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混凝土结构设计计算:最小刚度原则和挠度验算

【摘要】:为了简化计算,对图7.12所示的梁,可近似地都按纯弯区段平均的截面弯曲刚度采用,这就是“最小刚度原则”。最小刚度原则就是在简支梁全跨长范围内,可都按弯矩最大处的截面弯曲刚度,也即按最小的截面弯曲刚度[图7.12中虚线所示],用材料力学方法中不考虑剪切变形影响的公式来计算挠度。当构件上存在正、负弯矩时,可分别取同号弯矩区段内处截面的最小刚度计算挠度。因此,采用“最小刚度原则”是可以满足工程要求的。

前述刚度计算公式都是指纯弯区段内平均的截面弯曲刚度。但是,一个受弯构件,如图7.12所示简支梁,在剪跨范围内各截面弯矩是不相等的,靠近支座的截面弯曲刚度要比纯弯区段内的大,如果都用纯弯区段的截面弯曲刚度,似乎会使挠度计算值偏大。但实际情况却不是这样,因为在剪跨段内还存在着剪切变形,甚至可能出现少量斜裂缝,它们都会使梁的挠度增大,而这在计算中是没有考虑到的。为了简化计算,对图7.12所示的梁,可近似地都按纯弯区段平均的截面弯曲刚度采用,这就是“最小刚度原则”。

最小刚度原则就是在简支梁全跨长范围内,可都按弯矩最大处的截面弯曲刚度,也即按最小的截面弯曲刚度[图7.12(b)中虚线所示],用材料力学方法中不考虑剪切变形影响的公式来计算挠度。当构件上存在正、负弯矩时,可分别取同号弯矩区段内处截面的最小刚度计算挠度。

试验分析表明,一方面按Bmin计算的挠度值偏大,即如图7.12(c)中多算了用阴影线示出的两小块Mk/Bmin面积;另一方面,不考虑剪切变形的影响,对出现如图7.13所示斜裂缝的情况,剪跨内钢筋应力大于按正截面的计算值,这些均导致挠度计算值偏小。然而,上述两方面的影响大致可以相互抵消。对国内外约350根试验梁验算的结果表明,计算值与试验值符合较好。因此,采用“最小刚度原则”是可以满足工程要求的。

当用Bmin代替匀质弹性材料梁截面弯曲刚度EI后,梁的挠度计算就十分简便。按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)要求,挠度验算应满足下式:

式中 flim——挠度限值;

f——根据最小刚度原则采用的刚度B进行计算的挠度,当跨间为同号弯矩时,由式(7.29)可得:

图7.12 沿梁长的刚度和曲率分布

图7.13 梁剪跨段内钢筋应力分布

对连续梁的跨中挠度,当等截面且计算跨度内的支座截面弯曲刚度不大于跨中截面弯曲刚度的2倍或不小于跨中截面弯曲刚度的1/2时,也可按跨中最大弯矩截面的截面弯曲刚度计算。