结构设计原理 2018 年秋季 西安交通大学航天航空学院 刘益伦教一楼东 405 yilunliu@mail.xjtu.edu.cn 2018 年 9-12 月
考核规章与答疑安排 平时成绩 ( 平时作业 + 大作业 ): 40% 期终考试 : 60% 答疑时间与地点 : 教一楼东 405 课件下载 : http://gr.xjtu.edu.cn/web/yilunliu/teaching1
参考教材 指定教材 : 叶见曙, 结构设计原理 ( 第三版 ), 人民交通出版社,2014 辅助参考书 : 夏志斌, 姚谏编著, 钢结构 原理与设计, 中国建筑工业出版社, 2011 王松岩, 焦红编著, 钢结构设计与应用实例, 中国建筑工业出版社, 2007 林同炎, 伯恩斯, 预应力混凝土结构设计, 北京 : 中国铁道出版社, 1983 李润培, 王志农, 海洋平台强度分析, 上海交通大学出版社,1992 S.P. Timoshenko, J.M. Gere, Theory of Elastic Stability. Second Edition, Mc Graw Hill Book Company. Inc. 1961. 中国大学慕课精品课程,https://www.icourse163.org/
绪论 : 重点 : 0.1 工程结构的基本概念 0.2 各种工程结构介绍 0.3 超材料 ( 超结构 ) 介绍 0.4 结构设计重要性 0.5 本课程的特点及学习方法
0.1 工程结构的基本概念 结构 : 构造物的承重骨架组成部分统称为结构 ; 结构是由不同种类的基本构件连接组成的 ; 是进行构造物力学建模分析时必须考虑的部分 例如 : 桥梁的桥跨 墩台和基础就构成了桥梁的结构, 是桥梁的承重体系 ; 通常, 桥跨为桥梁的上部结构, 桥墩或桥台为桥梁的下部结构
0.1 工程结构的基本概念 结构中的基本构件类型 受力 形式 受弯构件 横向受力 受压构件 纵向受压 受拉构件 纵向受拉 受扭构件 空间受力
受弯构件
受压构件
受拉构件
受扭构件
绪论 : 重点 : 0.1 工程结构的基本概念 0.2 各种工程结构介绍 0.3 超材料 ( 超结构 ) 介绍 0.4 结构设计重要性 0.5 本课程的特点及学习方法
0.2 各类工程结构介绍 材料 钢筋混凝土结构 圬工结构 钢结构 木结构
0.2.1 钢筋混凝土结构 组成材料 : 由混凝土和钢筋两种材料组成 ; 混凝土 : 抗压强度较高, 抗拉强度很低 ; 钢筋 : 抗拉 抗压强度均很高 优缺点 : 优点 : 取材经济 可模性好, 整体性 耐久性较好, 适于中 小跨梁, 桥梁墩柱 挡土墙等 ; 缺点 : 自重较大 抗裂性较差 修补困难
0.2.1 钢筋混凝土结构
0.2.2 预应力混凝土结构 组成材料 : 由高强钢筋和高强混凝土两种材料组成 ; 高强混凝土 : 抗压强度高, 抗拉强度很低 ; 高强钢筋 : 抗拉性能优异 ; 优缺点 : 优点 : 具有钢筋混凝土结构的优点, 且自重更轻 抗裂性好, 适于中 大跨梁, 便于装配施工缺点 : 工序较多, 施工技术要求较高
0.2.3 钢结构 组成材料 : 用型钢和钢板为主制作的结构 ; 钢材 : 组织均匀, 弹性模量高, 可靠性高 ; 优缺点 : 优点 : 基本构件可在工厂成型, 机械化程度和施工效率高 ; 钢结构广泛应用于大跨径的钢桥 城市人行天桥 高层建筑 钢屋架等 缺点 : 抗腐蚀性较差
0.2.3 钢结构
0.2.4 圬工结构 组成材料 : 用胶结材料将砖 天然石料等块材按照一定规则砌筑而成的整体结构, 是指除钢筋混凝土 预应力混凝土 钢结构以外, 由纯混凝土或砖石砌体材料建筑的 优缺点 : 优点 : 便于就地取材 造价低, 耐久性能好 ; 适用于中小跨径的拱桥 桥墩 桥台 挡土墙 涵洞 道路护坡 ; 缺点 : 自重大, 质量不易控制, 抗震性能差
0.2.4 圬工结构赵州桥
0.2.5 钢管混凝土结构 钢管混凝土 : 将混凝土注入钢管内的一种组合结构, 在混凝土受压时, 因钢管约束增强强度及延性, 同时也提高钢管受压的稳定性
四川旺苍 115 米东河桥下承式钢管混凝土预应力系杆拱桥 总结 : 钢管不仅起纵筋的作用, 而且对混凝土起螺旋箍筋的作用, 以提高构件的承载能力 在施工阶段, 钢管起着劲性骨架的作用
0.2.6 钢骨混凝土结构 由型钢和混凝土组成的一种组合结构
0.2.6 钢骨混凝土结构 和钢筋混凝土结构相比 : 1 构件的承载力大为提高 2 实腹式钢骨的钢骨混凝土构件, 受剪承载力有很大提高, 大大改善了结构的抗震性能 3 钢骨架本身具有一定的承载力, 可以利用它承受施工阶段的荷载, 并可将模板悬挂在钢骨架上, 省去支撑, 这有利于加快施工速度, 缩短施工周期
0.2.7 FRP- 混凝土结构 纤维复合材料 (Fiber Reinforced Polymer) 是把高性能的纤维经过编织与环氧树脂等基材胶合凝固或经过高温固化而形成的一种新型复合材料 按形式可以分为布 板材 棒材等
0.2.7 FRP- 混凝土结构
0.2.7 FRP- 混凝土结构
FRP 布 0.2.7 FRP- 混凝土结构
0.2.7 FRP- 混凝土结构 FRP 棒材 可以分为 FRP 筋和 FRP 格栅
0.2.7 FRP- 混凝土结构 FRP 材料以其轻质 高强 耐久和抗腐蚀等优越性能成为建筑工程中一种新型的结构材料 目前主要有两种应用方式 : 1 对结构材料的修复与加固; 2 替换钢筋或钢管直接应用于新建结构中
0.3 超材料 ( 郑捷提供 ) 结构 尺寸越来越小, 精度越来越高 材料 1 2 1. 各组分的材料行为 2. 结构行为 微观 宏观 特殊的宏观材料属性 超材料 [1] Alderson, Andrew, et al. (2010). Composites Science and Technology. [2] Baggetto, Loic; Danilov, et. al. (2011). Advanced Materials.
负泊松比 静态超材料 负热膨胀率 1 2 1 [1] Sigmund, et al. (1999). [2] M., Milton, et.el. (2013). Physics
动态超材料隐身衣概念光波隐身衣地震波隐身衣 ( 电磁波 ) 1 2 3 声波隐身衣 4 声波负折射 5 [1] Pendry et al. science, 2006 [2] Chen H, et al. Nature communications (2013) [3] Guenneau et al. Springer Netherlands (2013). [4] Zhang S et al. Physical Review Letters, 2011 [5] Xie Y, et al. arxiv (2014).
弹性波超材料设计 六边形手性结构 弹性波偏折 利用优化算法, 通过改变每根梁的几何和材料属性, 进行材料设计, 实现特殊的宏观材料属性 用经过设计的超材料替代原本正常的材料 弹性波经过超材料后发生了纵向的偏折
绪论 : 重点 : 0.1 工程结构的基本概念 0.2 各种工程结构介绍 0.3 超材料 ( 超结构 ) 介绍 0.4 结构设计重要性 0.5 本课程的特点及学习方法
结构设计应考虑的主要因素有 : 符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求, 安全因素, 公众和使用者的审美需求, 使用者的个性化需要, 对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命等 无论在哪一类用途的结构设计中, 安全都是至关重要的因素
结构设计 (1) 技术的角度主要有 : 技术先进 安全可靠 耐久适用 经济合理 (2) 美学的角度主要有 : 文化寓意与传达, 公众认可的美学原则, 反映的时代 民族 习俗方面的特征 结构的个性特征等
绪论 : 重点 : 0.1 工程结构的基本概念 0.2 各种工程结构介绍 0.3 超材料 ( 超结构 ) 介绍 0.4 结构设计重要性 0.5 本课程的特点及学习方法
0.5.1 课程特点 1 结构设计原理 是结构工程专业主要的专业技术基础课 ; 2 是一门关键的学位课程; 3 是报考结构工程硕士研究生的考试课程; 4 该课程的实践性强( 包含课程设计 ), 实用性强, 与该专业的毕业设计有着很大的联系 ; 5 今后报考 注册结构工程师 的一门难度较大的科目
0.5.2 课程学习要点 1 衔接基础课和专业课的桥梁 材料力学 结构力学 建筑材料 结构设计原理 桥梁工程 2 半理论半经验性材料强度和变形规律 半理论半经验性构件破坏过程和机理 半理论半经验性
0.5.2 课程学习要点 3 公式的使用限制条件性和范围性 同样的构件, 在不同构造条件和使用范围下采用不同的计算公式 4 主要内容研究对象 : 桥涵结构中梁 柱 拉杆等基本构件研究内容 : 材料选择 构件选型 尺寸拟定 构造布置 方案比较以及承载力和变形验算复核等遵循原则 : 技术先进 安全可靠 耐久适用 经济合理
由于材料的复杂性, 所以对钢筋混凝土结构的基本计算理论的研究也很复杂, 很多问题尚未从理论上得到解决 因此理论上的力学分析不是本课程分析问题的唯一方法, 相当一部分内容来自于试验或工程经验等 所以目前在基本构件的计算公式中有相当一部分是根据试验获得的半经验半理论公式, 要注意它们的适用范围和条件
注意构造规定 ( 措施 ) 计算只是结构设计的手段之一, 但并不是所有问题都能通过计算来解决, 因此提出了很多构造规定 ( 措施 ) 如保证施工便利 保证结构的实际工作尽可能与计算假定相符 避免发生不希望的破坏形态等等, 是长期科学试验和工程经验的总结 注意不必死记硬背具体构造规定, 但应注意弄懂其中的道理, 知道有这些构造规定 计算与构造同样重要! 公路桥涵设计通用规范 (JTG D60-2004) 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 (JTG D62-2004) 公路圬工桥涵设计规范 (JTG D61-2005) 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 (JTG 025-86)
本课程是一门结构设计课程, 实践性很强, 与当前规范和结构设计理论有紧密的联 学习时应注意多熟悉相关规范标准 对于结构设计, 结果并不唯一, 任何一项设计都有多种方案可以选择 应经过方案比较, 综合考虑使用 材料 造价 施工等方面确定最终结果
结构设计原理的学习方法 : 做到 : 知其然, 更要知其所以然 理论 : 理解 部分记忆 基本概念 基本公式 构造要求 理论公式 半经验半理论 / 经验公式 理解 知道其存在 在一定假定 ( 简化 ) 下, 由理论推导 ( 简单的受力分析, 建立平衡条件 ) 而得理解 记忆 熟练掌 握 ( 能自己推导 ) 部分通过理论, 部分通过实验数据的回归, 或完全通过实验理解 熟练掌握 ( 会用 ) 实践 : 结合作业等环节, 具有运用理论知识正确进行结构设计和解决实际问题的能力 ;
思考题 : 从力学角度列举身边优秀或者不好的结构设计案例, 为什么?