2025年《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》期末考試參考答案一、簡答題1.簡述混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中“強柱弱梁”抗震設(shè)計原則的內(nèi)涵及實現(xiàn)措施?！皬娭趿骸痹瓌t要求在地震作用下，框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸優(yōu)先出現(xiàn)在梁端而非柱端，以避免形成柱鉸機制導致結(jié)構(gòu)整體倒塌。其內(nèi)涵包括：通過調(diào)整梁柱的抗彎承載力，使柱端實際抗彎能力大于梁端，確保塑性鉸在梁端發(fā)展；控制柱的軸壓比，避免柱因軸壓過大發(fā)生脆性破壞；保證柱的延性，使其在大變形下仍能維持承載力。實現(xiàn)措施主要有：①按“強柱弱梁”調(diào)整系數(shù)增大柱端彎矩設(shè)計值，考慮地震作用組合時，柱端彎矩設(shè)計值取1.2～1.5倍的梁端彎矩之和（一級至四級框架）；②限制柱的軸壓比，一級框架柱軸壓比不大于0.6（剪跨比≥2時），隨抗震等級降低逐步放寬；③加強柱的箍筋配置，采用復合箍筋或螺旋箍筋約束混凝土，提高柱的延性；④控制梁的跨高比，避免短梁（跨高比＜4）因剪切破壞提前失效，確保梁以彎曲破壞為主。2.說明鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力的組成及影響粘結(jié)強度的主要因素。粘結(jié)力由三部分組成：①化學膠結(jié)力，混凝土硬化過程中水泥膠體與鋼筋表面的化學吸附作用，主要在無滑移階段起作用；②摩擦力，混凝土收縮后對鋼筋產(chǎn)生的徑向壓力與鋼筋表面粗糙程度引起的摩擦力，當膠結(jié)力破壞后成為主要粘結(jié)力；③機械咬合力，變形鋼筋的肋與混凝土之間的機械咬合作用，是變形鋼筋粘結(jié)力的主要來源（光圓鋼筋無此部分）。影響粘結(jié)強度的因素包括：鋼筋表面特征（變形鋼筋＞光圓鋼筋）、混凝土強度（強度越高，膠結(jié)力和咬合力越大）、保護層厚度（保護層過薄易發(fā)生劈裂破壞）、鋼筋間距（間距過小導致粘結(jié)應(yīng)力重疊，降低有效粘結(jié)）、橫向配筋（箍筋約束可限制劈裂裂縫發(fā)展，提高粘結(jié)強度）、澆筑位置（水平鋼筋頂部混凝土因泌水、收縮易形成薄弱層，粘結(jié)強度降低10%～20%）。3.試述混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的主要內(nèi)容及環(huán)境類別劃分依據(jù)。耐久性設(shè)計需保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限內(nèi)，在環(huán)境作用下不發(fā)生影響正常使用的劣化。主要內(nèi)容包括：①確定結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別（Ⅰ～Ⅴ類，依次為一般環(huán)境、凍融環(huán)境、海洋氯化物環(huán)境、除冰鹽等其他氯化物環(huán)境、化學腐蝕環(huán)境）；②根據(jù)環(huán)境類別和設(shè)計使用年限，確定混凝土材料的最低強度等級（如Ⅰ類環(huán)境50年設(shè)計使用年限時，混凝土強度等級≥C25）、最大水膠比（Ⅰ類環(huán)境≤0.55）、最小膠凝材料用量（≥280kg/m3）；③規(guī)定鋼筋的混凝土保護層最小厚度（如梁、柱在Ⅰ類環(huán)境中，C30混凝土時保護層厚度為20mm，環(huán)境類別提高時厚度增大）；④采取防裂措施（控制裂縫寬度，Ⅰ類環(huán)境中普通構(gòu)件最大裂縫寬度限制為0.3mm）；⑤對特殊環(huán)境（如凍融環(huán)境），要求混凝土抗凍等級（≥F50）、含氣量（4%～5%）等指標。環(huán)境類別劃分依據(jù)主要是環(huán)境中的侵蝕介質(zhì)類型及作用程度，例如海洋氯化物環(huán)境（Ⅲ類）指長期受海水噴霧、潮汐區(qū)或浪濺區(qū)影響的環(huán)境；除冰鹽環(huán)境（Ⅳ類）指使用除冰鹽的道路、橋梁等結(jié)構(gòu)。二、計算題1.某單跨簡支梁，計算跨度l0=6m，截面尺寸b×h=250mm×500mm，混凝土采用C30（fc=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2），鋼筋采用HRB400（fy=360N/mm2），梁承受均布恒載標準值gk=12kN/m（含自重），均布活載標準值qk=8kN/m，安全等級二級（γ0=1.0），環(huán)境類別Ⅰ類（保護層厚度c=20mm，as=35mm）。按承載能力極限狀態(tài)計算梁的縱向受拉鋼筋面積As（不考慮受壓鋼筋）。解：（1）荷載組合：γG=1.2，γQ=1.4，設(shè)計值q=1.2×12+1.4×8=14.4+11.2=25.6kN/m跨中最大彎矩設(shè)計值M=γ0×(q×l02)/8=1.0×(25.6×62)/8=1.0×(25.6×36)/8=115.2kN·m（2）截面有效高度h0=h-as=500-35=465mm（3）計算系數(shù)αs：αs=M/(α1fcbh02)，C30混凝土α1=1.0αs=115.2×10^6/(1.0×14.3×250×4652)=115200000/(1.0×14.3×250×216225)=115200000/(774,348,750)≈0.1488（4）求ξ和γs：ξ=1-√(1-2αs)=1-√(1-2×0.1488)=1-√(0.7024)=1-0.838=0.162ξ＜ξb=0.518（HRB400鋼筋，ξb=0.518），屬適筋破壞（5）計算受拉鋼筋面積As：As=α1fcbh0ξ/fy=1.0×14.3×250×465×0.162/360先計算分子部分：14.3×250=3575；3575×465=1,662,375；1,662,375×0.162≈269,304.75As=269,304.75/360≈748mm2（6）驗算最小配筋率：ρmin=max(0.2%,0.45ft/fy)=max(0.2%,0.45×1.43/360)=max(0.2%,0.179%)=0.2%ρ=As/(bh0)=748/(250×465)=748/116,250≈0.643%＞0.2%，滿足要求（7）選用鋼筋：選用2Φ22（As=760mm2），或3Φ18（As=763mm2），均滿足計算要求且鋼筋間距≥25mm（2Φ22時，間距=250-2×20-22=168mm＞25mm）。2.某鋼筋混凝土軸心受壓柱，截面尺寸b×h=400mm×400mm，計算長度l0=5.2m，混凝土C35（fc=16.7N/mm2），鋼筋采用HRB400（fy’=360N/mm2），柱承受軸向壓力設(shè)計值N=3200kN，安全等級二級（γ0=1.0）。求柱的縱向受壓鋼筋面積As’（不考慮穩(wěn)定系數(shù)影響時需補充驗算）。解：（1）計算穩(wěn)定系數(shù)φ：長細比λ=l0/b=5200/400=13，查《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》表6.2.15，φ=0.93（λ=13時，φ=0.93）（2）軸心受壓構(gòu)件正截面承載力公式：N≤0.9φ(fcA+fy’As’)其中A=b×h=400×400=160,000mm2（3）代入數(shù)據(jù)求As’：3200×10^3≤0.9×0.93×(16.7×160,000+360As’)右側(cè)=0.837×(2,672,000+360As’)=2,236,160+301.32As’整理得：3200,000≤2,236,160+301.32As’301.32As’≥3200,0002,236,160=963,840As’≥963,840/301.32≈3199mm2（4）驗算最小配筋率：ρmin’=0.6%（軸心受壓柱），最小配筋面積=0.6%×160,000=960mm2＜3199mm2，滿足（5）驗算最大配筋率：ρmax’=5%（5%×160,000=8000mm2＞3199mm2），滿足（6）鋼筋選擇：選用8Φ25（As’=8×490.9=3927mm2），鋼筋間距=400-2×20-25×2=400-40-50=310mm（每邊2根，間距310/1=310mm＞200mm？需調(diào)整），或選用10Φ22（As’=10×380.1=3801mm2），每邊2根時，間距=400-2×20-22×2=400-40-44=316mm，仍＞200mm；改用每邊3根，如12Φ20（As’=12×314.2=3770mm2），每邊3根時，間距=(400-2×20-20×3)/2=(400-40-60)/2=300/2=150mm≤200mm，滿足構(gòu)造要求。三、分析題某多層框架結(jié)構(gòu)，底層中柱在罕遇地震作用下出現(xiàn)柱端受拉破壞，而梁端未出現(xiàn)明顯塑性鉸。結(jié)合“強柱弱梁”設(shè)計原則，分析可能的原因及改進措施?？赡茉颍海?）柱端彎矩設(shè)計值調(diào)整不足：設(shè)計時未按抗震等級要求充分放大柱端彎矩（如一級框架柱未取1.5倍梁端彎矩之和），導致柱端實際抗彎承載力小于梁端，地震時柱先于梁屈服。（2）柱軸壓比過高：高軸壓比使柱的延性降低，混凝土受壓區(qū)易發(fā)生脆性破壞，即使彎矩設(shè)計值滿足，也可能因軸力過大導致柱端受拉破壞。（3）梁端配筋超配：施工中梁端實際配筋大于計算值（如為提高安全儲備增加鋼筋），導致梁端實際抗彎承載力高于設(shè)計值，而柱端按原設(shè)計配筋，造成“強梁弱柱”反轉(zhuǎn)。（4）柱縱筋配置不合理：柱縱筋過少或直徑過大（大直徑鋼筋延性差），導致柱受拉時鋼筋過早屈服或斷裂，無法形成塑性鉸。（5）節(jié)點核心區(qū)抗剪不足：節(jié)點區(qū)箍筋配置不足，地震時節(jié)點破壞導致柱端約束減弱，間接引發(fā)柱端破壞。改進措施：（1）嚴格執(zhí)行“強柱弱梁”調(diào)整系數(shù)：根據(jù)抗震等級，一級框架柱端彎矩設(shè)計值取1.5倍梁端彎矩之和，二級取1.3倍，確保柱端抗彎承載力大于梁端。（2）控制柱軸壓比：對一級框架柱，軸壓比限值由0.6（剪跨比≥2）降至0.5（剪跨比＜2），采用高強混凝土（如C50）或鋼管混凝土柱降低軸壓比。（3）限制梁端超配筋：設(shè)計時考慮鋼筋強度超強系數(shù)（如HRB400鋼筋取1.25），將梁端實際抗彎承載力計入調(diào)整，避免梁端“超強”。（4）優(yōu)化柱配筋：采用小直徑、多根數(shù)縱筋（如Φ20～Φ25），提