工程结构第二章建筑结构荷载与设计方法4.ppt

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1、第二章 建筑结构荷载与设计方法 本章主要内容 荷载分类； 荷载代表值； 结构的功能； 结构功能的极限状态； 结构上的作用、作用效应和结构抗力； 概率极限状态设计法实用设计表达式。 第一讲 教学目标： 1. 了解掌握荷载分类、荷载代表值的概念及 种类； 2. 理解结构的功能及其极限状态的含义； 3.能确定永久荷载、可变荷载的代表值。 结构上的作用、作用效应和结构抗力 。 难点 ： 重点 ： 1. 荷载分类、荷载代表值； 2. 结构的功能；结构功能的极限状态； 3. 结构上的作用、作用效应和结构抗力。 2.1 荷载分类及荷载代表值 职业标准规定 ： 我国设计标准将房屋设计的基本期 规定为50年。并

2、根据建筑物的重要性不同，规定了设计使 用年限：重要建筑为100年，一般建筑为50年，次要建筑 为5年。 2.1.1 荷载分类 结构上的荷载，按其时间和性质的变异，分为以下三类 ： 1.永久荷载 永久荷载亦称为恒荷载，是指在结构使用期间，其 值不随时间的变化，或其变化与平均值相比可忽略不计 ，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。如结构的自 重、土压力、预应力等。 2.可变荷载 可变荷载亦称为活荷载，是指在结构使用期间，其 值时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载 。如车辆荷载、人群荷载、设备重力、风荷载、雪荷载 、温度变化等。 3.偶然荷载 在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值

3、很大且持续时间很短的荷载称为偶然荷载。如：地震作 用、爆炸力等。 2.1.2 荷载代表值 1.荷载代表值 定义：结构设计时，对于不同的荷载和不同的设计情 况，应赋予荷载不同的量值，该值即为荷载代表值。设计 中用以验算极限状态所采用的荷载量值：标准值、组合值 、频遇值、准永久值。 2.荷载标准值 定义：在设计基准期内具有一定概率的最大荷载值， 它是荷载的基本代表值。 设计基准期为确定可变荷载代表值而选定的时间 参数，一般取为50年。 （1）永久荷载标准值 永久荷载主要是结构自重及粉刷、装修，固定设 备的重量。一般可按结构构件的设计尺寸和材料或结 构构件单位体积（或面积）的自重标准值确定。 对于自

4、重变异性较大的材料，在设计中应根据其 对结构有利或不利的情况，分别取其自重的下限值或 上限值。 例 取钢筋混凝土单位体积自重标准值为 25kN/m3，则截面尺寸为200500mm的钢筋混凝土矩 形截面梁的自重标准值为0.20.525=2.525kN/m。 （2）可变荷载代表值 民用建筑楼面均布活荷载代表值：标准值、组合 值、频遇值和准永久值。 1） 可变荷载准永久值 定义：在设计基准期内经常达到或超过的那部份 荷载值（50%设计基准期），称为可变荷载准永久值。 可变荷载准永久值可表示为：qQk, 其中Qk为可 变荷载标准值，q为可变荷载准永久值系数系数，按 表建筑结构荷载规范4.1.1采用。

5、2） 可变荷载组合值 定义：两种或两种以上可变荷载同时作用于结构 上时，除主导荷载（产生最大效应的荷载）仍可以其 标准值为代表值外，其他伴随荷载均应以小于标准值 的荷载值为代表值此即为可变荷载组合值。 可变荷载组合值可表示为：cQk, 其中c为可变 荷载组合值系数。其值按表建筑结构荷载规范 4.1.1采用。 3） 可变荷载频遇值 定义：对可变荷载，在设计基准期内，其超越的 总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷 载值。 可变荷载频遇值可表示为：fQk, 其中f为可变荷 载频遇值系数。其值按表2.1.1查取。 2.2 建筑结构极限状态设计法 2.2.1 极限状态 1、结构的功能要求 （1

6、）结构的安全等级 建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的 后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响 等）的严重性，采用不同的安全等级。 根据破坏后果的严重程度，建筑结构可划分为 三个安全等级。 表1.1 建筑结结构的安全等级级 安全等级级破坏后果建筑物类类型 一级级很严严重重要的房屋 二级级严严重一般的房屋 三级级不严严重次要的房屋 （2）结构的设计使用年限 定义：房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使 用和维护下所应达到的持久年限。结构的设计使用年 限应按下表采用。 类别类别设计设计 使用年限 （年） 示例 15临时临时 性结结构 225易于替换换的结结构构件 350普通房屋和构筑物

7、4100纪纪念性建筑和特别别重要 的建筑结结构 （3）结构的功能要求 1）结构的功能要求 功能要求 耐久性 适用性 安全性 安全性结构在正常施工和正常使用的条件 下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然 事件发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性， 即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。 适用性结构在正常使用时具有良好的工作 性能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振 动；不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。 耐久性结构在正常维护条件下具有足够的 耐久性能，即在正常维护条件下结构能够正常使用到 规定的设计年限。例如，结构材料不致出现影响功能 的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因

8、保护层过薄或 裂缝过宽而锈蚀等。 2）结构的可靠性和可靠度的概念 结构可靠性结构的安全性、适用性和耐久性 的总称。 结构可靠度结构在规定时间内，在规定条件 下完成预定功能的概率。 规定时间是指设计使用年限；规定条件指正常设 计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设 计、错误施工和违反原来规定的使用情况。 结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结 构可靠性的定量描述。 注意1：结构可靠度与结构使用年限长短有关。 统一标准以结构的设计使用年限为计算结构可靠 度的时间基准。 注意2：结构的使用年限虽与结构使用寿命有联 系，但不等同。当结构的使用年限超过设计使用年限 后，并不意味着结构就要报废

9、，但其可靠度将逐渐降 低。 2、结构功能的极限状态 （1）定义 整个结构或结构的一部分，超过某一特定状态就 不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐 久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。 极限状态 正常使用极限状态 承载力极限状态 （1）分类 1）承载能力极限状态这种极限状态对应于 结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载 的变形。承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性 的功能。 当结构或结构的构件出现下列状态之一时，即 可认为超过了承载能力极限状态： l 结构构件或连接因材料 强度不够而破坏； l 整个结构或结构的一部 分作为刚体失去平衡（ 如倾覆等）； l 结构转变为机

10、动体系； l 结构或结构构件丧失稳 定（如柱子被压曲）。 结构超过承载能力极限状态示例 2）正常使用极限状态这种极限状态对应于 结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定 限值。这一状态对应于适用性和耐久性的功能。 当结构或结构构件出现下列状态之一时，即可 认为超过了正常使用极限状态。 l 影响正常使用或外观的变形； l 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝） ； l 影响正常使用的振动； l 影响正常使用的其他特定状态等。 3、结构的功能函数 （1）作用效应和结构抗力的概念 作用效应结构上的各种作用，在结构内产生 的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠 度、转角、裂缝等）的

11、总称，用S表示。由直接作用 产生的效应，通常称为荷载效应。 结构抗力结构或构件承受作用效应的能力， 如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。结构 抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性能 、构件几何参数及计算模式的精确性等。 （2）结构的功能函数 Z=g（S，R）=R-S 实际工程中，可能出现以下三种情况： 小 结： 1、荷载分类、荷载代表值的概念机种类； 2、永久荷载、可变荷载的代表值； 3、结构的功能及其极限状态的含义。 4、作用效应、结构抗力的概念； 思考题： 第二讲 教学目标： 能正确应用极限状态实用设计表达式。 重点 ： 重点 ： 极限状态设计法实用设计表达式。 极限状态设计

12、法实用设计表达式。 2.3 建筑结构概率极限状态设计法 2.3.1 荷载组合 建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能 同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极 限状态分别进行荷载效应组合，并取各自的最不利效 应组合进行设计。 1、承载能力极限状态设计按荷载效应组合 的基本组合或偶然组合进行荷载效应组合，并采用下 列设计表达式进行设计： 式中：0为结构的重要性系数，按下表进行选取 。 安全等级级破坏后果建筑物类类型设计设计 使用 年限 结结构重要 性系数 一级级很严严重重要的房屋=1001.1 二级级严严重一般的房屋501.0 三级级不严严重次要的房屋50.9 （1）荷载效应基本组合设计

13、值S 对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从 由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制 的组合中取最不利值确定。 1）由可变荷载效应控制的组合 G：永久荷载分项系数，按表2.3.1采用； Qi：第i个可变荷载分项系数，按表2.3.1采用； SG：永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值； SQik：按可变荷载标准值Qi计算的荷载效应值； ci：可变荷载Qi的组合值系数，民用建筑楼面均 布荷载、屋面均布活荷载的组合值系数。 表2.3.1 荷载载分项项系数的取值值 荷载载特性荷载载分项项系数 永久荷载载永久荷载载效应应 对结对结 构不利 由可变变荷载载效 应组应组 合的控制 1.2 由永久荷载载效

14、 应组应组 合的控制 1.35 永久荷载载效应对结应对结 构有利1.0 倾倾覆、滑移或飘飘浮验验算0.9 可变变荷载载一般情况1.4 对标对标 准值值大于4kN/m2的工业业 房屋楼面结结构的活荷载载取值值 1.3 2）由永久荷载效应控制的组合 应用（2.3.2）（2.3.3）时应注意以下问题： 当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参 与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。 混凝土结构和砌体结构设计采用内力表达式。此 时，式（2.3.2）、（2.3.3）实质上就是永久荷载和 可变荷载同时作用时，在结构上产生的内力（轴力、 弯矩、剪力、扭矩等）的组合，其目标是求出结构可 能的最大内力。如跨度为l0

15、的简支梁，在跨中荷载F 作用下的跨中最大弯矩M=Fl0/4，在均布荷载q作用 下的跨中最大弯矩M=ql02/8，这也就是式中的计算方 法。 钢结构设计采用应力表达式，式（2.3.2）、（ 2.3.3）实质上就是永久荷载和可变荷载同时作用时 ，在构件截面上产生的最大应力。 【例2.3.1】：某办公楼钢筋混凝土矩形截面简 支梁，安全等级为二级，截面尺寸 bh=200mm400mm，计算跨度l0=5m。承受 均布线荷载：活荷载标准值7kN/m，恒荷载标准 值10kN/m（不包括自重）。活荷载组合值系数 为0.7，试计算按承载能力极限状态设计时的跨中 弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值。 解：安全结构

16、等级为二级，则结构重要性系数=1.0. 钢筋混凝土的重度标准值为25kN/m3,故梁自 重标准值为250.20.4=2kN/m。 总恒荷载标准值gk=10+2=12kN/m 恒载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面 剪力标准值分别为： Mgk=gkl02/8=1252/8=37.5kN/m Vgk=gkl0/2=125/2=30kN 活载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面 剪力标准值分别为： Mqk=qkl02/8=752/8=21.875kN/m Vqk=qkl0/2=75/2=17.5kN 本例只有一个活荷载，即为第一可变荷载， 故计算由活载弯矩控制的跨中弯矩设计值时， G=1.2，Q1=1

17、.4。由式（2.3.2）得由活荷载弯矩 控制的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计 值分别为： 计算由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值时， G=1.2，Q1=1.4，c=0.7。由式（2.3.3）得由恒 荷载弯矩控制的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪 力设计值分别为： 取较大值得跨中弯矩设计值M=75.625kN.m， 支座边缘截面剪力设计值V=60.5kN。 3） 对于一般排架、框架结构的简化表达式 对一般排架、框架结构，可不区分第一可变荷 载和第i可变荷载，并采用相同的组合值系数，其 荷载效应组合设计值取由可变荷载效应控制和由 永久荷载效应控制的组合值中的最不利值。由可 变荷载效应控制的组合按下

18、式计算。 由永久荷载效应控制的组合仍按式（2.3.3） 采用。 2、正常使用极限状态设计根据不用的设 计要求，采用荷载效应的标准组合、频遇组合或 准永久组合，按照下式进行设计： 式中 S变形、裂缝等荷载效应的设计值； C结构构件达到正常使用要求所规定的限 制，如变形、裂缝宽度等。 l 混凝土结构的正常使用极限状态主要是验算 构件的变形、抗裂度或裂缝宽度，使其不超过相 应的规定限值； l 钢结构通过构件的变形（刚度）验算保证； l 砌体结构一般情况下不做验算，由相应的构造 措施保证。 （1）荷载效应组合设计值 1）对于标准组合，其荷载效应组合表达式为： 2）对于频遇组合，其荷载效应组合表达式为：

19、 3）对于准永久组合，其荷载效应组合表达式为 ： f1为可变荷载Q1的频遇值系数；qi为可变 荷载Qi的准永久值系数。 第三章 钢筋混凝土结构材料力学性能 本章主要内容 钢筋的品种、规格、强度、变形特性； 混凝土的种类、强度、变形特性； 钢筋和混凝土共同作用的特点及影响二者粘结性能的 因素。 钢筋和混凝土这两种性质不同的材料之所以能有 效地结合在一起而共同工作，主要是因为二者存有粘 结力、混凝土保护层以及两种材料的温度线膨胀系数 接近等因素。 3.2.2 钢筋的强度与变形 s e 钢筋的应力-应变关系 Stress-Strain Relation 一、一、有明显流幅的钢筋 Rebar with

20、 yield point a为比例极限 s =Ese a a为弹性极限 a de为强化段 b b为屈服上限 c为屈服下限，即屈服强度 fy c d cd为屈服台阶 e fu e为极限抗拉强度 fu fy f 几个指标： 屈服强度：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将有很大 的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝 土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限和加载速 度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。 极限强度：这是钢筋所能达到的最大强度，而极限强度与屈服 强度之比（强屈比）作为钢筋强度的安全储备。 延伸率：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延 伸率大的

21、钢筋，在拉断前有明显预兆，延性较好。 冷弯性：是反映钢筋塑性性能的另一个指标。是将直径为d的 钢筋绕某一规定直径为D的钢辊进行弯曲，在达到规定的冷弯 角度（180）时钢筋不发生裂纹、鳞落或断裂，就表示合格 二、二、无明显流幅钢筋的应力-应变曲线 a点：比例极限，约为0.65fu a点前：应力-应变关系为线弹性 a点后：应力-应变关系为非线性， 有一定塑性变形，且没有明显的屈 服点 强度设计指标条件屈服点 残余应变为0.2%所对应的应力 规范取s0.2 =0.85 fu 3.3 混凝土 3.3.1 混凝土的强度 1、混凝土的抗压强度 2、混凝土的抗拉强度 3、混凝土在复合应力作用下的强度 立方体

22、抗压强度 轴心抗压强度 1、混凝土立方体抗压强度 我国规范规定的标准测试方法是：以 150150150mm3的立方体试件，在203的温 度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28d龄期 ，用标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强 度（单位为MPa）作为混凝土立方体抗压强度标准 值，并以此划分强度等级。 混凝土强度等级一般可划分为：C15、C20、 C25、C30、C35、C40、C45、C50、C60、C65 、C70、C75、C80 2、混凝土轴心抗压强度 采用150mm150mm300mm棱柱体作为轴心抗 压强度标准试件。 轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系为？ 3、混凝土轴心抗拉强度

23、 采用100100500mm3的 棱柱体，两端设有螺纹钢 筋。在试验机上受拉，当 试件拉裂时测得的平均拉 应力即为混凝土的轴心抗 拉强度。混凝土的轴心抗 拉强度是钢筋混凝土结构 计算中计算抗裂度的重要 指标。 混凝土的双向受力强度： 双向受拉：强度接近单向 受力强度； 一拉一压：强度降低； 双向受压：强度比单向受 压时有较大提高。并随侧 向压力的增大而增大。 横向箍筋对柱混凝土起侧 向约束作用。 4、混凝土在复合应力作用下的强度 3.3.2 混凝土的变形 受力变形： 多次重复荷载下的变形 体积变形： 短期单调加载变形 荷载长期作用下的变形 收缩变形 温度变形 1.一次短期加载下混凝土的变形性能

24、 2.荷载长期作用下混凝土的变形性能（徐变） 3. 混凝土在重复作用下的变形（疲劳变形 ） 4. 混凝土的收缩与膨胀 1、一次短期加载下混凝土的变形性能 我国采用棱柱体试件测定一次短期加载下混凝土受 压应力-应变全曲线。这条曲线包括上升段和下降段 两个部分。 混凝土棱柱体受压应 力应变曲线 1）上升段（oc），又可分为三段： OA段（0.3fc0.4fc）：从加载至A点位第阶段, 混凝土的变形主要是弹性变形; AB段（=0.4fc0.8fc）:超过A点,进入裂缝稳定扩展 的第 阶段,混凝土的变形为弹塑性变形,临界点B 的应力可以作为长期抗压强度的依据; BC段（=0.8fc1.0fc）:裂缝快

25、速发展的不稳定状态 直至峰点C,为第 阶段,这时的峰值应力max通常 作为混凝土棱柱体的抗压强度fc. 2）下降段（CE）： 在峰值应力以后,裂缝迅速发展,试件的平均应力强 度下降,应力-应变曲线向下弯曲,直到凹向发生改变, 曲线出现”拐点(D)”.超过”拐点”,曲线开始凸向应变 轴,此段曲线中曲率最大的一点E称为”收敛点”.从收 敛点E开始以后的曲线称为收敛段,这时贯通的主裂 缝已很宽,对无侧向约束的混混土,收敛段EF已失去 结构意义. 2、荷载长期作用下混凝土的变形性能（徐变） （1）徐变的概念 结构或材料承受 的荷载或应力不变， 而应变或变形随时间 增长的现象称为徐变 。混凝土的徐变特性

26、 主要与时间参数有关 。混凝土的徐变（应变与 时间关系曲线） （2）产生徐变的主要原因 1）水泥凝胶体在外力作用下产生粘性流动的结果； 2）混凝土内部微裂缝在长期荷载作用下不断发展和增加 。 （3）影响徐变的因素 1）内在因素混凝土组成成分 水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变也越 大。骨料弹性性质也明显影响徐变值，一般，骨料越坚 硬，弹性模量越高，对水泥石徐变的约束作用越大，混 凝土的徐变越小。 2）环境因素养护及使用时的温度、湿度 养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变 越小；而使用受到荷载作用后所处的环境温度越高、湿 度越低，则徐变越大。 3）应力条件混凝土的应力越大徐变也越大

27、。 （4）徐变对混凝土结构和构件的工作性能的影响 由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在 钢筋混凝土截面中引起应力重分布。在预应力混凝 土结构中会造成预应力损失。 4、混凝土的收缩与膨胀 混凝土凝结硬化时，在空气中体积收缩，在水中体积膨 胀。通常，收缩值比膨胀值大很多。混凝土的收缩值随时 间而增长，蒸汽养护混凝土的收缩值要小于常温养护下的 收缩值。 养护不好以及混凝土构件的四周受约束从而阻止混凝 土收缩时，会使混凝土构件表面或水泥地面上出现收缩裂 缝。 混凝土的收缩 影响混凝土收缩的因素： （1）水泥品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大 。 （2）水泥用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越

28、大，收缩 也越大。 （3）骨料性质：骨料的弹性模量大，收缩小。 （4）养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越 小。 （5）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。 （6）使用环境：使用环境温度、湿度大时，收缩小。 （7）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。 3.4 混凝土与钢筋的粘结 3.4.1粘结的意义 1、粘结的意义 钢筋和混凝土能共同作用，除了二者具有相似的线膨 胀系数以外，更主要的是由于混凝土硬化后，钢筋与混凝 土之间产生了良好的粘结力。为了保证钢筋不被从混凝土 中拔出或压出，还要求钢筋具有良好的锚固。粘结和锚固 是钢筋和混凝土形成整体、共同作用的基础。 2、粘结应力 钢

29、筋混凝土受力后会沿钢筋和混凝土接触面上产生剪 应力，通常把这种剪应力称为粘结应力。根据受力性质的 不同，钢筋与混凝土之间的粘结应力可分为裂缝间的局部 粘结应力和钢筋端部的锚固粘结应力两种。 3.4.2 粘结力的组成 1、粘结力的组成 （1）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶 结力）。 （2）混凝土收缩握裹钢筋而产生摩阻力。 （3）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬 合作用力（咬合力）。 2、光圆钢筋和变形钢筋的粘结机理的主要差别 光圆钢筋粘结力主要来自胶结力和摩阻力，而变 形钢筋的粘结力主要来自机械咬合作用。二者的差别 ，可以用顶入木料中的普通钉和螺丝钉的差别来理解 。 3.4.3

30、 影响粘结强度的因素 （1）混凝土强度：光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度 都随混凝土的强度等级的提高而提高。 （2）保护层厚度：钢筋外围的混凝土保护层太薄， 可能使外围混凝土因产生径向劈裂而使粘结强度降低 。增大保护层厚度，保持一定的钢筋间距，可以提高 外围混凝土的抗劈裂能力，有利于粘结强度的充分发 挥。 （3）钢筋净距：混凝土构件截面上有多跟钢筋并列 在一排时，钢筋的净距对粘结强度有重要影响，钢筋 净距过小，外围混凝土将发生水平劈裂，形成贯穿整 个梁宽的劈裂裂缝，造成整个混凝土保护层剥落，粘 结强度显著降低。一排钢筋的根数越多，净距越小， 粘结强度降低的就越多。 （4）横向配筋：横向钢筋（如箍筋）可以限制混凝土 内部的裂缝的发展，提高粘结强度。横向钢筋还可以 限制到达构件表面的裂缝宽度，从而提高粘结强度。 （5）侧向压应力：在直接支承的支座处，如梁的简支 端，钢筋的锚固区受到来自支座的横向压应力，横向 压应力约束了混凝土的横向变形，使钢筋与混凝土抵 抗滑动的摩阻力增大，因而可以提高粘结强度。 （6）浇筑混凝土时钢筋的位置：浇筑混凝土时，深度 过大，钢筋地面的混凝土会出现沉淀收缩和离析泌水 ，气泡逸出，使混凝土与水平放置的钢筋之间产生强 度较低的疏松空隙层，从而会削弱钢筋与混凝土的粘 结作用。 （7）钢筋表面形状：变形钢筋的粘结强度大于光圆钢 筋。