軋光圓鋼筋的規(guī)格和面積計算。未加特別說明的“鋼筋直徑”均指鋼筋公稱直徑。3.3.1熱軋鋼筋的種類我國國家標準推薦的熱軋光圓鋼筋公稱直徑為：

6mm、8mm、10mm、12mm、16mm和20mm熱軋帶肋鋼筋公稱直徑為：6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm和50mm不同公稱直徑的熱軋鋼筋截面積、質量表見附表1。3.3.2熱軋鋼筋的強度等級和牌號熱軋鋼筋按鋼筋屈服強度特征值的高低分為4個強度等級:300級、400級、500級和600級鋼筋屈服強度特征值即為屈服強度標準值。熱軋鋼筋是采用鋼筋牌號來表示，以與熱軋鋼筋工廠產(chǎn)品一致。熱軋鋼筋的鋼筋牌號是根據(jù)鋼筋屈服強度特征值、制造成型方式及種類等規(guī)定加以分類的代號。熱軋鋼筋的牌號由規(guī)定的英文字母縮寫和鋼筋屈服強度特征值組成。3.3.2熱軋鋼筋的強度等級和牌號熱軋光圓鋼筋的產(chǎn)品牌號是HPB300符號中的H表示熱軋（hotrolled)、P表示光圓（plain)、B表示鋼筋（bar)數(shù)字300表示熱軋鋼筋強度級別為300級，即屈服強度標準值為300MPa。熱軋光圓鋼筋1熱軋帶肋鋼筋2我國熱軋帶肋鋼筋產(chǎn)品的強度級別有400級、500級和600級鋼筋牌號表示的規(guī)則與熱軋光圓鋼筋相同，即熱軋帶肋鋼筋制造成型方式的英文字母縮寫符號+鋼筋強度級別，英文字母縮寫符號有所不同。3.3.2熱軋鋼筋的強度等級和牌號熱軋帶肋鋼筋的產(chǎn)品牌號是HRB400、HRB500和HRB600符號中的H仍表示熱軋（hotrolled)、R表示帶肋（ribbed)、B仍表示表示鋼筋（bar)，符號后數(shù)字表示熱軋鋼筋強度級別，即屈服強度標準值1普通熱軋帶肋鋼筋2細晶粒熱軋帶肋鋼筋細晶粒熱軋帶肋鋼筋是在熱軋過程中,通過控軋和控冷工藝形成的一種熱軋帶肋鋼筋)，產(chǎn)品的強度級別有400級和500級HRBF400表示強度級別為400級的細晶粒熱軋帶肋鋼筋。3.3.2熱軋鋼筋的強度等級和牌號余熱處理帶肋鋼筋是熱軋后利用熱處理原理進行表面控制冷卻,并利用芯部余熱完成回火處理得到的帶肋鋼筋。產(chǎn)品的強度級別有400級和500級產(chǎn)品牌號的英文字母縮寫符號采用RRB表示余熱處理鋼筋RRB400表示強度級別為400級的余熱處理帶肋鋼筋。3余熱處理帶肋鋼筋3.3.3熱軋鋼筋的強度與變形圖3-12是鋼筋試件的單向拉伸試驗得到的應力—應變曲線3.3.3熱軋鋼筋的強度與變形在這個階段，應變ε隨拉應力σ的增加而增加，OA段基本上是一根斜直線，即鋼筋的拉伸應力σ與應變ε成正比關系。在OA段范圍內，如將拉力卸去，試件能縮短恢復原狀這種能恢復原狀這種能恢復原狀的性質，叫做彈性，故這個階段稱為彈性階段。與彈性階段最高點（圖3-12中的A點)對應的應力稱為比例極限，用符號σp表示。熱軋鋼筋受拉試件從試驗加載到拉斷,可分為四個階段（1）彈性階段（OA段）3.3.3熱軋鋼筋的強度與變形當鋼筋的拉伸應力超過比例極限之后,應力與應變不再成正比增加，應變比應力增長得快,后來曲線成為接近水平的鋸齒線，這時應變急劇增長，而應力卻在很小的范圍內波動。此時鋼筋材料的性質已經(jīng)由彈性轉變?yōu)樗苄?，在鋼筋試件表面呈現(xiàn)出許多大約為45°的斜線，說明鋼材的內部組織已經(jīng)發(fā)生變化。若將拉力卸去，鋼筋試件的變形不會全部恢復，不能恢復的變形稱為殘余變形。（2）屈服階段（AB段）3.3.3熱軋鋼筋的強度與變形對應與鋸齒線最高點Bt的應力稱為屈服上限最低點Bb的應力稱為屈服下限試驗表明屈服上限受試驗加載速度、表面光潔度等因素的影響而波動,而屈服下限較穩(wěn)定,故一般以屈服下限作為強度計算的依據(jù),稱為屈服強度，用符號σs表示。當拉應力到達屈服階段后，試件將產(chǎn)生很大的變形，一般已不能滿足使用要求，因此設計上一般規(guī)定鋼筋的最大拉應力不得超過其屈服強度。屈服階段的應變（圖3-12所示Bt點到Bb點的水平距離）的大小稱為流幅。流幅愈大，鋼材的塑性愈好。3.3.3熱軋鋼筋的強度與變形當鋼筋材料屈服到一定程度后，其內部組織繼續(xù)變化，抵抗外力的能力重新提高，應力與應變的關系形成BC段上升的曲線，這個階段稱為強化階段。對應于最高點C的應力稱為鋼材的極限強度，用符號σb表示。（3）強化階段(BC段）（4）頸縮階段(CD段）鋼筋材料強化達到最高點C以后，在鋼筋試件薄弱處的截面發(fā)生局部頸縮現(xiàn)象,塑形變形迅速增加,拉力隨之下降,最后發(fā)生斷裂破壞。3.3.3熱軋鋼筋的強度與變形鋼筋的拉伸應力—應變曲線有明顯的流幅（屈服臺階）和屈服點,這是熱軋鋼筋重要特征，換句話講，拉伸曲線具有明顯的流幅（屈服臺階）的鋼筋是熱軋鋼筋。熱軋鋼筋的拉應力到達屈服點后會產(chǎn)生很大的塑性變形(流幅),會使鋼筋混凝土構件出現(xiàn)很大的變形和過寬的混凝土裂縫,以致不能正常使用，因此以屈服強度作為鋼筋強度限值,且熱軋鋼筋是按其屈服下限確定。從工程結構設計角度熱軋鋼筋的抗拉強度標準值，用符號fsk表示熱軋鋼筋抗拉強度標準值fsk除以材料性能分項系數(shù)后就得到抗拉強度設計值用符號fsd表示3.3.3熱軋鋼筋的強度與變形3.3.3熱軋鋼筋的強度與變形鋼筋抗拉極限強度σb,在結構設計上只作為強度安全儲備考慮。一般采用熱軋鋼筋的“屈強比”指標控制。屈強比就是鋼筋屈服強度σs與抗拉極限強度σb的比值,國家標準規(guī)定熱軋鋼筋的屈強比σs

/σb不應大于0.8。熱軋鋼筋在彈性階段的應力與應變的比值被稱為鋼筋的彈性模量，用符號Es表示。對HPB300鋼筋，Es=2.1×105MPa對HRB400、HRB500、HRBF400、RRB400鋼筋，Es=2.0×105MPa3.3.4熱軋鋼筋的塑性性能足夠的強度伸長率冷彎性能熱軋鋼筋的塑性變形能力：3.3.4熱軋鋼筋的塑性性能熱軋鋼筋的伸長率是指由鋼筋單向拉伸試驗得到的伸長率值。把鋼筋拉伸試件斷裂后的兩段拼起來，可量得鋼筋斷后標距范圍內的長度l1(圖3-13),把l1減去標距原長l就是塑形變形值，此值與原長的比率稱為伸長率δ伸長率的數(shù)值愈大，表示鋼筋的塑性愈好。（3-4）（1）伸長率3.3.4熱軋鋼筋的塑性性能為了使鋼筋在加工、使用時不開裂、彎斷或脆斷，熱軋鋼筋必須滿足冷彎性能要求。一般采用熱軋鋼筋的冷彎試驗（圖3-14)進行檢查,即按規(guī)定條件取鋼筋試件,繞彎心直徑為D的輥軸冷彎后,鋼筋外表面不產(chǎn)生裂紋、鱗落或斷裂現(xiàn)象為合格。（1）冷彎性能3.4鋼筋與混凝土之間的粘結3.4鋼筋與混凝土之間的粘結3.4鋼筋與混凝土之間的粘結試驗觀察結果表明，光圓鋼筋與混凝土的粘結作用主要由三部分組成:①混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的化學膠著力;②由于混凝土結硬時的收縮，將鋼筋緊緊握裹而在鋼筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的摩擦力;③鋼筋表面粗糙不平而產(chǎn)生的機械咬合力。其中,膠著力所占比例很小,發(fā)生相對滑移后,光圓鋼筋與混凝土之間的粘結力主要由摩擦力和咬合力提供。鋼筋與混凝土之間的粘結力1在鋼筋混凝土結構中,能承受由于變形差(相對滑移)而產(chǎn)生的沿鋼筋與混凝土接觸面上的剪應力,通常把這種剪應力稱為粘結應力。3.4鋼筋與混凝土之間的粘結鋼筋從混凝土試件中的拔出試驗:對粘結力的觀測試驗圖3-15為光圓鋼筋一端埋置在混凝土試件中,在鋼筋伸出端施加拉拔力的拔出試驗示意圖。粘結應力的分布情況3.4鋼筋與混凝土之間的粘結關于光圓鋼筋與混凝土之間粘結應力的幾個特點：粘結應力的分布是曲線形的最大粘結應力τn發(fā)生在離試件端部某一距離處，并且隨拉拔力P的大小而變化。鋼筋埋入混凝土的長度l愈長，則拔出力或粘結強度愈大。但l太長，靠近鋼筋端頭處的粘結應力τn很小，或等于零。為了能保證鋼筋在混凝土中可靠的錨固，錨固長度la應有足夠的長度，但也不必要太長。圖3-15c)中所示稱為平均粘結應力，它是在拔出試驗中粘結失效（鋼筋被拔出或者混凝土被劈裂）時的平均粘結應力。鋼筋錨固長度la是受力鋼筋通過混凝土與鋼筋粘結作用將所受的力傳遞給混凝土所需的長度。3.4鋼筋與混凝土之間的粘結光圓鋼筋端部做成彎鉤能大大提高拔出力，因為彎鉤處能承擔很大的承壓力(圖3-16)。3.4鋼筋與混凝土之間的粘結相比于光圓鋼筋，帶肋鋼筋的最大粘結應力τn和平均粘結應力

都較大，所需要的錨固長度la比光圓鋼筋的短，因為帶肋鋼筋的表面凹凸不平（圖3-17)，機械咬合力很大，所以粘結強度高。3.4鋼筋與混凝土之間的粘結鋼筋混凝土構件截面上有多根鋼筋并列布置一排時,相鄰鋼筋的邊緣之間的距離稱為鋼筋之間的凈距sn（圖3-18)，提供鋼筋間混凝土的澆筑填充和混凝土振搗空間，形成每根鋼筋周圍都有足夠的混凝土包裹。影響鋼筋與混凝土之間的粘結力因素2鋼筋之間的凈距對鋼筋與混凝土粘結強度有重要影響，若凈距不足,混凝土的粗骨料無法進入鋼筋之間，混凝土的實際強度可能會低于設計強度，鋼筋與混凝土粘結強度也會降低。構件受力后，鋼筋外圍混凝土可能會發(fā)生在鋼筋位置處的劈裂裂縫。3.4鋼筋與混凝土之間的粘結混凝土保護層厚度是鋼筋外邊緣至構件截面邊緣的距離c，混凝土保護層厚度也對粘結強度有著重要影響，混凝土保護層厚度較小意味著鋼筋外圍混凝土較少，則鋼筋與混凝土粘結強度也降低，特別是采用帶肋鋼筋時,若混凝土保護層太薄,則容易發(fā)生沿鋼筋方向的撕裂裂縫?；炷帘Ｗo層厚度也不是越大越好，混凝土保護層厚度過大就可能在鋼筋外部造成較厚的素混凝土層，更容易造成構件表面開裂。當混凝土保護層厚度c較大時（例如大于50mm時），宜對保護層采取內設防混凝土開裂和剝離的構造措施例如在混凝土保護層厚度內加設鋼筋網(wǎng)片等。影響鋼筋與混凝土之間的粘結力因素2模塊4

鋼筋混凝土矩形截面梁學習目標掌握鋼筋混凝土矩形截面梁鋼筋綁扎骨架組成，熟悉普通鋼筋保護層厚度、鋼筋之間最小凈距的要求。了解鋼筋混凝土梁正截面、斜截面破壞形態(tài)；能進行正截面縱向受拉鋼筋配筋率和斜截面內箍筋配筋率計算、截面承載力復核計算。理解鋼筋混凝土梁正截面的換算截面方法，能進行矩形截面梁正截面應力驗算、彎曲豎向裂縫寬度驗算和撓度驗算及預拱度設置計算。能進行普通鋼筋設計長度復核計算，能看懂配筋設計圖。任務目錄4.1矩形截面梁的鋼筋布置與構造4.2矩形截面梁正截面抗彎承載力計算4.3矩形截面梁斜截面抗剪承載力計算4.4矩形截面梁截面應力計算4.5矩形截面梁混凝土裂縫寬度驗算與撓度計算4.6鋼筋標注尺寸與長度計算模塊4鋼筋混凝土矩形截面梁鋼筋混凝土梁:可能會在最大彎矩的作用下發(fā)生正截面(與梁的縱軸線垂直截面)的材料破壞，稱為梁正截面承載力破壞；也可能在最大剪力或在彎矩和剪力都較大的梁區(qū)段（剪彎區(qū)段）內的某個斜截面(與梁的縱軸線斜交的截面)發(fā)生材料破壞,稱為梁斜截面承載力破壞。鋼筋混凝土梁:承載能力極限狀態(tài)要求正常使用極限狀態(tài)要求模塊4鋼筋混凝土矩形截面梁單筋截面鋼筋混凝土梁:僅在梁的受拉區(qū)配置縱向受拉鋼筋的梁計算項目計算內容結構極限狀態(tài)設計狀況1正截面抗彎承載力計算承載能力極限狀態(tài)持久狀況2斜截面抗剪承載力計算3混凝土最大裂縫寬度驗算正常使用極限狀態(tài)持久狀況4最大撓度驗算5截面強度驗算承載能力極限狀態(tài)短暫狀況鋼筋混凝土梁應進行的基本計算項目表表4-14.1矩形截面梁的鋼筋布置與構造在鋼筋混凝土梁中，起著各種作用的、不同規(guī)格形狀和尺寸的鋼筋之間，采用鍍鋅鐵絲綁扎而成的鋼筋骨架稱為綁扎鋼筋骨架。鋼筋是按設計規(guī)定位置綁扎形成的、具有一定剛度的鋼筋空間骨架，保證在梁澆筑混凝土施工全過程中保持各鋼筋位置和防止某些鋼筋走形。4.1矩形截面梁的鋼筋布置與構造彎起鋼筋，將一部分縱向鋼筋彎起至梁上部并滿足在混凝土中錨固長度要求的鋼筋，彎起鋼筋的斜線段承受由梁中剪力引起的拉力?？v向受拉鋼筋，指沿梁的縱向（跨度方向）布置、承受梁截面彎矩引起的拉力的鋼筋。

梁綁扎鋼筋骨架的主要鋼筋14.1矩形截面梁的鋼筋布置與構造箍筋除了幫助混凝土抗剪外,在構造上起著固定縱向受力鋼筋位置的作用,并與縱向受力鋼筋、架立鋼筋等組成骨架。箍筋，是沿梁縱軸方向按一定間距配置并箍住縱向受力鋼筋和架立鋼筋等的橫向鋼筋。

梁綁扎鋼筋骨架的主要鋼筋14.1矩形截面梁的鋼筋布置與構造架立鋼筋是為構成鋼筋骨架用而附加設置的縱向鋼筋，它基本上不受力而只起鋼筋骨架形成的架立構造作用，一般是沿梁長度方向通長的直線鋼筋。除了以上四種鋼筋之外，梁中還會根據(jù)設計需要設置一些構造鋼筋，例如水平縱向鋼筋（詳見學習模塊5），還有用于梁吊裝、安裝用的吊鉤以及一些鋼預埋件的錨固鋼筋等，它們都會與鋼筋骨架牢固連接（綁扎或焊接）。

梁綁扎鋼筋骨架的主要鋼筋14.1矩形截面梁的鋼筋布置與構造A縱向受拉鋼筋的混凝土保護層厚度c縱向受拉鋼筋的混凝土保護層厚度混凝土保護層厚度是鋼筋混凝土構件耐久性和鋼筋與混凝土之間的粘結力的保證前提，鋼筋外必須要有足夠厚度的混凝土層，其厚度一般取鋼筋邊緣至構件截面表面之間的最短距離。箍筋的混凝土保護層厚度梁縱向受拉鋼筋鋼筋布置的構造要求24.1矩形截面梁的鋼筋布置與構造行業(yè)標準《公路橋規(guī)》（JTG3362－2018）規(guī)定:普通鋼筋的混凝土保護層厚度應不小于鋼筋的公稱直徑，同時最外側鋼筋的混凝土保護層厚度應不小于最小厚度規(guī)定值cmin（表4-2）。4.1矩形截面梁的鋼筋布置與構造設計時應該先找到截面上的最外側鋼筋。圖中顯然最外側鋼筋是箍筋，無論是對截面的下表面還是側面，箍筋的混凝土保護層厚度應取:c2