第3章 轴心受力构件承载力

第3章轴心受力构件承载力第一节：受压构件的一般构造第二节：轴心受压构件正截面承载力计算第三节：轴心受拉构件正截面承载力的计算§3.1轴心受力构件的一般构造概述对于单一匀质材料的构件，当纵向外力N的作用线与构件截面的形心线重合时，称为轴心受力构件，不重合时称为偏心受力构件。轴心压力作用于构件截面的形心时，称为轴心受压构件，轴心拉力作用于构件截面的形心时，称为轴心受拉构件。工程实例构造要求构造设计是结构设计的重要方面。结构设计除了需要进行结构承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算设计外，还须进行结构构造设计。结构构造设计，是指在结构计算中未能详细考虑或很难定量计算的因素，已被长期工程经验验证的合理技术措施，以确保结构安全。普通箍筋柱普通箍筋轴心受力柱是由混凝土、纵筋和一般横向箍筋组成。①与混凝土共同承受压力，提高构件截面受压承载力；纵筋的作用②提高构件的变形能力，改善受压破坏的脆性；③承受可能产生的偏心弯矩、混凝土收缩及温度变化引起的拉应力；④减少混凝土的徐变变形。①防止纵向钢筋受力后压屈和固定纵向钢筋位置；横向箍筋的作用②改善构件破坏的脆性；③当采用密排箍筋时还能约束核芯内混凝土，提高其极限变形值；④箍筋与纵筋形成骨架，保证骨架刚度。材料要求一般采用C20~C50强度等级混凝土，对于高层建筑的底层柱，必要时可采用C50以上的高强度混凝土。纵向受力钢筋一般采用HRB400级、RRB400级和HRB500级，不宜采用高强度钢筋，因为与混凝土共同受压时，不能充分发挥其高强度的作用。箍筋一般采用HPB300级、HRB335级、HRB400级钢筋，也可采用HRB400级钢筋。截面设计结构设计时，截面形式及尺寸是根据设计要求、荷载情况，用经验公式、轴压比和工程经验等预先估计确定。为了充分利用材料强度，避免构件长细比过大，承载能力降低过多，常取l0/b≤30，l0/h≤25，一般l0/h为15左右。柱截面在轴心受压情况下一般采用方形或矩形，有特殊要求时，可采用圆形或多边形。柱截面尺寸在800mm以下者，宜取50mm的倍数；800mm以上者，可取100mm的倍数。纵向受力钢筋纵向受力钢筋是通过计算确定的。轴心受压柱的受力纵筋原则上应沿构件受力方向设置，周边均匀、对称布置，要成双配置，用箍筋固定位置，并有足够混凝土保护层厚度。矩形截面的钢筋根数不应小于4根，圆形截面的钢筋根数不宜少于8根，不应小于6根。纵向受力钢筋直径d不宜小于12mm，通常在12mm~32mm范围内选用。规定受压构件最小配筋率的目的是改善其脆性特征，避免混凝土突然压溃，能够承受收缩和温度引起的拉应力，并使受压构件具有必要的刚度和抗偶然偏心作用的能力。《混凝土结构设计规范》规定，轴心受压构件全部钢筋的最小配筋率为0.6%，轴心受拉构件单边的最小配筋率为0.20%和45ft/fy中较大者，当混凝土强度等级为C60及以上时，最小配筋率上调0.1％。受压构件中全部纵向钢筋的配筋率也不宜过大，受压构件的最大配筋率为5%。①当配筋率过大时，如果在短期内加载速度过快，混凝土的塑性变形来不及充分发展，有可能引起混凝土过早破坏。作用②在荷载长期作用下，徐变使混凝土中的压应力降低较多，如果有些构件在荷载持续过程中突然卸荷。由于混凝土的徐变变形大部分不可恢复，而钢筋的回弹有可能使混凝土中出现拉应力，甚至引起开裂，其机理将在短柱的受力机理中进一步分析；③考虑到经济和施工方便。钢筋间距与保护层厚度纵向受力钢筋的净距不应小于50mm，最大净距不宜大于300mm。其对水平浇筑的预制柱，其纵向钢筋的最小净距，上部纵向受力钢筋水平方向不应小于30mm和1.5d（d为钢筋的最大直径），下部纵向钢筋水平方向不应小于25mm和d。①钢筋与混凝土协同工作，存在着粘结锚固作用；保护层的作用②耐久性要求；③防止暴裂的出现。混凝土结构的使用环境类别环境类别条件一室内干燥环境；无侵蚀性静水浸没环境二a室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境、非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境b干湿交替环境；水位频繁变动环境；严寒和寒冷地区的露天环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境三a严寒和寒冷地区冬季水位变动区环境；受除冰盐影响环境；海风环境b盐渍土环境；受除冰盐作用环境；海岸环境四海水环境五受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境混凝土保护层的最小厚度c(mm)环境类别板、墙、壳梁、柱、杆一1520二a2025二b2535三a3040三b4050注：1.混凝土强度等级不大于C25时，表中保护层厚度数值应增加5mm；2.钢筋混凝土基础宜设置混凝土垫层，基础中钢筋的混凝土保护层厚度应从垫层顶面算起，且不应小于40mm。箍筋①与纵筋形成钢筋骨架，便于纵筋的定位，同时还可以减小受压纵筋的支承长度，增强钢筋骨架的稳定性。箍筋应做成封闭式，其作用是②对于承受较大横向剪力的构件，箍筋可以协同混凝土抗剪，提高构件的抗剪强度。③箍筋对核芯部分混凝土有一定的约束作用。从而改变了核芯部分混凝土的受力状态，可使其强度和延性有所提高。当箍筋的间距较小时，约束作用比较显著。箍筋直径不应小于d/4，且不应小于6mm（d为纵筋最大直径）。箍筋间距不应大于400mm及构件截面的短边尺寸，且不应大于15d（d为纵筋最小直径），当柱中全部纵筋配筋率超过3%时，箍筋直径不应小于8mm，其间距应不大于10d（d为纵筋最小直径），且不应大于200mm。箍筋末端应做成135°弯钩且弯钩末端平直段长度不应小于箍筋直径的10倍；箍筋也可焊成封闭环式。当柱截面短边尺寸大于400mm且各边纵向钢筋多于3根时，或柱截面短边尺寸不大于400mm但各边纵向钢筋多于4根时，应设置复合箍筋。螺旋箍筋柱螺旋箍筋轴心受力柱是由混凝土、纵筋和横向钢筋组成，横向钢筋采用螺旋式或焊接环式钢筋。在配有螺旋式或焊接环式间接钢筋的柱中，如计算中考虑间接钢筋的作用，则间接钢筋的间距不应大于80mm及dcor/5(为按间接钢筋内表面确定的核心截面直径)，且不宜小于40mm；间接钢筋的直径不应小于d/4，且不应小于6mm，d为纵向钢筋的最大直径。间接钢筋的直径按柱的箍筋构造要求规定采用。纵向钢筋通常沿截面周边均匀配置，一般为6~8根，常用的纵向钢筋配筋率为0.8~2.5%。§3．2轴心受压构件正截面受压承载力柱的分类由于受压柱长度不同，柱的破坏行为不同，《混凝土结构设计规范》根据长细比（构件的计算长度l0与构件的短边b或截面回转半径i之比），将柱分为长柱和短柱两类。《规范》规定，柱的长细比满足以下条件时属短柱：矩形截面l0/b≤8；圆形截面l0/d≤7；任意截面l0/i≤28否则，柱的长细比较大，柱的极限承载力将受侧向变形所引起的附加弯矩影响而降低，称为长柱。当水平荷载产生的弯矩设计值占总弯矩设计值的75%以上时Hllu)](15.01[0Hl)2.02(min0min短柱第Ⅰ阶段——弹性阶段轴向压力与截面钢筋和混凝土的应力基本上呈线性关系第Ⅱ阶段——弹塑性阶段混凝土进入明显的非线性阶段，钢筋的压应力比混凝土的压应力增加得快，出现应力重分布。第Ⅲ阶段——破坏阶段钢筋首先屈服，有明显屈服台阶的钢筋应力保持屈服强度不变，，混凝土的应力也随应变的增加而继续增长。当混凝土压应力达到峰值应变，外荷载不再增加，压缩变形继续增加，出现的纵向裂缝继续发展，箍筋间的纵筋发生压屈向外凸出，混凝土被压碎而整个构件破坏。应力峰值时的压应变一般在0.0025~0.0035之间。《规范》偏于安全地取最大压应变为0.002。受压纵筋屈服强度约σ´s=Esε´s=200×103×0.002=400N/mm2。采用f´y400Mpa钢筋，则纵筋不屈服。在轴心受压短柱中，不论受压纵筋是否屈服，构件的最终破坏形态均是由混凝土压碎所控制，这一阶段是计算轴心受压构件极限强度的依据。荷载长期作用，如果构件在持续荷载过程中突然卸载，则混凝土只能恢复其全部压缩变形中的弹性变形部分，其徐变变形大部分不能恢复，而钢筋将能恢复其全部压缩变形，这种情况下，钢筋受压，混凝土受拉。有可能使混凝土内的应力达到抗拉强度而立即断裂。《规范》规定柱的全部纵向受压钢筋配筋率不宜大于5.0％。长柱加载后，初始偏心距导致产生附加弯矩，附加弯矩又引起了侧向挠度，侧向挠度增大了荷载的偏心距；随着荷载的增加，附加弯矩和侧向挠度将不断增大。破坏时，首先在凹侧出现纵向裂缝，随后混凝土被压碎，纵筋被压屈向外凸出；凸侧混凝土出现垂直于纵轴方向的横向裂缝，侧向挠度急剧增大，柱子破坏。试验表明，长柱的破坏荷载低于其他条件相同的短柱破坏荷载，长细比越大，各种偶然因素造成的初始偏心距将越大，产生的附加弯矩和相应的侧向挠度也越大，承载能力降低越多。对于长细比很大的细长柱，还可能发生失稳破坏现象。在长期荷载作用下，由于混凝土的徐变，侧向挠度将增大更多，从而使长柱的承载力降低的更多，长期荷载在全部荷载中所占的比例越多，其承载力降低的越多。稳定系数《规范》采用稳定系数来表示长柱承载力的降低，即为长柱受压承载力和短柱受压承载力的比值suluNN1208002.01bl正截面承载力计算根据结构设计原则，N是正截面的轴向压力设计值，Nu是正截面的受压承载力设计值，N相当于荷载效应组合S，是由内力计算得到的，Nu相当于截面的抗力R，在考虑长柱承载力的降低和可靠度的调整因素后，轴心受压柱正截面受压承载力''9.0sycuAfAfNN截面设计计算步骤1.已知轴心压力设计值N、材料强度设计值(即fc、fy)构件长度和支承情况(或l0已知)2假定ρ´和φ令N=Nu由公式，''9.0sycuAfAfNN得截面面积)(9.0ycffNA3由公式ycsfAfNA9.09.0得纵向受压钢筋面积A´s(1)配筋率应当以构件的全部面积为分母求得；截面设计应注意的问题(2)检查是否满足最小配筋率、单面最小配筋率以及不超过最大配筋率的要求；(3)计算高度受构件支承条件的影响；(4)实际配筋面积与计算配筋的面积的误差控制在5%左右，比较合理。截面复核截面尺寸、材料强度设计值及构件长度和支承情况（或l0）均为已知，如上求得，求Nu，检查是否满足。''9.0sycuAfAfNN螺旋箍筋柱轴心受压正截面承载力螺旋箍筋使核芯混凝土处于三向受压状态，限制了混凝土的横向膨胀，因而提高了柱子的抗压强度和变形能力。A素混凝土柱；B普通箍筋柱；C螺旋箍筋柱。当荷载增加到使螺旋箍筋屈服时，才使螺旋箍筋对核芯混凝土约束作用开始降低，柱子才开始破坏，柱破坏时的变形达0.01。其极限荷载一般要大于同样截面尺寸的普通箍筋柱。正截面承载力计算rcff隔离体的平衡方程sddAfcorrssy2012cos22约束混凝土的轴向抗压强度corssyrsdAf12sddAfcorcorssy44221corssyAAf20sAdAsscorss10取''sycorrcuAfAfN''sycoruAffAN''20syssycorcuAfAfAfN令22''20syssycorcuAfAfAfN考虑可靠度的调整系数0.90''29.0ssysycorcuAfAfAfNN比普通螺旋箍筋柱的承载能力表达式多了第三项，此项为螺旋箍筋柱承载能力的提高值。为了保证间接钢筋外面的混凝土保护层不至于在正常使用阶段就过早剥落。0''29.0ssysycorcuAfAfAfNN小于1.5倍的''9.0sycuAfAfNN1)当l0/b＞12时，此时因长细比较大，有可能因纵向弯曲引起螺旋箍筋不起作用；凡属下列情况之一者，不考虑间接钢筋的影响2)如果因混凝土保护层退出工作引起构件承载力降低的幅度大于因核芯混凝土强度提高而使构件承载力增加的幅度，即当0'