建筑力学-第五讲-受弯构件新-课件.ppt
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- 建筑 力学 第五 构件 课件
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1、第五讲受弯构件5.1 受弯构件受弯构件内力计算回顾内力计算回顾5.2 钢筋混凝土受弯构件的一般构造规定钢筋混凝土受弯构件的一般构造规定5.3 受弯构件正截面的破坏形式受弯构件正截面的破坏形式5.4 单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算5.5 双筋矩形截面受弯构件简介双筋矩形截面受弯构件简介5.6 T形截面受弯构件简介形截面受弯构件简介5.7 受弯构件斜截面承载力计算受弯构件斜截面承载力计算5.1 受弯构件的内力受弯构件的内力杆件在纵向平面内受到力偶或垂直于杆轴线的横向力作用时,杆件的轴线将由直线变成曲线,这种变形称为弯曲。实际上,杆件在荷载作用下产生弯曲变形
2、时,往往还伴随有其他变形。我们把以弯曲变形为主的构件称为受弯构件。梁和板,如房屋建筑中的楼(屋)面梁、楼(屋)面板、雨篷板、挑檐板、挑梁等是工程实际中典型的受弯构件,如图5.1所示。5.1.1 慨述慨述实际工程中常见的梁,其横截面往往具有竖向对称轴(图3.2(a)、(b)、(c),它与梁轴线所构成的平面称为纵向对称平面(图3.2(d)。若作用在梁上的所有外力(包括荷载和支座反力)和外力偶都位于纵向对称平面内,则梁变形时,其轴线将变成该纵向对称平面内的一条平面曲线,这样的弯曲称为平面弯曲。按支座情况不同,工程中的单跨静定梁分为悬臂梁、简支梁和外伸梁三类。在梁的计算简图中,梁用其轴线表示,梁上荷载
3、简化为作用在轴线上的集中荷载或分布荷载,支座则是其对梁的约束,简化为可动铰支座、固定铰支座或固定端支座。梁相邻两支座间的距离称为梁的跨度。悬臂梁、简支梁、外伸梁的计算简图如图5.3所示。图5.1 受弯构件举例 图5.2 梁横截面的竖向对称轴及梁的纵向对称平面(a)、(b)、(c)梁横截面的竖向对称轴;(d)梁的纵向对称平面 图5.3 单跨静定梁的计算简图(a)悬臂梁;(b)简支梁;(c)、(d)外伸梁 图5.4(a)为一平面弯曲梁。现用一假想平面将梁沿m-m截面处切成左、右两段。现考察左段(图5.4(b)。由平衡条件可知,切开处应有竖向力V和约束力偶M。若取右段分析,由作用与反作用关系可知,截
4、面上竖向力V和约束力偶M的指向如图5.4(c)。V是与横截面相切的竖向分布内力系的合力,称为剪力;M是垂直于横截面的合力偶矩,称为弯矩。5.1.2 梁的内力梁的内力剪力和弯矩的计算剪力和弯矩的计算 5.1.2.1 剪力和弯矩的概念剪力和弯矩的概念 剪力的单位为牛顿(N)或千牛顿(kN);弯矩的单位是牛顿米(Nm)或千牛米(kNm)。剪力和弯矩的正负规定如下:剪力使所取脱离体有顺时针方向转动趋势时为正,反之为负(图5.5(a)、(b);弯矩使所取脱离体产生上部受压、下部受拉的弯曲变形时为正,反之为负(图5.5(c)、(d)。图5.4 梁的内力 图5.5 剪力、弯矩的正负规定(a)、(b)剪力的正
5、负规定;(c)、(d)弯矩的正负规定 用截面法计算指定截面剪力和弯矩的步骤如下:(1)计算支反力;(2)用假想截面在需要求内力处将梁切成两段,取其中一段为研究对象;(3)画出研究对象的受力图,截面上未知剪力和弯矩均按正向假设;(4)建立平衡方程,求解内力。5.1.2.2 截面法计算剪力和弯矩截面法计算剪力和弯矩【例5.1】如图5.6(a)所示简支梁,F1F28kN,试求1-1截面的剪力和弯矩。【解】(1)求支座反力以AB梁为研究对象,假设支座反力FA和FB如图5.6所示。由MA0得:2F15F28FB0FB=(2F+5F2)/8=(28+58)/8=7kN由Fy0得:FA+FBF1F20FA=
6、F1+F2-FB=8+8-7=9kN(2)求截面1-1的内力取1-1截面以左的梁段为研究对象,假设剪力V和弯矩M如图5.6(b)(按正向假设)。由Fy0得:FAF1V0VF1FA-891kN由MA0得:M2F14V0M2F1+4V284120kNm计算结果V、M均为正值,说明其实际方向与所设方向相同。图5.6 例5.1图5.2 钢筋混凝土受弯构件的一般构造规定钢筋混凝土受弯构件的一般构造规定现浇板的厚度h取10mm为模数,同时必须满足现浇板的最小厚度。如下表所示:5.2.1 板的构造规定板的构造规定5.2.1.1 截面尺寸截面尺寸单向板 双向板 屋面板/民用建筑楼板工业建筑楼板车道下楼板60
7、708080 板中通常配置受力钢筋和分布钢筋。板中受力钢筋沿板的跨度方向在受拉区布置;分布钢筋布置在受力钢筋的内侧,并与受力钢筋垂直,交点处用细铁丝绑扎或焊接,共同形成钢筋网片。见图5.5所示。板中受力钢筋承担由弯矩产生的拉力。板中分布钢筋的作用是固定受力钢筋的正确位置,抵抗混凝土因温度变化及收缩产生的拉应力,将板上的荷载有效地传到受力钢筋上去。5.2.1.2 板的配筋板的配筋图5.5板的配筋 1.模数要求 为了统一模板尺寸和便于施工,梁的截面尺寸应符合模数要求。当梁高h800mm时,h为50mm的倍数,当h800mm时,为100mm的倍数。当梁宽b250mm时,b为50mm的倍数;当梁宽b2
8、50mm时,梁宽可取b=120mm、150mm、180mm、200mm、220mm。5.2.2 梁的构造规定梁的构造规定5.2.2.1 梁的截面尺寸梁的截面尺寸2.梁的高跨比梁截面高度h按高跨比h/l估算。梁的高跨比h/l按下表采用,表中l0为梁的计算跨度。当l0大于等于9米时,表中数值宜乘以1.2。不需作挠度计算梁的截面高跨比参考值不需作挠度计算梁的截面高跨比参考值 项次构件种类简支两端连续悬臂 1整体肋形梁 次梁主梁 l0/20l0/12 l0/25l0/15 l0/8l0/6 2独立梁 l0/12l0/15l0/63.梁截面的高宽比梁截面的高宽比按下列比值范围选用,并应符合模数:矩形截面
9、时:h/b=2.03.5;T形截面时:h/b=2.54.0。确定截面尺寸时宜先根据高跨比初选截面高度h,然后根据高宽比初选截面宽度b,最后由模数要求确定截面尺寸。5.3 受弯构件正截面的破坏形式受弯构件正截面的破坏形式受弯构件以梁为试验研究对象。试验表明:同样的截面尺寸、跨度和同样材料强度的梁,由于配筋量的不同,会发生本质不同的破坏。如图5.10所示。受弯构件的截面配筋率是指纵向受拉钢筋截面面积与截面有效面积的百分比,用表示=As/(bh0)以单筋矩形界面为例介绍少筋梁、适筋梁和超筋梁。当构件的配筋太少时,构件不但承载能力很低,而且受拉边一旦开裂,裂缝就急速向上扩展,裂缝截面处的拉力全部由钢筋
10、承担,钢筋数量较少,此时钢筋由于突然增大的应力而屈服,构件亦即发生破坏(图5.10(a))。此种破坏的特点是“一裂即坏”,无明显的预兆,属于脆性破坏。5.3.1.1 少筋梁少筋梁当构件的配筋不是太少但也不是太多(大于最小配筋率)时,构件的破坏首先是由于受拉区纵向受拉钢筋屈服,然后受压区混凝土被压碎,构件即告破坏,钢筋和混凝土的强度都能得到充分利用。此种破坏在构件破坏前有明显的塑性变形和裂缝预兆,破坏不是突然发生的,属于塑性破坏(图5.10(b)。5.3.1.2 适筋梁适筋梁当构件的配筋太多(大于最大配筋率)时,构件的破坏特征发生质的变化。截面受压边缘的混凝土在受拉钢筋尚未达到屈服强度前就被压碎
11、,构件被破坏。这种破坏在破坏前虽然有一定的变形和裂缝预兆,但不明显,而且当混凝土压碎时,破坏突然发生,钢筋的强度得不到充分利用,破坏具有脆性性质,这种破坏称为超筋破坏(图5.10(c))。5.3.1.3 超筋梁超筋梁图5.10配筋不同的梁的破坏(a)少筋梁;(b)适筋梁;(c)超筋梁 当荷载很小时,截面上的弯矩很小,应力与应变成正比,截面的应力分布呈直线(图5.11(a)),这种受力阶段称为第阶段,也可称为弹性阶段。当荷载增大到某一数值时,受拉区边缘的混凝土达到其实际的抗拉强度ft和抗拉极限应变值t。截面处在要开裂而又未开裂的临界状态(图5.11(b)),这种受力状态称为第a阶段。5.3.2
12、适筋梁受力的三阶段适筋梁受力的三阶段5.3.2.1 第第 阶段阶段截面开裂前的阶段截面开裂前的阶段 截面受力超过a阶段后,受拉区混凝土开裂,截面上应力发生重分布,裂缝处混凝土不再承担拉应力,退出工作,钢筋的拉应力突然增大,受压区混凝土出现明显的塑性变形,应力图形呈曲线(图5.11(c),这种受力阶段称为第阶段。荷载继续增加,裂缝进一步开展上移,钢筋和混凝土的应力不断增大。当荷载增加到某一特定数值时,受拉区纵向受拉钢筋开始屈服,钢筋应力达到其屈服强度(图5.11(d)),这种特定的受力状态称为第a阶段。5.3.2.2 第第阶段阶段从截面开裂到受拉区纵从截面开裂到受拉区纵向受力钢筋开始屈服的阶段向
13、受力钢筋开始屈服的阶段受拉纵向钢筋屈服后,截面的承载能力无明显的提高,但塑性变形急速发展,裂缝迅速开展并且向受压区延伸,受压区面积减小,受压区混凝土压应力迅速增大(图5.11(e)),这种截面的受力状态称为第阶段。在荷载几乎不再增加的情况下,裂缝进一步急剧开展,受压区混凝土出现极明显的塑性性质,当受压区边缘的混凝土达到极限压应变时,出现水平裂缝,混凝土被完全压碎,截面发生破坏(图5.11(f)。这种特定的受力状态称为第a阶段。5.3.2.3第第阶段阶段破坏阶段破坏阶段 图5.11钢筋混凝土梁的三个阶段 5.4 单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算只在截面的受
14、拉区配有纵向受力钢筋的矩形截面,称为单筋矩形截面,见图5.12所示。钢筋混凝土受弯构件的正截面承载力计算,应以适筋梁第a阶段为依据。图5.12单筋矩形截面 5.4.1 计算基本假定计算基本假定为了简化计算,根据试验分析结果,规范规定,受弯构件正截面承载力应按下列基本假定进行计算:(1)梁弯曲变形后正截面应变仍保持平面;(2)不考虑受拉区混凝土参加工作;(3)采用理想化的混凝土图形(如图5.13);(4)纵向钢筋的应力取钢筋应变与其弹性模量的乘积,但其绝对值不应大于其相应的强度设计值。图5.13理想的混凝土曲线 5.4.2 等效矩形应力图形等效矩形应力图形受弯构件正截面承载力是以适筋梁第a状态及
15、其图形作为依据的。根据上面的基本假定,为了计算方便,规范规定,受弯构件、偏心受力构件正截面受压区混凝土的应力图形可简化为等效的矩形应力图形。简化原则是:压应力合力大小相等,合力作用位置不变。经折算,矩形应力图形的混凝土受压区高度x=1x0,x0为实际受压区高度,1为系数。受弯构件正截面应力图见图5.14所示。图5.14受弯构件正截面应力图(a)横截面;(b)实际应力图;(c)等效应力图;(d)计算截面 在计算梁板受弯构件承载力时,因受拉区混凝土开裂后拉力完全由钢筋承担,这时梁能发挥作用的截面高度,应为受拉钢筋截面形心至受压边缘的距离,称为截面有效高度h0。根据上述钢筋净距和混凝土保护层最小厚度
16、的规定,并考虑到梁、板常用的钢筋直径,室内正常环境梁板的截面有效高度h0和梁板的高度h有以下关系:对于梁:h0=h-35mm(一排钢筋)或 h0h-60mm(二排钢筋)对于板:h0h-20mm 截面有效高度截面有效高度受弯构件正截面承载力的计算,就是要求由荷载设计值在构件内产生的弯矩,小于或等于按材料强度设计值计算得出的构件受弯承载力设计值。图5.15所示为单筋矩形截面受弯构件计算图形。由于截面在破坏前的一瞬间处于静力平衡状态,由平衡条件得出其承载力基本计算公式:X=0,1fcbx=fyAsMs=0,MMu=1fcbx(h0-x/2)Mc=0,MMu=fyAs(h0-x/2)5.4.3 基本公
17、式及适用条件基本公式及适用条件5.4.3.1 基本公式基本公式 上式中:M 为弯矩设计值;fc 为混凝土轴心抗压设计值;fy 为钢筋抗拉强度设计值;x 为混凝土受压区高度。为受压区混凝土等效矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值当混凝土强度等级小于等于C50时,其值取1.01图5.15 单筋矩形截面受弯构件计算图形 基本计算公式是以适筋梁第a状态的静力平衡条件得出的,只适用于适筋构件的计算。在应用公式时,一定要保证防止超筋破坏和少筋破坏。(1)为防止超筋破坏,应符合的条件为:b,b为相对界限受压区高度或xbh0,x为相对受压区高度。5.4.3.2 基本公式的适用条件基本公式的适用条
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