工程结构教案

课程名称 授课班级 14道桥 2015 年 3 月 10 日 工程结构 2015 年 3 月 11 日 2015 年 3 月 12日 授课时间 第 1 周 第5、6 节 第 1周 第5、6 节 第 1 周 第3、4 节 绪 论 教学内容 一、本课程的性质、任务以及与其他课程的关系 二、各种工程结构的特点及使用范围 三、课程特点和学习方法 1. 钢筋混凝土结构 2. 预应力混凝土结构 3. 砌体结构 教学目的 教学重点 钢筋混凝土结构与预应力混凝土结构 教学难点 预应力混凝土结构 授课方法 教学用具 复习提问 课后作业 课堂讲解、视频演示 多媒体 实训 本次课主要介绍本课程的性质、任务以及与其他课程的关系、各种工程结构的特点及使用范围及课程特点和学习方法 课后小结

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教 案 内 容 绪 论 一、 本课程的性质、任务及其他课程的关系 构件分类： 受弯构件（梁和板）、受压构件、受拉构 件、受扭构件。 研究内容：受弯构件、受压构件。 结构： 桥梁和道路构造物中承受荷载和传递荷载的各个部件。 研究对象：桥梁结构中板、横梁、拱、索等基本构件。 任务：研究如何正确处理荷载与承载能力之间的关系。 承载能力：设计基本构件时，要求构件本身必须具有一定的抵抗变形的能力。 与构件材料性质、几何形状、截面尺寸、受力特点、工作条件、构造特点及施工质量等有关。 与其他课程的关系：本课程是一门重要的技术基础课。 在学习《材料力学》、《道路材料》等课程的基础上，结合实际桥梁工程来研究结构构件设计的一门学科。 二、各种工程的特点及使用范围 1、钢筋混凝土结构 （1） 组 成: 由钢筋和混凝土结合成一体，共同发挥作用。 混凝土：抗压强度很高，但抗拉强度很低。 钢 筋：抗拉和抗压强度均很高。 （2）钢筋混凝土结构广泛用于桥梁、隧道、地下结构、房屋建筑、水利、港口等工程中。 由于混凝土抗拉强度低，受拉区一般都存在裂缝，那么对裂缝宽度的限制，使其截面尺寸偏大，相应自重较大。 （3） 共同工作的目的 充分发挥两种材料的强度优势，取长补短。 钢筋混凝土梁如何共同工作  开裂前：受拉区的拉力由钢筋和混凝土共同承担。  开裂后：受拉钢筋承担大了部分拉力，继续承担荷载，直至屈服强度，受压混凝土压碎，梁破坏。 衡水职业技术学院教案附页

教 案 内 容 （4）简略分析钢结构优点、缺点 2、预应力混凝土结构 概念：配置预应力钢筋和普通钢筋，再经过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土结构。 优点：构件本身截面尺寸减小、自重减轻、适用于恒载占比重大的大跨径桥梁。可用于海洋环境和防渗透要求的结构。 缺点：单价高、施工工艺要求高 3、砌体结构 （1）砌体结构的组成 砌体结构是用砖、石或砌块， 用砂浆等胶结材料砌筑的结构。 （2）优点 1）取材方便，造价低廉； 2）具有良好的耐火性及耐久性； 3）具有良好的保温、隔热、隔音性能，节能效好； 4）施工简单，技术容易掌握和普及，也不需要特殊的设备。 缺点：自重大，强度低，整体性差，砌筑劳动强度大。 在公路与桥梁工程中，多用于中小跨径的拱桥、桥墩（台）、挡土墙、涵洞和道路护坡等工程中。 三 、本课程特点和学习方法 1、特点 1）半理论、半经验性 2）设计的多方案性 2、学习方法 1）重视构造要求 2）重视实践和规范应用

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课程名称 授课班级 14道桥 2015 年 3 月 17 日 工程结构 2015 年 3 月 18 日 2015 年 3 月 19 日 授课时间 第 2 周 第5、6 节 第 2周 第5、6 节 第 2 周 第3、4 节 项目一 钢筋混凝土结构的基本概念和材料的物理力学性能 教学内容 任务一 钢筋混凝土结构的基本概念及特点 任务二 混凝土 任务三 钢筋 1.理解钢筋混凝土结构的基本概念及特点，掌握混凝土及钢筋的物理力学性能及主要强度指标，理解混凝土及钢筋在工程实际当中的应用。 2.钢筋与混凝土中间的粘结及相互影响 混凝土及钢筋的物理力学性能及主要强度指标，理解混凝土及钢筋在工程实际当中的应用。 钢筋与混凝土中间的粘结及相互影响 教学目的 教学重点 教学难点 授课方法 教学用具 复习提问 课后作业 课堂讲解、视频演示 多媒体 课后复习思考题P17 主要介绍钢筋混凝土结构的基本概念及特点，掌握混凝土及钢筋的物理力学性能及主要强度指标，理解混凝土及钢筋在工程实际当中的应用。钢筋与混凝土中间的粘结及相互影响。 课后小结

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教 案 内 容 项目一 钢筋混凝土结构的基本概念和材料的物理力学性能 任务一 钢筋混凝土结构的基本概念及特点 一、 钢筋混凝土结构的基本概念 一、定义：由两种力学性能完全不同的材料---钢筋和混凝土结合成整体，共同发挥作用的一种建筑材料。 混凝土的基本特性：抗压强度高，抗拉强度低。一般抗拉强度只有抗压强度的1/8～1/20。破坏时具有明显的脆性性质。 混凝土有良好的抗压强度，适用于承压为主的构件，如柱和拱。另一方面，混凝土是一种脆性材料、抗拉强度远低于抗压强度，故素混凝土不适用于制作完全受拉或部分截面受拉的结构构件。 素混凝土梁与钢筋混凝土梁的对比 极限状态：素砼梁：无明显变形，开裂即破坏 钢筋砼梁：有明显变形，钢筋屈服，砼压碎 承载能力：素砼梁：取决于混凝土的抗拉，低 钢筋砼梁：取决于钢筋抗拉和砼抗压强度，高 抗裂能力：配筋后略有增加，但不显著（后附素混凝土梁例子） 共同工作的基础，因为：两者之间存在较好的传递应力的能力，粘结力；两种材料的温度线膨胀系数相近；混凝土对钢筋的保护，抗火和耐久性提高。 2、钢筋混凝土结构的特点 主要优点：1）就地取材；2）耐久性好；3）整体性好；4）可模性好；5）耐火性好。 主要缺点：1）自重大；2）抗裂性能差；3）现浇结构模板用量大；4）工期长等等。 衡水职业技术学院教案附页

教 案 内 容 任务二 混凝土 一、 混凝土的强度 混凝土重要的力学性能-----混凝土强度，对安全性和耐久性有直接的影响。 定义：指混凝土材料达到破坏或开裂极限状态时所能够承受的压力。 相关因素：材料的组成、养护条件及龄期、受力状态等 1.混凝土的抗压强度 1）立方体抗压强度 我国规定用立方体抗压强度作为混凝土强度的基本指标。新修订《桥规》中规定 以边长为150的立方体试件，按标准方法制作，在标准 的环境里养护28d，采用标准试验方法进行加压，取具有95％保证率时得出的抗压强度作为混凝土强度的等级标准，称为立方体抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。 《混凝土结构设计规范》规定混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值fcu,k确定。 混凝土强度C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N /mm2。其中，C50～C80属高强度混凝土范畴。 实际工程中如采用200mm或100mm的立方体试块，测得的立方体抗压强度分别诚意换算系数1.05和0.95。 公路桥涵受力构件的混凝土强度等级选择规定： （1）钢筋混凝土构件不应低于从C20，当采用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于C25。 （2）预应力混凝土构件不应低于C40. 2）轴心抗压强度 《混凝土结构设计规范》规定以150mm×150mm×300mm的棱柱体试件试验测得的具有95％保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck或fc表示。 混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。 衡水职业技术学院教案附页

教 案 内 容 《混凝土结构设计规范》规定以上述棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示，下标c表示受压，k表示标准值。 2.混凝土的轴心抗拉强度ft ft是钢筋混凝土及预应力混凝土构件的抗裂度和裂缝宽度及构件斜截面强度时的主要强度指标。 测试方法用浇注成型的100mm*100mm*500mm的立方体试块，通过预埋在试件轴线两端的钢筋，对试件施加压力，试件破坏时即为混凝土轴心抗拉强度。 抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，其标准值用ftk表示，下标t表示受拉，k表示标准值。混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定。 3.混凝土强度标准值与设计值 二、 混凝土的变形性能 混凝土变形的分类 荷载作用下的受力变形 体积变形 混凝土在一次短期加载、长期加载和多次重复荷载作用下都会产生变形，这类变形称为受力变形。另外，混凝土的收缩以及温度和湿度变化也会产生变形，这类变形称为体积变形。混凝土的变形是其重要物理力学性能之一。 1.混凝土的受力变形 混凝土在一次短期荷载作用下应力—应变关系 混凝土在长期荷载作用下的变形—徐变 混凝土在荷载长期作用下，应力不变，其应变随时间的增长而继续增长的现象 缺点：徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。 优点：徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。 注意：与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。 衡水职业技术学院教案附页

教 案 内 容 影响因素 内在因素：是混凝土的组成和配比。 1）水灰比：（应力不变）水灰比越大，徐变越大； 2）水泥用量：若水灰比不变，水泥用量越多，徐变越大； 3）骨料弹性性质：骨料越坚硬，骨料(aggregate)的刚度 （弹性模量）越大，体积比越大，水泥的徐变约束作用越大； 4）骨料级配：级配越好，徐变越小； (4)混凝土的变形模量 1)混凝土的弹性模量（即原点模量） 2)混凝土的变形模量 3)混凝土的切线模量 可以看出，混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土应力的增大而减小。 需要注意的是，混凝土不是弹性材料，所以不能用已知的混凝土应变乘以规范中所给的弹性模量值去求混凝土的应力。只有当混凝土应力很低时，它的弹性模量与变形模量值才近似相等。混凝土的弹性模量可按下式计算： 4. 混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。 混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。一般情况下，最终收缩应变值约为（2~5）×10-4 ， 混凝土开裂应变为（0.5~2.7）×10-4 。 影响混凝土收缩的因素有： (1)水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大。 (2)水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大。 (3)骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。 衡水职业技术学院教案附页

教 案 内 容 (4)养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小。 (5)混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。 (6)使用环境： 使用环境温度、湿度大时，收缩小。 (7)构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。

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教 案 内 容 任务三 钢筋 课程引导 钢筋时建筑工程中不可或缺的重要建筑材料。钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构对钢筋的要求是：具有较高的强度，塑性变形能力，良好的加工工艺性能，与混凝土有较高的粘结力。 1.钢筋品种 按化学成分碳素钢和普通低合金钢 按加工方法分热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋和钢丝。 《桥规》中推荐热轧钢筋、碳素钢丝和精轧螺纹钢筋三大类 （1） 热轧钢筋 热轧钢筋是低碳钢、普通合金钢在高温状态下轧制而成。 热轧钢筋按外形分光圆钢筋和带肋钢筋。 光圆钢筋（级别）：HPB235、HPB300（一级钢筋） 带肋钢筋（级别）：HRB335 HRBF335（二级钢筋） HRB400 HRBF400（三级钢筋） RRB400 HRB500 HRBF500（四级钢筋）等 RRB是余处理钢筋，指热轧后立即穿水，进行表面控制冷却，然后利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢筋。 （2） 钢丝 碳素钢丝又称高强度钢丝 按外形分光面钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝。 光面钢丝：以多根钢丝组成钢丝束或多根钢丝扭结成钢绞线应用实际工程中。 钢绞线有二股、三股、七股 螺旋肋钢丝和刻痕钢丝：应用于先张法预应力混凝土结构中。 （3）精轧螺纹钢筋 用于中小跨径的预应力混凝土桥梁构件 （4）冷加工钢筋 冷拉钢筋 指在常温下将热轧钢筋通过强力拉伸，使应力超过屈服强度而进入强化阶段，而 衡水职业技术学院教案附页

教 案 内 容 后卸荷所得到的钢筋。 冷拉后的钢筋可以除锈、调直，提高屈服强度，塑性下降。 冷拔钢筋 将热轧钢筋通过硬质合金冷拔模，经过几次强行冷拔而成的钢筋。 抗拉强度和抗压强度提高，塑性降低。 以钢丝束的形式作为预应力钢筋。 冷轧带肋钢筋 指普通低碳钢和低合金钢在常温下轧制而成的表面带有肋文的钢筋。 强度高、伸长率降低。 冷轧带肋钢筋型号：CRB550 CRB650 CRB800和CRB970. CRB500用于现浇混凝土板或梁、柱箍筋 其余三个用于中小型预应力混凝土构件。 公路混凝土桥涵的钢筋按以下规定采用： 1）钢筋混凝土及预应力混凝土构件中的普通钢筋选用：热轧HPB235 HRB335 HRB400和KL400钢筋，预应力混凝土构件中的箍筋应选用其中的带肋钢筋 按构造要求配置的钢筋网可采用冷轧带肋钢筋。 2）预应力混凝土构件中的预应力钢筋应选用钢绞线、钢丝；中、小型构件或竖横向预应力钢筋，也可选用精轧螺纹钢筋 二、钢筋的强度和变形 1.钢筋的应力～应变关系 （1）有明显屈服点钢筋 左图可知：应力达到a点之前，应力与应变成正比 比，a点对应的应力称比例极限，Oa段位弹性阶段 阶段，当应力超过比例极限后，应变比应力增加 加的快，表现钢筋的塑性性质。当应力达到 B点时，应力即使不增加，应变也继续增加，材料 材料产生塑性变形，直到c点，称钢筋屈服，b点的应力称钢筋的屈服强度，bc称“屈服台阶”，到达d点，钢筋应力达到

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教 案 内 容 极限抗拉强度，过d点以后出现断裂，e点对应的是钢筋的伸长率，de为破坏阶段。 无明显屈服点钢筋 工程上习惯称“硬钢” 当应力超过比例极限以后，虽然钢筋表现出塑性性质 但应力和应变仍然持续增加，直到达到极限抗拉强度 强度高，塑性较差。 工程设计中，常取残余应变为0.2％所对应的应力0.2 б0.2为无明显屈服点钢筋强度标准，称条件屈服强度。 《混凝土规范》规定σ0.2=0.85σb（σb为无明显屈服点的钢筋的极限抗拉强度） 2、钢筋的塑性 钢筋塑性性能以伸长率和冷弯性能来衡量钢筋的塑性 伸长率指钢筋试件上标距为10d或5d范围内的极限伸长率，伸长率越大，塑性越好。 冷弯是将直径为d的钢筋围绕某个规定直径D的辊轴弯曲成一定角度，钢筋无裂纹、鳞落或断裂现象。 衡水职业技术学院教案附页

教 案 内 容 3.钢筋的松弛与疲劳 松弛： 钢筋受力后在保持长度不变的情况下，应力随时间的增长而逐渐降低的现象。 预应力混凝土结构中，预应力钢筋张拉后长度基本保持不变，将产生松弛现象，引起应力损失。 疲劳： 钢筋在多次重复荷载作用下，发生脆性突然断裂的现象。 《桥规》给出的钢筋松弛损失中间值和终极值的比值 钢筋的松弛与时间关系 时间 2 比值 0.5 10 0.61 20 0.74 30 0.87 40 1.0 松弛与初始应力、温度和钢筋品种等因素有关 目前我国生产的高强钢丝和钢绞线按其生产工艺不同分为Ⅰ级松弛和Ⅱ级松弛。 4、钢筋的热处理 指将特定强度的热轧钢筋再通过加热、淬火、回火等调制工艺处理的钢筋。 强度提高，塑性降低不多。 热处理钢筋属于无明显屈服点钢筋，伸长率小，质地脆硬。有40Si2,Mn、48Si2 Mn、 45Si2Cr 5.钢筋的标准强度和设计强度（见教材表） 三、 钢筋的接头、弯钩和弯折 钢筋接头形式：焊接接头、绑扎接头和机械连接接头。 1）焊接接头 闪光接触对焊和电弧搭接焊。 闪光焊是将两根钢筋安放成对接形式，利用电阻热使接触点金属融化，产生强烈飞溅，形成闪光迅速施加顶锻力完成的，质量高，加工简单。 电弧搭接焊是以焊条作为一级，钢筋为另一极，利用焊接电流通过产生的电弧热进行焊接的一种熔焊方法。 衡水职业技术学院教案附页

教 案 内 容 钢筋电弧焊可采用搭接焊和帮条焊两种形式。 电弧焊一般采用双面焊缝（不应小于5d），困难时采用单面焊缝（不应小于10d）。 2）机械连接接头 《桥规》推荐采用套筒挤压接头和镦粗直螺纹接头 1）套筒挤压接头 将两根待连接的带肋钢筋用刚套筒作为连接体，套于钢筋端部，使用挤压设备沿筒径向挤压，是套筒产生塑性变形，使变形的套筒与钢筋紧密结合为一个整体。 适用于直径为14-16mm的HRB335和HRB400带肋钢筋。 2）镦粗直螺纹接头 将钢筋的连接端先行镦粗，再加工出圆柱螺纹，并用连接套筒连接的钢筋接头。 适用于直径为18-40mm的HRB335和HRB400钢筋的连接。 3）绑扎接头 《桥规》对绑扎接头应用范围、搭接长度及接头布置如下： 钢筋种类 R235 HRB335 混凝土强度等级 C20 35d 45d C25 30d 40d 50d ＞C25 25d 35d 45d HRB400、KL400 55d 绑扎接头的钢筋直径不宜大于28mm，轴心受压和偏心受压钢筋，不大于32mm。轴心受拉和小偏心受拉构件不得采用绑扎接头。 2.钢筋的弯钩和弯折 为了防止钢筋在混凝土中的滑动，对于承受拉力的光面钢筋、需在端头设置半圆弯钩；受压的光面钢筋可不设弯钩。 弯钩的内侧弯曲直径D不宜过小，对光面钢筋D一般不大于2.5d；带肋钢筋D一般应大于4-5d，在弯折处钢筋内侧弯曲直径D不得小于20d。 衡水职业技术学院教案附页

教 案 内 容 钢筋端部的“弯钩”是钢筋锚固的需要；钢筋端部的“弯折”实际上是钢筋端部的“直钩”，常用在柱子插入基础的下端部分，是为了便于将它绑扎在基础底面的钢筋网上。 任务四 钢筋与混凝土的特性 一、 钢筋与混凝土的黏结力 1、钢筋与混凝土的粘结力及其影响因素 粘结力的组成 化学胶结力 ：混凝土再结硬过程中，水泥胶体与钢筋之间产生吸附胶结作用，混凝土的强度越高，胶结力越大。 摩擦力 ：混凝土的收缩使钢筋周围的混凝土包裹在钢筋上，当钢筋与混凝土之间出现相对滑动的趋势时，使接触面上将产生摩擦力。 机械咬合力 ：由于钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合作用，变形钢筋的机械咬合力远大于光面钢筋的机械咬合力。 2、保证钢筋与混凝土粘结的措施 （1）选用适宜的钢筋混凝土等级。 （2）多采用带肋钢筋，对光圆钢筋应在钢筋末端加弯钩。 （3）钢筋周围的混凝土应有足够的厚度。保证粘结力的传递。 （4）设置一定数量的横向钢筋。 （5）保证受力钢筋具有足够的锚固长度。 锚固长度：混凝土结构中，钢筋若要发挥在某个控制面的强度，必须 纵向受力钢筋伸过其受力截面一定长度，利用该长度上的钢筋与混凝土的粘结作用把钢筋锚固在混凝土中，称锚固长度。 具体钢筋的最小锚固长度见教材公式。 二、 钢筋混凝土的收缩 混凝土中有钢筋存在时，则混凝土不能自由收缩，因此钢筋混凝土的收缩变形要比混凝土小。 混凝土收缩时，受到钢筋的阻碍，本身受到拉力。引起两者之间的初应力。 对较长的钢筋混凝土结构应用伸缩缝断开。

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教 案 内 容 桥梁伸缩缝是为了满足桥面变形的要求，通常在梁的两端之间，梁端与桥台之间或桥梁的铰接位置设置伸缩缝，要求伸缩缝在平衡、垂直于桥梁轴线方向上均能自由伸缩，牢固可靠，车辆行驶时应平顺，无噪声，防止雨水、垃圾、泥土渗入阻塞。 三、钢筋混凝土的徐变 钢筋的存在大大减少了混凝土的徐变。 在受力的钢筋混凝土结构中，徐变将引起钢筋和混凝土应力重分布。 由于钢筋会阻碍混凝土硬化时的自由收缩，在混凝土中会引起拉应力，在钢筋中产生压应力，混凝土的徐变会在受压构件中引起钢筋与混凝土的应力重分布，在受弯构件中挠度增大，在超静定结构中引起内力重分布。