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MIDAS Civil技术资料-RC设计验算说明


MIDAS/Civil 技术资料——RC 设计验算说明

北京迈达斯技术有限公司 2007 年 5 月

北京迈达斯技术有限公司

MIDAS/Civil 技术资料——RC 设计验算说明

MIDAS/Civil2006 RC 设计验算说明
一、程序给出的验算结果.............

..........................................................................................1 二、RC 设计使用方法简介......................................................................................................1 三、RC 验算结果与规范条文对应关系..................................................................................4 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 梁-施工阶段正截面法向应力验算: (规范 7.2.4)...............................................4 梁-受拉钢筋的拉应力验算(规范 7.2.4).............................................................4 梁-使用阶段裂缝宽度验算(规范 6.4.3 和规范 6.4.4).......................................5 梁-施工阶段中性轴处主拉应力验算(规范 7.2.5).............................................6 梁-纵向钢筋用量估算 .............................................................................................6 梁-普通箍筋用量估算 .............................................................................................7 梁-使用阶段正截面抗弯验算(规范 5.2.1~5.2.5)...............................................7 梁-使用阶段斜截面抗剪验算(规范 5.2.7).........................................................8 梁-使用阶段抗扭验算(规范 5.5.1~5.5.5)...........................................................8 柱-使用阶段裂缝宽度验算(规范 6.4.1~6.4.5)...............................................9 柱-纵向钢筋用量估算........................................................................................10 柱-使用阶段正截面轴心抗压承载力验算(规范 5.3.1)...............................10 柱-使用阶段正截面偏心抗压承载力验算(规范 5.3.3~5.3.11)...................11 柱-使用阶段正截面轴心抗拉承载力验算(规范 5.4.1)...............................12 柱-使用阶段正截面偏心抗拉承载力验算(规范 5.4.2)...............................12

四、RC 设计验算时错误信息说明........................................................................................14 五、RC 设计其他相关说明....................................................................................................15

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MIDAS/Civil2006 RC 设计验算说明
一、程序给出的验算结果
程序根据构件类型不同,分别执行 RC 梁设计和 RC 柱设计,并给出如下 15 项验算结 果。 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 梁-施工阶段正截面法向应力验算 梁-受拉钢筋的拉应力验算 梁-使用阶段裂缝宽度验算 梁-施工阶段中性轴处主拉应力验算 梁-纵向钢筋用量估算 梁-普通箍筋用量估算 梁-使用阶段正截面抗弯验算 梁-使用阶段斜截面抗剪验算 梁-使用阶段抗扭验算

10) 柱-使用阶段裂缝宽度验算 11) 柱-纵向钢筋用量估算 12) 柱-使用阶段正截面轴心抗压承载力验算 13) 柱-使用阶段正截面偏心抗压承载力验算 14) 柱-使用阶段正截面轴心抗拉承载力验算 15) 柱-使用阶段正截面偏心抗拉承载力验算 、6) 其中验算结果项 5) 、11)不是规范要求验算的内容。

二、RC 设计使用方法简介
1) 建立施工阶段分析模型——梁截面选择“设计截面”并定义截面钢筋,柱截面选择“数 据库/用户”截面;

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2)

在结果〉荷载组合〉混凝土设计中定义验算用荷载组合——可以采用程序自动生成,也 可以用户自定义;

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3)

定义RC设计参数,对于柱构件还需定义计算长度——在“设计〉一般设计参数〉自由 长度”和“设计〉一般设计参数〉计算长度系数”中定义;

4) 5) 6)

指定验算用截面位置和计算书中输出截面位置; RC设计——分别执行“RC梁设计”和“RC柱设计” ; RC设计结果表格查看——分别查看“设计〉RC梁的设计结果”和“设计〉RC柱的设计 结果” ;

7)

RC设计计算书查看——选择“设计〉RC设计〉输出RC设计计算书” 。

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三、RC 验算结果与规范条文对应关系
1. 梁-施工阶段正截面法向应力验算: (规范 7.2.4)

-

施工阶段法向压应力验算,按照规范公式(7.2.4-1)计算,按照开裂截面计算施工 阶段混凝土法向压应力;

-

设计结果表格中应力压为正; 阶段表示的是该最大值所属施工阶段名称; 在计算抗压容许应力时取用的施工阶段混凝土的抗压强度标准值按f’ck=0.8fck计。 按照规范要求施工阶段混凝土的抗压强度标准值应该取施工时实测的立方体抗压 强度换算抗压强度标准值, 如实测f’ck≠0.8fck用户可以把表格里面的验算结果拷贝 到excel表格中,手动调整容许应力值。

2. 梁-受拉钢筋的拉应力验算(规范 7.2.4)

-

设计结果表格中应力拉为正,压为负; 结果表格中“钢筋”栏表示每层钢筋名称,钢筋命名的原则按照在“设计〉RC设计〉 RC设计截面配筋”中输入的钢筋顺序号来命名“Rbar-顺序号” ;
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钢 筋 输入 顺序号

-

Sig-DL表示施工阶段最大钢筋拉应力,Sig-LL表示使用阶段最大钢筋拉应力,SigADL表示施工阶段钢筋容许拉应力,Sig-ALL表示使用阶段钢筋容许拉应力;

-

Sig-DL根据施工阶段荷载工况“CS:合计”按照开裂截面计算混凝土最大法向拉应 力,并根据线性内插得到钢筋的拉应力;

-

Sig-LL根据弹性阶段验算组合按照开裂截面计算混凝土最大法向拉应力,并根据线 性应变关系得到钢筋的拉应力。

3. 梁-使用阶段裂缝宽度验算(规范 6.4.3 和规范 6.4.4)

-

当应用公式(6.4.3-1)进行裂缝宽度计算时,通常不需要用户定义裂缝宽度系数, 只有在计算光面钢筋和板式受弯构件时需要指定裂缝宽度系数C1和C3;

-

程序按 C 2 = 1 + 0.5 公式 (6.4.3-1) 中的 C 2 表示作用长期效应影响系数,

Ml 计算, Ms

C 2 的取值根据计算裂缝宽度位置的不同所取的荷载组合也不同,也就是说对于梁
底面和梁顶面 C 2 的取值是不同的;
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-

另对于公式(6.4.3-1)中的钢筋直径d,当纵向受拉钢筋采用不同直径的钢筋时,d 值应为所有纵向受拉钢筋的换算直径。具体换算方法参照规范6.4.3对d值的说明。

4. 梁-施工阶段中性轴处主拉应力验算(规范 7.2.5)

-

按照规范公式(7.2.5)计算,公式(7.2.5)中的 Vk 代表施工阶段荷载标准值产生 的剪力值,程序内部取“CS:合计”引起的剪力作为 Vk ;
t

t

-

表格中Sig-M表示中性轴中心位置(换算截面形心位置)处主拉应力,Sig-ML表示 中性轴位置处截面左边缘主拉应力,Sig-MR表示中性轴位置处截面右边缘主拉应 力,Sig-MAX表示上述三个主拉应力计算点的最大主拉应力,Sig-ALW表示容许主 拉应力;

-

其中容许主拉应力fck’表示施工阶段混凝土轴心抗拉强度标准值,程序默认按照

f tk ' = 0.8 f tk 来表示,如果有实测施工阶段混凝土轴心抗拉强度标准值,可以将“施
工阶段中性轴处主拉应力验算” 表格导出到Excel表格中, 用实测混凝土轴心抗拉强 度标准值替换程序默认的ftk’再进行比较。

5. 梁-纵向钢筋用量估算

-

不考虑已配纵向钢筋,根据分析得到的最大弯矩进行纵向钢筋估算,估算方法参考 《钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理》 (张树仁等著,人民交通出版社) 关于矩形截面和T型截面受弯构件配筋的实用设计方法;
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-

钢筋估算不是规范规定的验算内容,因为估算方法为经验法,因此不作为评价结构 验算的标准。

6. 梁-普通箍筋用量估算

-

根据规范5.2.11说明, 假定由混凝土和箍筋共同承担60%的剪力设计值, 考虑已配纵 向普通钢筋,按照规范公式(5.2.7-2)计算得到 ρ sv ,根据计算得到的 ρ sv 考虑腹板 宽度b和箍筋间距Sv得到截面所需箍筋面积Asv,req;

Vcs = 0.6Vd = α 1α 2α 3 0.45 × 10 ?3 bh0

(2 + 0.6 P )

f cu ,k ρ sv f sv

Asv ,req = ρ sv ,req ? b ? s v
考虑最小配箍率的要求(规范9.3.13) ,按照公式 ρ sv =

Asv 计算得到最小配箍面 b ? Sv

积,然后比较箍筋面积估算值和最小箍筋面积计算值,取较大者输出; 最小配箍率参考规范9.1.15的规定; 箍筋估算只是一种参考,不做结构验算的标准。

7. 梁-使用阶段正截面抗弯验算(规范 5.2.1~5.2.5)

-

设计结果表格中最大、最小指的是不同荷载组合产生的截面弯矩的最大、最小值。 当设计弯矩为负时,得到的Mn为负弯矩承载能力,当设计弯矩为正时,得到的Mn 为正弯矩承载能力;
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8. 梁-使用阶段斜截面抗剪验算(规范 5.2.7)

-

对矩形、T形和I形截面的受弯构件,应按公式(5.2.9)对其抗剪截面进行验算。如 果满足要求, 则表示截面合格, 在RC设计结果斜截面抗剪验算表格截面验算一栏中 将显示OK,表示截面设计合理;否则显示NG,此时需要对截面进行修改,直到满 足公式(5.2.9)的要求。

-

对矩形、T形和I形截面的受弯构件,当符合规范中公式(5.2.10)时,可不进行斜 截面抗剪承载力的验算, 仅需按构造要求配置钢筋。 并在RC设计结果斜截面抗剪验 算表格验算一栏中显示“跳过” ,否则显示“验算” ,即表示必须按规范进行计算来 配置抗剪钢筋。

-

设计结果表格中最大、最小指的是不同荷载组合产生的截面剪力的最大、最小值。 不同荷载组合下剪力的方向可能会发生变化,且弯矩变号会引起梁计算高度h0发生 变化(因为梁顶和梁底的钢筋中心距截面外端距离可能不一样),所以有必要验算剪 力最大和最小两种情况。

9. 梁-使用阶段抗扭验算(规范 5.5.1~5.5.5)

-

对于纯扭构件其抗扭承载力按规范中公式(5.5.1-1)和公式(5.5.1-2)计算。需要 注意的是对于公式(5.5.1-2)? 的计算结果对于钢筋混凝土构件当 ? < 0.6 时,应取

? = 0.6 ,当 ? > 1.7 ,取 ? = 1.7 ;
对于剪扭构件其抗剪扭承载力按公式(5.5.4-1) 、公式(5.5.4-2)和公式(5.5.4-3) 计算,当截面为箱形截面时, Wt 应以 β aWt 代替;
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-

验算剪扭构件抗剪扭承载力时首先要验算截面,其截面应符合公式(5.5.3-1)的要 求。对于截面验算合格的构件在RC设计抗扭验算结果表格中截面一栏将显示OK, 表示截面合格,否则显示NG,应加大截面直到截面验算合格;

-

其次要验算剪扭构件是否满足公式(5.5.3-2)的条件,如果满足则在RC设计抗扭验 算结果表格中显示“跳过” ,否则显示“验算”“跳过”意思就是对此剪扭构件可 。 不进行构件的抗扭承载力计算,仅需按规范规定配置构造钢筋, “验算”意思就是 对此剪扭构件按规范进行计算,配置抗剪扭钢筋;

-

设计结果表格中最大最小项指的是扭矩最大、剪力最大、剪力最小时截面的抗扭验 算结果;

10. 柱-使用阶段裂缝宽度验算(规范 6.4.1~6.4.5)

-

受力类型不同的钢筋混凝土柱构件其裂缝宽度计算方法也不同,因此在进行设计验 算前需在设计参数中指定计算裂缝宽度的钢筋混凝土柱的受力类型,如下图所示。

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11. 柱-纵向钢筋用量估算

-

参考《钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理》 (人民交通出版社出版,张 树仁等编著)关于各种柱构件实用截面设计方法;

-

按照结构设计原理计算得到的钢筋面积,同时要考虑最小配筋面积的要求,最终的 估算结果为计算钢筋面积和最小配筋面积的较大值;

12. 柱-使用阶段正截面轴心抗压承载力验算(规范 5.3.1)

-

根据规范公式(5.3.1)计算轴心抗压承载力 N n = 0.90? f cd A + f sd As ;
' '

(

)

柱构件计算长度需要在“设计〉一般设计参数〉自由长度/计算长度系数”中定义; A为构件全截面面积,当纵向钢筋配筋率大于3%时,A应改用净截面面积

An = A ? As'

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13. 柱-使用阶段正截面偏心抗压承载力验算(规范 5.3.3~5.3.11)

-

目前程序仅对偏心荷载引起的强轴方向的弯矩进行偏心受压验算,程序默认强轴为 单元坐标系y轴,因此在建立柱模型时,用户可通过修改单元坐标的 β 角建立与实 际柱构件一致的有限元模型;

-

首先按照轴心受压构件进行验算,验算参考规范公式5.3.1; 按照规范公式5.3.10计算偏心距增大系数η , 当偏心矩较大时(ηe0 / h0 > 0.3 )时,可以先按大偏心受压构件计算,按照结构设 计原理P160公式5-3-4计算x值:

x? ? ' f cd bx? es ? h0 + ? = σ s As es ? f sd As' es' 2? ?
由计算得到的 x 值判断是否满足大偏心构件 其中受拉钢筋应力 σ s 按 fsd 计算。 的判定条件 x ≤ ξ b h0 ,如果满足判定条件,此 x 就是截面受压区高度,如果不 满足要按小偏心受压构件进行验算。 当 x ≤ ξ b h0 时,即满足大偏心受压时,同时应满足 x ≥ 2a s ,输出设计承载能
'

力 N n = f cd bx + f cd As ? f sd As
' '

-

当偏心矩较小时( ηe0 / h0 < 0.3 ) ,可以按小偏心受压构件计算: 当为小偏心构件时:钢筋应力没有达到钢筋的最大拉应力 f sd ,此时最外层钢 筋的应力按规范公式 5.3.4-1 计算, σ si = ε cu E s ? 即

? βhoi ? ? 1? 其中 ε cu 和 β 值可 ? x ?

以通过混凝土强度等级吊用数据,hoi ——第 i 层纵向钢筋截面重心至受压较大 边边缘的距离, hoi = h ? a si ,其中 a si 为第 i 层钢筋到截面边缘的距离。 将规范公式 5.3.4-1 代入结构设计原理公式 5-3-4 中
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公式 5-3-4: f cd bx? e s ? h0 + 整理代入后的方程为

? ?

x? ' ' ' ? = σ s As es ? f sd As es 2?

f cd b 3 ' x + f cd b(e s ? h0 )x 2 + ε cu E s As e s + f sd As' es' x ? ε cu E s βhoi As e s = 0 解 2
此一元三次方程得到 x 值, 三次方程可能得到 3 个 x 的计算值, 根据 x 与 ξ b h0 的关系分为以下三种情况计算钢筋应力: a、当 x ≥ ξ b h0 时,由这个 x 按规范公式 5.3.4-1 重新计算钢筋应力 σ si ; b、当 x ≤ ξ b h0 时,取 σ s = f sd ; c、当 x > h 时,说明构件全截面受压,取 x = h 按照规范公式 5.3.4-1 重新计算 钢筋应力 σ si ; 根据计算得到的钢筋应力按照下式输出小偏心受压构件的承载力

(

)

N n = f cd bx + f sd As' ? σ s As
14. 柱-使用阶段正截面轴心抗拉承载力验算(规范 5.4.1)

-

根据规范公式(5.4.1)计算 N n = f sd As ,在程序中表示为Nn;

15. 柱-使用阶段正截面偏心抗拉承载力验算(规范 5.4.2)

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-

对 于 小 偏 心受 拉 构 件 ,轴 向 力 位 于钢 筋 A s 和 A s '之 间 , 则 偏 心 受 拉 承载 力 为
' N n e ' = f sd As h0 ? a s ,在程序中表示为Nn*e1;

(

)

-

对于大偏心受拉构件,轴向力不作用在As和As'之间时,偏心受拉承载能力由两部 分来表现,一是轴心受拉承载能力,二是偏心受拉承载能力。分别表示为

N n = f sd As ? f sd ' As '? f cd bx x? ? N n e = f cd bx? h0 ? ? + f sd ' As ' (h0 ? a s ') 2? ?
在程序中分别表示为Nn和Nn*e

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四、RC 设计验算时错误信息说明
1) 进行RC设计的混凝土材料特性和钢筋材料特性必须选择JTG04规范,否则进行RC设计 时程序提示“[错误] RC设计单元材料选择不正确” ;

2)

进行RC梁设计,梁截面必须选择“设计截面”中截面,否则无法进行梁截面配筋数据 的输入,因此进行RC梁设计时,程序提示“RC设计用数据不存在” ;

3)

进行RC柱设计,柱截面必须选择“数据库/用户”中截面,否则无法进行柱截面配筋数 据的输入,因此进行RC柱设计时,程序提示“RC设计用数据不存在” ;

4)

对于倾斜的柱单元,需要在“设计〉一般设计参数〉编辑构件类型”中指定构件类型为 柱,否则无法定义RC柱设计用截面配筋、柱构件计算长度等信息;

5)

程序默认对用“设计截面”建立的单元按梁构件进行设计,对用“数据库/用户”截面 建立的单元按柱构件进行设计;

6)

RC梁的配筋数据要求在前处理的“截面钢筋”中输入,否则程序在后处理的设计截面
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配筋数据中因为无法调取钢筋数据格式而无法输入验算用钢筋数据; 7) RC柱必须在“设计〉一般设计参数〉自由长度、计算长度系数”中定义柱构件计算长 度数据, 否则程序提示 “[错误] 设计单元缺少计算长度数据, 生成RC设计用数据失败。 ”

五、RC 设计其他相关说明
1) 矩形截面的模拟方法,在“设计截面”中选择“中腹板”截面,室类型选择“无” 。如 下图所示。

2)

对异形梁截面可以采用“设计用数值截面”来模拟,如下图所示,定义“设计用数值截 面”时各参数的含义如下:

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T1——对于闭合截面为箱体部分顶板厚,对于开口截面为上翼缘板厚; T2——对于闭合截面为箱体部分底板厚,对于开口截面输入0,程序默认按T截面验算; BT——对于闭合截面为外侧腹板中心线间距离,对于开口截面输入腹板宽度和; HT——对于闭合截面为截面顶底板中心线间距离,对于开口截面为截面上翼缘板中心 线到截面底的距离; 验算扭转用厚度(最小)——对于闭口截面,输入外腹板的最小厚度,对于开口截面输 入半个腹板厚。 程序根据输入的设计参数计算扭转引起的截面剪切应力和受扭塑性抵抗矩Wt。 3) RC设计必须进行施工阶段分析,否则无法得到正常使用极限状态和短暂状态下验算结 果; 4) 采用程序自动生成荷载组合时, 对于在施工阶段作用的荷载其荷载类型必须定义为施工 阶段荷载,否则生成的荷载组合内容错误; 5) 如果成桥阶段有移动荷载作用,那么必须在移动荷载分析控制选项中输出“内力(最大 值+当前其他内力),如下图所示。 ”

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