结构设计原理
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2023年3月17日发(作者：气瓶使用安全管理规范)第五章结构设计原理
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[例5-1]某钢筋混凝土矩形截面简支梁，两端支承在砖墙上，净跨度l
n
=3660mm
（例图5-1）；截面尺寸b×h=200mm×500mm。该梁承受均布荷载，其中恒荷
载标准值g
k
=25kN/m（包括自重），荷载分项系数γG
=1.2，活荷载标准q
k
=38kN/m，
荷载分项系数γ
Q
=1.4；混凝土强度等级为C20（f
c
=9.6N/mm2,f
t
=1.1N/mm2）；箍
筋为HPB235钢筋（f
yv
=210N/mm2），按正截面受弯承载力计算已选配HRB335
钢筋3Φ25为纵向受力钢筋（f
y
=300N/mm2）。试根据斜截面受剪承载力要求确
定腹筋。
例图5-1
[解]取a
s
=35mm,h0=h-a
s
=500-35=465mm
1．计算截面的确定和剪力设计值计算
支座边缘处剪力最大，故应选择该截面进行抗剪配筋计算。γ
G
=1.2，γ
Q
=1.4，该
截面的剪力设计值为：
2．复核梁截面尺寸
h
w
=h0=465mm
h
w
/b=465/200=2.3＜4，属一般梁。
第五章结构设计原理
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截面尺寸满足要求。
3．验算可否按构造配箍筋
应按计算配置腹筋，且应验算ρ
sv
≥ρ
sv,min
。
4．腹筋计算
配置腹筋有两种办法：一种是只配箍筋，另一种是配置箍筋兼配弯起钢筋；一般
都是优先选择箍筋。下面分述两种方法，以便于读者掌握。
（1）仅配箍筋：
选用双肢箍筋φ8@130，则
满足计算要求与表5-2、5-3的构造要求。
也可这样计算：选用双肢箍φ8，则A
sv1
=50.3mm2,可求得：
取s=130mm箍筋沿梁长均布置（例图5-2a）。
（2）配置箍筋兼配弯起钢筋：
按表5-2与表5-3要求，选φ6@200双肢箍，则
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由式（5-9）与式（5-6），取
则有
选用1Φ25纵筋作弯起钢筋，A
sb
=491mm2，满足计算要求。
按图5-14的规定，核算是否需要第二排弯起钢筋：
取s
1
=200mm，弯起钢筋水平投影长度s
b
=h-50=450mm，则截面2-2的剪力可由
相似三角形关系求得：
故不需要第二排弯起钢筋。其配筋如例图5-2b所示。
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例图5-2
[本例题完]
[例5-2]某钢筋混凝土矩形截面简支梁承受荷载设计值如例图5-3所示。其中集
中荷载F=92kN，均布荷载g+q=7.5kN/m（包括自重）。梁截面尺寸
b×h=250mm×600mm，配有纵筋425，混凝土强度等级为C25，箍筋为I级钢
筋，试求所需箍筋数量并绘配筋图。
例图5-3
[解]
1．已知条件
混凝土C25：f
c
=11.9N/mm2，f
t
=1.27N/mm2
HPB235钢箍：fyv
=210N/mm2
取a
s
=40mm，h0=h-a
s
=600-40=560mm
2．计算剪力设计值
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集中荷载对支座截面产生剪力V
F
=92kN，则有92/113.56=81%＞
75%，故对该矩形截面简支梁应考虑剪跨比的影响，
a=1875+120=1995mm。
3．复核截面尺寸
截面尺寸符合要求。
4．可否按构造配箍
应按计算配箍。
5．箍筋数量计算
由表5-3选用箍筋直径为φ6的双肢钢筋，A
sv
=2×28.3=57mm2；
由式(5-8）可得所需箍筋间距为：
选s=150mm，符合表5-2的要求。
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6．最小配箍率验算
满足要求。箍筋沿梁全长均匀配置，梁配筋如例图5-4所示。
例图5-4
[本例题完]
[例5-3]伸臂梁设计实例
本例综合运用前述受弯构件承载力的计算和构造知识，对一简支的钢筋混凝土伸
臂梁进行设计，使初学者对梁的设计全貌有较清楚的了解。在例题中，初步涉与
到活荷载的布置与内力包络图的作法，为梁板结构设计打下基础。
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例图5-5
（一）设计条件
某支承在370mm厚砖墙上的钢筋混凝土伸臂梁，其跨度l
1
=7.0m，伸臂长度
l
2
=1.86m，由楼面传来的永久荷载设计值g1
=34.32kN/m，活荷载设计值q
1
=30kN/m，
q2
=100kN/m（例图5-5）。采用混凝土强度等级C25，纵向受力钢筋为HRB335，
箍筋和构造钢筋为HPB235。试设计该梁并绘制配筋详图。
（二）梁的内力和内力图
1．截面尺寸选择
取高跨比h/l=1/10，则h=700mm；按高宽比的一般规定，取b=250mm,h/b=2.8。
初选h0=h-a
s
=700-60=640mm（按两排布置纵筋）。
2．荷载计算
梁自重设计值（包括梁侧15mm厚粉刷重）：
则梁的恒荷载设计值。
3．梁的内力和内力包络图
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恒荷载g作用于梁上的位置是固定的，计算简图如例图5-6（a）；活荷载q
1
、
q
2
的作用位置有三种可能情况，见例图5-6的（b）、（c）、（d）。
例图5-6
每一种活载都不可能脱离恒荷的作用而单独存在，因此作用于构件上的荷载
分别有(a)+(b)、(a)+(c)、(a)+(d)三种情形。在同一坐标上，画出这三种情形作用
下的弯矩图和剪力图如例图5-7。显然，由于活荷载的布置方式不同，梁的内力
图有很大的差别。设计的目的是要保证各种可能作用下的梁的使用性能，因而要
找出活荷载的最不利布置。
上述三种情况下的内力图的外包线，称为内力包络图。它表示在各种荷载作
用下，构件各截面内力设计值的上下限。按内力包络图进行梁的设计可保证构件
在各种荷载作用下的安全性。
（三）配筋计算
1．已知条件
混凝土强度等级C25，α
1
=1，fc
=11.9N/mm2，f
t
=1.27N/mm2；HRB335钢筋，
fy
=300N/mm2，ξ
b
=0.550；HPB235钢箍，fyv
=210N/mm2。
2．截面尺寸验算
沿梁全长的剪力设计值的最大值在B支座左边缘，V
max
=266.65kN。
h
w
/b=640/250=2.56＜4，属一般梁。
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故截面尺寸满足要求。
3．纵筋计算：一般采用单筋截面
（1）跨中截面(M=394.87kN.m)：
。
选用425+220，A
s
=2592mm2。
（2）支座截面（M=242.17kN）
本梁支座弯矩较小（是跨中弯矩的61%），可取单排钢筋，令a
s
=40mm，则
h0=700-40=660mm。按同样的计算步骤，可得
选用220+222，A
s
=1390mm2。
选择支座钢筋和跨中钢筋时，应考虑钢筋规格的协调即跨中纵向钢筋的弯起问
题。现在我们选择将220弯起（若支座截面选用225+216，A
s
=1384mm2，
则考虑225的弯起)
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例图5-7
4．腹筋计算
各支座边缘的剪力设计值已示于例图5-7。
（1）可否按构造配箍
需按计算配箍。
（2）箍筋计算
方案一：仅考虑箍筋抗剪，并沿梁全长配同一规格箍筋，则V=266.65kN
由
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有
选用双肢箍（n=2）φ8(A
sv1
=50.3mm2)有
实选φ8@130，满足计算要求。全梁按此直径和间距配置箍筋。
方案二：配置箍筋和弯起钢筋共同抗剪。在AB段内配置箍筋和弯起钢筋，弯起
钢筋参与抗剪并抵抗B支座负弯矩；BC段仍配双肢箍。计算过程列表进行（例
表5-1）
腹筋计算表例表5-1
截面位置
A支座
B支座左
B支座右
剪力设计值V（kN）
222.17
266.65
234.50
V
c
=0.7f
t
bh
0
(kN)
142.2
146.7
选用箍筋（直径、间距）
φ8@200
φ8@160
第五章结构设计原理
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227.0
256.1
—
39.65
—
—
234
—
弯起钢筋选择
—
220
A
sb
=628mm2
弯起点距支座边缘距离（mm）
—
250+650=900
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弯起上点处剪力设计值V
2
（kN）
—
266.65(1-900/3809)
=203.60
是否需第二排弯起筋
—
V
2
（四）进行钢筋布置和作材料图（例图5-8） 纵筋的弯起和截断位置由材料图确定，故需按比例设计绘制弯矩图和材料图。A 支座按计算可以配弯钢筋，本例中仍将②号钢筋在A支座处弯起。 第五章结构设计原理 14/21 例图5-8 1．按比例画出弯矩包络图 根据例图5-7，运用材料力学知识可知：AB跨正弯矩包络线曲（a）+（b）确定 AB跨最小弯矩由（a）+（b）确定 以上x均为计算截面到A支座中心从标原点的距离。 第五章结构设计原理 15/21 BC跨弯矩由（a）+（d）确定（以c点为坐标原点）： 选取适当比例和坐标，即可绘出弯矩包络图。 2．确定各纵筋承担的弯矩 跨中钢筋425+220，由抗剪计算可知需弯起220，故可将跨中钢筋分为两 种：①425伸入支座，②220弯起；按它们的面积比例将正弯矩包络图用 虚线分为两部分，每一部分就是相应钢筋可承担的弯矩，虚线与包络图的交点就 是钢筋强度的充分利用截面或不需要截面。 支座负弯矩钢筋220+222，其中220利用跨中的弯起钢筋②抵抗部分负弯 矩，222抵抗其余的负弯矩，编号为③，两部分钢筋也按其面积比例将负弯矩 包络图用虚线分成两部分。 在排列钢筋时，应将伸入支座的跨中钢筋、最后截断的负弯矩钢筋（或不截断的 负弯矩钢筋）排在相应弯矩包络图内的最长区段内，然后再排列弯起点离支座距 离最近（负弯矩钢筋为最远）的弯矩钢筋、离支座较远截面截断的负弯矩钢筋。 3．确定弯起钢筋的弯起位置 由抗剪计算确定的弯起钢筋位置作材料图。显然，②号筋的材料全部覆盖相应弯 矩图，且弯起点离它的强度充分利用截面的距离都大于h 0/2。故它满足抗剪、正 截面抗弯、斜截面抗弯的三项要求。 若不需要弯起钢筋抗剪而仅需要弯起钢筋后抵抗负弯矩时，只需满足后两项要求 （材料图覆盖弯矩图、弯起点离开其钢筋充分利用截面距离≥h 0/2）。 第五章结构设计原理 16/21 4．确定纵筋截断位置 ②号筋的理论截断位置就是按正截面受弯承载力计算不需要该钢筋的截面（图中 D处），从该处向外的延伸长度应不小于20d=400mm，且不小于1.3h0=1.3× 660mm=858mm；同时，从该钢筋强度充分利用截面（图中C处）和延伸长度应不 小于1.2l a +1.7h0=1.2×661+1.7×660=1915mm。根据材料图，可知其实际截断位 置由尺寸1620mm控制。 ③号筋的理论截断点是图中的E和F，其中20d=440mm；1.2l a +h0=1.2× 728+660=1534mm。根据材料图，该筋的左端截断位置由1534mm控制。 （五）绘梁的配筋图 梁的配筋图包括纵断面图、横断面图与单根钢筋图（对简单配筋，可只画纵 断面图或横断面图）。纵断面图表示各钢筋沿梁长方向的布置情形，横断面图表 示钢筋在同一截面内的位置。 1．按比例画出梁的纵断面和横断面。 纵、横断面可用不同比例；当梁的纵横向断面尺寸相差悬殊时，在同一纵断面图 中，纵横向可选用不同比例。 2．画出每种规格钢筋在纵、横断面上的位置并进行编号（钢筋的直径、强度、 外形尺寸完全相同时，用同一编号）。 （1）直钢筋①425全部伸入支座，伸入支座的锚固长度l as ≥12d=12×25=300mm。 考虑到施工方便，伸入A支座长度取370-30=340mm；伸入B支座长度取300mm。 故该钢筋总长=340+300+（7000-370）=7270mm。 （2）弯起钢筋②220根据作材料图后确定的位置，在A支座附近弯上后锚固 于受压区，应使其水平长度≥10d=10×20=200mm，实际取370-30+50=390mm，在 B支座左侧弯起后，穿过支座伸至其端部后下弯20d。该钢筋斜弯段的水平投影 长度=700-25×2=650mm（弯起角度，该长度即为梁高减去两倍混凝土保 护层厚度）则②筋的各段长度和总长度即可确定。 第五章结构设计原理 17/21 （3）负弯矩钢筋③222左端按实际的截断位置截断延伸至正截面受弯承载力 计算不需要该钢筋的截面之外850mm，大于1.3h 0。同时，从该钢筋强度充分利 用截面延伸的长度为1925mm，大于1.2l a +h0。右端向下弯折20d=440mm。该筋同 时兼作梁的架立钢筋。 （4）AB跨内的架立钢筋可选2φ12，左端伸入支座内370-25=345mm处，右端 与③筋搭接，搭接长度可取150mm（非受力搭接）。该钢筋编号④，其水平长 度=345+（7000+-370）—（250+1925）+150=4950mm。 伸臂下部的架立钢筋可同样选2φ12，在支座B内与①筋搭接150mm，其水平 长度=1860+185—150—25=1870mm，钢筋编号为⑤。 （5）箍筋编号为⑥，在纵断面图上标出不同间距的范围。 3．为方便施工，绘出单根钢筋图（或作钢筋表）。 详见例图5-8。 4．图纸说明 简单说明梁所采用的混凝土强度等级、钢筋规格、混凝土保护层厚度、图内比例、 采用尺寸等。 从本书例题可以看出，即使对于这样较简单的钢筋混凝土构件的设计，其计算也 是相当麻烦的。对于复杂的钢筋混凝土结构设计，采用手工计算将耗费大量的人 力和时间。随着计算机的应用和各种软件的开发，从内力计算到配筋图的绘制， 读者可以由计算机完成。 [本例题完] [思考题5-1]无腹筋梁在斜裂缝形成前后的应力状态有什么变化？ 第五章结构设计原理 18/21 [思考题5-2]为什么梁一般在跨中产生垂直裂缝而在支座附近产生斜裂缝？斜 裂缝有哪两种形态？ [思考题5-3]什么是剪跨比？它对梁的斜截面抗剪有什么影响？ [思考题5-4]影响梁斜截面受剪承载力的主要因素有哪些？ [思考题5-5]梁斜截面破坏的主要形态有哪几种？它们分别在什么情况下发 生？破坏性质如何？ [思考题5-6]无腹筋梁斜截面受剪承载力计算公式的意义和适用范围如何？ [思考题5-7]有腹筋梁斜截面受剪承载力计算公式有什么限制条件？其意义如 何？ [思考题5-8]梁内箍筋有哪些作用？其主要构造要求有哪些？ [思考题5-9]在斜截面抗剪计算时，什么情况须考虑集中荷载的影响？什么情况 则不须考虑？ [思考题5-10]什么叫受弯承载力图（或材料图）？如何绘制？它与设计弯矩图 有什么关系？ [思考题5-11]在梁中弯起一部分钢筋用于斜截面抗剪时，应当注意哪些问题？ [思考题5-12]如何确定负弯矩钢筋截断位置？ [思考题5-13]为什么弯起钢筋的强度取0.8f y ？ [思考题5-14]钢筋伸入支座的锚固长度有哪些要求？ [思考题5-15]在伸臂梁的计算中，为什么要考虑活荷载的布置方式？ [思考题5-16]试绘下图中所示梁斜裂缝的大致位置和方向？ 第五章结构设计原理 19/21 [思考题5-17]论述受弯构件跨高比对斜截面抗剪承载力的影响。 [思考题5-18]建筑工程受弯构件抗剪承载力计算公式与公路桥梁工程受弯构件 抗剪承载力计算公式形式不一，考虑影响抗剪承载力的因素是否相同？ [思考题5-19]影响斜截面水平投影长度的因素有哪些？斜截面水平投影长度在 斜截面抗剪承载力计算中的作用是什么？ [思考题5-20]公路桥梁工程中弯起钢筋和斜钢筋根据什么原则计算？构造上要 满足哪些要求？ [习题5-1]已知某承受均布荷载的矩形截面梁截面尺寸 （取a s =35mm），采用C20混凝土，箍筋为HPB235级钢筋。若已知剪力设计 值V=150kN，试求：采用φ6双肢箍的箍筋间距s？ [习题5-2]题图5-1示钢筋混凝土简支梁，集中荷载设计值F=120kN，均布荷载 设计值（包括梁自重）q=10kN/m。选用C20混凝土，箍筋为HPB235级钢筋。 试选择该梁的箍筋（注：图中跨度为净跨度，l n =4000mm）。 [习题5-3]某T形截面简支梁尺寸如下： ；采用C20混凝土，箍筋为PHB235级钢筋；由集中 荷载产生的支座边剪力设计值（包括自重），剪跨比。试选择该 梁箍筋？ [习题5-4]题图5-2所示的钢筋混凝土矩形截面简支梁，截面尺寸，荷载设计值 （未包括梁自重），采用C25混凝土，纵向受力筋为HRB335级，箍 筋为HPB235级钢筋，试设计该梁。要求：（1）确定纵向受力钢筋根数和直径； 第五章结构设计原理 20/21 （2）配置腹筋（要求选择箍筋和弯起钢筋，假定弯起钢筋弯终点距支座截面边 缘为50mm）。 [习题5-5]梁的荷载设计值与梁跨度同习题5-2但截面尺寸、混凝土强度等级修 改如下表，并采用φ6双肢箍，试按序号计算箍筋间距填入表内，并比较截面尺 寸、混凝土强度等级对梁斜截面承载力的影响？ 序号b×h（mm）混凝土强度等级φ6（计算s）φ6（实配s） 1250×500C20 2250×500C30 3300×500C20 4250×600C20 [习题5-6]已知某钢筋混凝土矩形截面简支梁，计算跨度l 0 =6000mm，净跨 l n =5760mm，截面尺寸，采用C20混凝土，HRB335级 纵向钢筋和HPB235级箍筋。若已知梁的纵向受力钢筋4φ22，试求：当采用 φ6@200双肢箍和φ8@200双肢箍时，梁所能承受的荷载设计值分别为多 少？ [习题5-7]某钢筋混凝土矩形截面简支梁，截面尺寸，采 用C25混凝土，纵向受力钢筋HRB335级、箍筋为HPB235级。该梁仅承受集 中荷载作用，若集中荷载至支座距离a=1130mm，在支座边产生的剪力设计值 V=176kN，并已配置φ6@200双肢箍与按正截面受弯承载力计算配置了足够的纵 向受力钢筋。试求：（1）仅配置箍筋是否满足抗剪要求？（2）若不满足时，要 求利用一部分纵向钢筋弯起，试求弯起钢筋面积与所需弯起钢筋排数（计算时取 ，梁自重不另考虑）。 [习题5-8]题图5-3所示钢筋混凝土伸臂梁，计算跨度， 支座宽度均为370mm；承受均布恒荷载设计值，均布活荷载设 第五章结构设计原理 21/21 计值；采用C25混凝土，纵向受力钢筋为HRB335级 钢筋，箍筋为HPB235级钢筋，试求梁的配筋、绘制材料图、确定纵筋的弯起和 截断位置、绘梁的配筋纵断面和横断面以与单根钢筋图。 [习题5-9]已知一重要小桥上的钢筋混凝土简支梁，长度，计算跨长 ，截面形状为题图5-4，混凝土强度等级C30，主筋用HRB400钢筋， 箍筋采用R235钢筋，梁的跨中截面内力M dm =2200kN·m，；1/4跨截面弯矩 ；支座截面剪力。要求为此梁配置所需纵向受拉 钢筋与箍筋和弯起钢筋。 [习题5-10]按图5-15的计算框图编写受弯构件斜截面抗剪承载力计算机程序。