《结构设计原理》自学任务书.docx

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《结构设计原理》自学任务书

《结构设计原理》自学任务书

铁道工程专升本用

姜兰潮编

一、课程的性质、地位和作用及先修课

《结构设计原理》是土木工程专业（铁道工程方向）的学位课程、主干课程，是专业基础必修课。

本课程是铁道工程专业技术基础课。

主要任务是通过学习本课程，使学生在全面了解和掌握课程有关知识的基础上，能够初步掌握各种基本构件的受力性能及其强度、变形的规律，并能根据有关设计规范和资料进行构件的设计，为学习续专业课程、毕业设计和今后工作奠定基础。

先修课程：

《材料力学》、《结构力学》

教材：

《结构设计原理》（上、下册）黄棠等编，中国铁道出版社

二、课程的内容、学习要求和自学时数

本课程主要讲述钢筋混凝土结构、预应力钢筋混凝土结构、砖、石及混凝土、钢结构等基本构件的设计计算原理、方法以及构造。

第一章概述（自学时数：

2，第1周完成）

1、主要内容

本章首先介绍钢筋混凝土结构的基本概念，然后结合其发展历史及现状介绍了钢筋混凝土结构的特点及应用；最后重点介绍材料的力学性能（包括强度和变形性能）以及材料的品种和级别。

2、学习要求

1）了解常用结构的分类、特点及使用范围以及在国内外的发展历史及现状;

2）了解本课程相关的设计规范、标准和规程;

3）掌握钢筋混凝土结构的基本概念；

4）熟悉混凝土的强度、弹性模量、变形模量的概念；

5）熟悉混凝土徐变、收缩的概念；

6）熟悉钢筋的品种和级别，了解钢筋的冷加工性能及混凝土结构对钢筋的要求；

7）掌握钢筋与混凝土的协同工作的原理及构造要求。

2.1.3思考题和作业

1）混凝土的标号（或强度等级）是如何划分的？

2）如何确定混凝土的弹性模量？

3）什么是徐变？

主要有哪些影响因素？

4）什么是混凝土的收缩？

收缩对构件有哪些不利影响？

5）钢筋有哪些种类？

6）如何增强钢筋与混凝土的粘结锚固能力？

7）规范为什么要规定混凝土的保护层厚度和钢筋的净间距？

第二章受弯构件强度和变形计算（自学时数：

12，第2-4周完成）

1、主要内容

本章首先介绍了受弯构件在弯矩作用下的受力性能，在此基础上介绍了受弯构件抗弯强度的计算原理，之后重点介绍了三种常用的计算类型，即单筋矩形截面梁、双筋矩形截面梁以及T形截面梁的抗弯强度的计算；还介绍了受弯构件的另一主要计算内容，即抗剪强度计算，在分析了受弯构件在剪应力下的受力性能之后，介绍了两种抗剪钢筋的设计计算方法；最后叙述了受弯构件的裂缝和挠度的概念及计算方法。

2、学习要求

1）了解受弯构件的截面型式与构造；

2）理解受弯构件正截面受力全过程和破坏特征；

3）掌握单筋矩形截面强度的计算方法；

4）理解受弯构件斜截面受力特点和破坏形态；

5）掌握受弯构件斜截面承载能力的影响因素；

6）掌握受弯构件斜截面的计算内容及有关构造要求；

7）熟悉规范对钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形的规定。

8）掌握受弯构件的裂缝和挠度验算。

3、思考题和作业

1）什么叫单筋梁？

什么叫双筋梁？

2）梁内主要有哪些钢筋，其作用分别是什么？

3）受弯构件的破坏形态有哪些？

4）什么是配筋率，如何计算？

5）受弯构件的抗弯强度计算有哪些基本假定？

6）解释换算截面的概念。

7）根据配筋率的大小，所设计的梁如何划分？

8）设计梁的腹筋时，如何根据剪应力图布置斜筋？

9）梁的弯矩包络图和材料图应满足什么关系，才能保证各截面的抗弯要求？

10）一简支梁，跨度６米，承受均布荷载14KN/m2，混凝土标号150，A3钢筋，试按单筋截面设计该梁的截面及配筋。

11）梁内产生裂缝的主要原因有哪些？

有哪些措施可以改善？

第三章受压构件的计算（自学时数：

8，第5-6周完成）

1、主要内容

　　本章在轴心受压构件受力性能的基础上，介绍了轴心受压箍筋柱的构造与计算方法；然后介绍了偏心受压构件的分类和受力性能，并针对大、小偏心两种问题介绍了构件的设计计算。

2、学习要求

1）了解纵向钢筋和箍筋的作用；

2）理解轴心受力构件的受力性能和破坏形态；

3）掌握轴心受压构件和轴心受拉构件的强度计算方法。

4）掌握偏心受压构件正截面受力特点和破坏形态；

5）了解偏心受压和偏心受拉构件的强度计算方法。

3、思考题和作业

1）柱中纵向钢筋和箍筋分别有何作用？

2）怎样计算轴心受拉构件的正截面承载力？

3）偏心受压构件如何分类？

其破坏特点分别是怎样的？

4）如何判别大、小偏心受压构件？

5）已知一现浇柱，截面尺寸为220×280ｍｍ，计算长度为4米，轴心压力为608KN，混凝土为200号，钢筋为A3，进行配筋设计。

第四章极限状态设计法（自学时数：

6，第7-8周完成）

1、主要内容

本章介绍了目前工程结构中常用的两种设计计算方法，及其主要区别；进而引入了极限状态和可靠度的概念；之后按照极限状态设计方法介绍了受弯构件的抗弯和抗剪强度计算以及偏心受力构件的强度计算。

2、学习要求

1）掌握半概率法的概念；

2）理解极限状态设计表达式的含义；

3）掌握材料的强度设计值及荷载效应组合的应用；

4）了解《桥规》中的主要术语和符号的含义；

5）掌握受弯构件和偏心受压构件按极限状态设计法的计算。

3、思考题和作业

1）如何划分结构的极限状态？

2）解释可靠度的概念。

3）如何防止将受弯构件设计成少筋梁和超筋梁？

4）T形截面梁如何划分第一、二类截面？

5）双筋矩形截面梁正截面承载力计算时为什么要引入ｘ≥２ａ＇的条件？

6）受弯构件正截面计算时，压区混凝土的不均匀应力分布以等效矩形应力图形代替，其换算条件有哪些？

7）钢筋混凝土受弯构件正截面破坏形态可能有哪些？

8）已知混凝土等级为C15，钢筋等级为I级，

=8.5Mpa,fy=fy’=210Mpa,a=40mm，a’=35mm,

=0.614,梁截面尺寸为b⨯h=200⨯400mm，受拉钢筋

，

受压钢筋

，

，试计算该梁承受的最大弯矩。

第五章预应力混凝土结构（自学时数：

6，第9-10周完成）

1、主要内容

本章介绍了预应力混凝土结构的基本概念（包括预应力、预应力损失、预应力的施加方法等）、结构对材料的性能要求以及各项预应力损失的计算及影响因素；并详细介绍预应力混凝土受弯构件的各种强度计算、挠度计算以及设计要点。

2、学习要求

1）熟悉预应力的概念；

2）掌握预加应力的方法，了解预加应力的设备；

3）掌握预应力混凝土结构对材料的性能要求；

4）掌握预加应力的计算与预应力损失的分类；

5）掌握有效预应力的计算；

6）了解预应力混凝土受弯构件的应力计算、强度计算及端部锚固区计算；

7）了解变形计算；

3、思考题和作业

1）什么是预应力混凝土结构？

2）预应力的施加方法有哪些？

3）为什么预应力混凝土结构可以提高抗裂度？

4）什么是张拉控制应力，为什么不能太大也不能太小？

5）预应力损失主要有哪几项？

如何取值？

6）有效预应力如何计算？

7）一后张法预应力砼轴拉构件，张拉控制应力

其锚具变形引起的预应力损失为22.5Mpa，孔道摩擦损失为21.42Mpa，砼的收缩徐变损失为70.79Mpa，计算其第一批预应力损失，并计算预加应力阶段钢束的有效预应力的大小。

第六章混凝土与石结构（自学时数：

1，第11周完成）

1、主要内容

本章介绍了混凝土与石结构的基本概念与相关的材料及其力学性能；介绍了混凝土与石结构的设计计算的原则和方法。

2.6.2学习要求

1）了解砌体结构的基本砌筑方式、破坏过程和砌体的强度与变形；

2）初步掌握砌体受压构件承载力计算原则及估算方法。

3、思考题和作业

1）什么是砌体？

2）常见的砌体材料有哪些？

3）砂浆的力学性能指标主要有哪些？

4）受压构件的计算主要有哪些内容？

第七章钢结构概述（自学时数：

1，第11周完成）

1、主要内容

本章通过低碳钢标准圆棒试件一次单向均匀拉伸试验及其他试验，介绍了钢材的基本力学性能及其影响因素；据此介绍了钢材的几种破坏形式，并重点介绍了钢材疲劳的相关概念及计算方法；还对工程中经常使用的钢材从种类和规格方面进行了介绍。

2、学习要求

1）掌握钢材在单向均匀拉伸作用下的工作性能及其主要性能指标；

2）了解钢材的两种破坏形式及其特点和影响因素；

3）理解疲劳破坏机理，掌握疲劳验算的方法；

4）了解钢材性能的影响因素；

5）了解钢材的种类及牌号情况，熟悉常用钢材和型钢类型、规格和表示方法；

6）掌握钢材的选用原则；

7）熟悉钢材的强度值的采用。

3、思考题和作业

1）名词解释；钢材的疲劳、塑性、韧性、应力集中、脆性断裂

2）钢材有哪些力学性能？

分别用什么指标来衡量？

3）钢结构设计时钢材假定是什么材料？

4）影响钢材性能的主要因素有哪些？

5）影响钢材疲劳强度的因素有哪些？

6）钢材发生疲劳破坏的条件有哪些？

7）疲劳计算时，计算应力幅和容许应力幅分别是如何得到的？

第八章钢结构的连接（自学时数：

10，第12-13周完成）

1、主要内容

本章介绍了常用的连接方法及其受力特点和应用情况；重点介绍焊缝连接（包括对接焊缝、贴角焊缝）、普通螺栓连接和高强度螺栓连接以及铆钉连接的构造、受力性能及计算方法。

简要介绍了焊接残余应力和残余变形的产生、种类和分布情况以及相应的工程措施。

2、学习要求

1）了解钢结构的常用连接方法；

2）了解钢结构中主要采用的焊接方法；

3）掌握对接焊缝和贴角焊缝的表示符号、构造要求、受力性能；

4）掌握对接焊缝连接的设计计算方法；

5）充分理解在各种复杂外力作用下焊缝的应力分布特点；

6）了解焊接残余应力和残余变形的产生、种类和分布；

7）掌握螺栓和螺栓连接的种类、排列、构造要求，高强度螺栓的强度等级、螺栓预拉力和构件接触面处理等技术要求；

8）理解普通螺栓和高强度螺栓在受力时的工作性能和破坏特点；

9）掌握摩擦型高强度螺栓连接的设计计算方法；

3、思考题和作业

1）焊缝计算时计算长度如何取值？

2）焊缝计算有哪些计算假定？

3）焊接残余应力产生的原因是什么？

4）减少焊接残余应力和残余变形的措施有哪些？

5）对于受剪型连接，摩擦型高强度螺栓连接与普通螺栓连接工作原理有

什么不同？

6）普通螺栓受剪型连接有哪几种破坏形式？

哪些需要计算保证？

哪些需

要构造保证？

7）摩擦型高强度螺栓连接正常工作时，螺栓本身是否存在疲劳问题？

为

什么？

8）什么叫内力法？

什么叫等强度法？

9）如下图所示，用Ｍ２０的普通螺栓连接的双盖板拼接接头，结构钢材为16Mnq。

试计算连接所能承受的最大轴心力设计值N。

已知：

d=20mm，d0=21.5mm，

=90N/mm2,，

=220N/mm2，

=200N/mm2

10）如下图所示，假定竖向力完全由支托承受，牛腿下的支托与柱用角焊缝连接，钢材16Mn，手工焊，焊条T50系列，焊缝质量级别三级，试设计此托板尺寸L，已知

=120MPa。

第九章轴心受力构件（自学时数：

6，第14周完成）

1、主要内容

本章叙述了轴心受力构件的类型、截面种类及其工程应用情况；介绍了轴心拉杆和压杆的计算内容，重点介绍压杆的整体稳定和局部稳定问题及其计算方法；进而介绍了实腹式压杆和格构式压杆的设计方法。

2、学习要求

1）了解轴心受力构件的受力性能；

2）熟练掌握轴心受力构件的常用截面形式及构件强度和刚度计算方法；

3）掌握轴心受压构件整体稳定的概念、计算及提高整体稳定性的措施；

4）掌握实腹式轴心受压构件的设计方法；

5）了解格构式轴心受压构件的设计方法；

3、思考题和作业

1）概念：

压杆的整体稳定性、压杆的局部稳定性、格构式压杆的换算长细比

2）为什么要限制拉杆的长细比以保证其刚度？

3）实际轴心压杆与理想轴心压杆有哪些区别？

4）影响压杆整体稳定承载力的因素主要有哪些？

5）压杆局部稳定承载力的验算原则是什么？

6）格构式轴心压杆为什么采用换算长细比验算绕虚轴的总体稳定性？

7）验算下图所示轴心压杆的刚度和总体稳定性是否满足？

已知N=-60KN，构件长3000mm,构件截面2L140x10,A=54.8cm2,ix=4.34cm,iy=5.98cm,钢材Q235,

=140MPa。

λ

60

70

80

90

100

110

φ1

0.772

0.713

0.651

0.583

0.521

0.469

第十章受弯构件及偏心受力构件（自学时数：

4，第15-16周完成）

1、主要内容

本章叙述了受弯构件（梁）的类型、截面种类及其工程应用情况；介绍了受弯构件的计算内容，重点介绍受弯构件的静力强度、整体稳定和局部稳定问题及其计算方法；进而介绍了型钢梁和组合梁的设计方法以及梁的拼接、连接的设计计算。

在介绍拉弯和压弯构件的应用及破坏形式之后，根据拉弯和压弯构件的设计内容和步骤，分别介绍了拉弯和压弯构件的强度、刚度、压弯构件的弯矩作用平面内的整体稳定、弯矩作用平面外的整体稳定以及局部稳定的基本概念和设计计算公式，最后重点介绍压弯构件的设计步骤。

2、学习要求

1）掌握受弯构件强度、刚度的概念及计算方法；

2）掌握受弯构件整体稳定的概念及计算方法；

3）掌握受弯构件局部稳定的概念及计算方法；

4）掌握钢板梁的设计要点；

5）了解提高组合梁整体稳定和局部稳定的措施。

6）了解偏心受力构件的应用及破坏形式；

7）掌握偏心受力构件的设计内容和步骤。

8）理解压弯构件的弯矩作用平面内的整体稳定、弯矩作用平面外的整体稳定以及局部稳定的基本概念和设计计算公式的含义。

3、思考题和作业

1）梁的计算内容主要包括哪些方面？

2）为防止梁发生总体失稳，可采取什么措施？

3）工字形截面组合梁的截面高度由哪些条件控制？

5）压弯构件的计算内容主要包括哪些？

6）梁计算总体稳定时，容许应力折减系数是如何计算的？

7）某焊接工字形截面梁，跨度5.75米，截面尺寸为1290×240×12×24，钢材为１６Mnq，跨中截面最大弯矩1510KN·m，梁端剪力805KN，试对该梁进行强度验算。

三、考试（考核）的形式及要求，考试题型及给分标准

1、形式：

考试为闭卷。

2、要求：

考试卷面100分，占总评成绩的85%，平时成绩占总评成绩的15%。

3、题型

概念题70分（其中包括填空、简答），计算题30分。

四、需说明的问题

为了便于对本课程的理解，建议学生在自学过程中，到相关的钢结构工程工地参观。

附：

部分习题答案

2.4.3（8）解：

2.8.3（9）解：

1）螺栓所能承受的最大轴心力设计值：

kN

kN

kN

2）钢板净截面积：

A1=（b-n1d0）t=（310-3x21.5）x14=3437mm2

mm2

3）盖板净截面积：

A3=（310-4x21.5）x16=3584mm2

则由钢板净截面积确定的轴心力为N=3437x200=687.4kN

4）综合考虑连接的承载力为Nmax=621.72kN

2.8.3（10）解：

解得L=307.6mm>180mm