混凝土结构设计课件 第六章 受压构件的截面承载力

混凝土结构设计原理DesignPrincipleforConcreteStructure引言双向偏心受压构件单向偏心受压构件受压构件类型偏心受压构件轴心受压构件第六章受压构件的截面承载力(a)轴心受压(b)单向偏心受压(c)双向偏心受压(a)轴心受压(b)单向偏心受压(c)双向偏心受压(a)轴心受压(b)单向偏心受压(c)双向偏心受压第六章受压构件的截面承载力破坏形态斜截面破坏正截面破坏由M与N引起的破坏由M、N与V引起的破坏受力类型偏心受压构件受弯构件N=0,M≠0N≠0,M=0轴心受压构件N≠0,M≠0引言6受压构件截面承载力主要内容6.1受压构件一般构造6.2轴心受压构件正截面受压承载力6.3偏心受压构件正截面受压破坏形态6.4偏心受压长柱的二阶弯矩6.5矩形截面正截面受压承载力的一般计算公式6.6不对称配筋矩形截面正截面承载力计算6.7对称配筋矩形截面正截面承载力计算6.8正截面承载力Nu-Mu相关曲线及其应用6.9双向偏心受压构件正截面受压承载力计算6.10偏心受压构件斜截面承载力计算主要内容6受压构件截面承载力6.1受压构件一般构造截面形式与尺寸◆采用矩形截面，单层工业厂房的预制柱常采用工字形截面。◆圆形截面主要用于桥墩、桩和公共建筑中的柱。◆柱的截面尺寸不宜过小，一般应控制在l0/b≤30及l0/h≤25。◆当柱截面的边长在800mm以下时，一般以50mm为模数，边长在800mm以上时，以100mm为模数。材料的选择◆混凝土：受压构件的承载力主要取决于混凝土强度，一般应采用强度等级较高的混凝土。目前我国一般结构中柱的混凝土强度等级常用C25~C40，在高层建筑中，C50~C60级混凝土也经常使用。◆钢筋：纵筋通常采用HRB335级、HRB400级和RRB400级钢筋，不宜过高。箍筋通常采用HRB335级和HRB400级，也可采用RRB400级钢筋。截面与材料6.1受压构件一般构造纵向钢筋◆为提高受压构件的延性，减少混凝土收缩和温度变化产生的拉应力，规定了受压钢筋的最小配筋率。◆《规范》规定，轴心受压构件、偏心受压构件全部纵向钢筋的配筋率不应小于0.6%；当混凝土强度等级大于C50时不应小于0.7%；一侧受压钢筋的配筋率不应小于0.2%，受拉钢筋最小配筋率的要求同受弯构件。◆另一方面，考虑到施工布筋不致过多影响混凝土的浇筑质量，全部纵筋配筋率不宜超过5%。◆全部纵向钢筋的配筋率按r=(A's+As)/A计算，一侧受压钢筋的配筋率按r'=A's/A计算，其中A为构件全截面面积。纵筋6.1受压构件一般构造纵向钢筋◆柱中纵向受力钢筋的的直径d不宜小于12mm，且选配钢筋时宜根数少而粗，但对矩形截面根数不得少于4根，圆形截面根数不宜少于8根，且应沿周边均匀布置。◆当柱为竖向浇筑混凝土时，纵筋的净距不应小于50mm。◆对水平浇筑的预制柱，其纵向钢筋的最小净距应按梁的规定取值。◆截面各边纵筋的中距不应大于300mm。当h≥600mm时，在柱侧面应设置直径10~16mm的纵向构造钢筋，并相应设置附加箍筋或拉筋。纵筋6.1受压构件一般构造偏心受压柱的纵向构造钢筋与复合箍筋纵筋6.1受压构件一般构造箍筋◆受压构件中箍筋应采用封闭式，其直径不应小于d/4，且不小于6mm，此处d为纵筋的最大直径。◆箍筋间距对绑扎钢筋骨架，箍筋间距不应大于15d；对焊接钢筋骨架不应大于20d（d为纵筋的最小直径）且不应大于400mm，也不应大于截面短边尺寸◆当柱中全部纵筋的配筋率超过3%，箍筋直径不宜小于8mm，且箍筋末端应作成135°的弯钩，弯钩末端平直段长度不应小于10倍箍筋直径，或焊成封闭式；箍筋间距不应大于10倍纵筋最小直径，也不应大于200mm。◆当柱截面短边大于400mm，且各边纵筋配置根数超过3根时，或当柱截面短边不大于400mm，但各边纵筋配置根数超过4根时，应设置复合箍筋。◆对截面形状复杂的柱，不得采用具有内折角的箍筋，以避免箍筋受拉时产生向外的拉力，使折角处混凝土破损。箍筋6.1受压构件一般构造复杂截面的箍筋形式复杂截面的箍筋形式箍筋6.2轴心受压构件正截面受压承载力◆在实际结构中，理想的轴心受压构件几乎是不存在的。◆通常由于施工制造的误差、荷载作用位置的偏差、混凝土的不均匀性等原因，往往存在一定的初始偏心距。◆但有些构件，如以恒载为主的等跨多层房屋的内柱、桁架中的受压腹杆等，主要承受轴向压力，可近似按轴心受压构件计算。普通钢箍柱螺旋钢箍柱普通箍筋柱：纵筋的作用？箍筋的作用？螺旋箍筋柱：箍筋的形状为圆形，且间距较密，其作用？概述概述6.2轴心受压构件正截面受压承载力概述纵筋的作用：◆协助混凝土受压受压钢筋最小配筋率：0.6%(单侧0.2%)◆承担弯矩作用◆减小持续压应力下混凝土收缩和徐变的影响。试验表明，收缩和徐变能把柱截面中的压力由混凝土向钢筋转移，从而使钢筋压应力不断增长。压应力的增长幅度随配筋率的减小而增大。如果不给配筋率规定一个下限，钢筋中的压应力就可能在持续使用荷载下增长到屈服应力水准。6.2轴心受压构件正截面受压承载力概述箍筋的作用：◆与纵筋形成骨架，便于施工；◆防止纵筋的压屈；◆对核心混凝土形成约束，提高混凝土的抗压强度，增加构件的延性。6.2轴心受压构件正截面受压承载力普通箍筋柱一、轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算1.破坏形态及受力分析截面应变大体上均匀分布，随着外荷增大，纵筋先达到屈服，随着荷载增加，最后混凝土达到最大应力值。为什么？短柱6.2轴心受压构件正截面受压承载力普通箍筋柱一、轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算1.破坏形态及受力分析截面应变大体上均匀分布，随着外荷增大，纵筋先达到屈服，随着荷载增加，最后混凝土达到最大应力值。EcscccEsssE设计时，偏安全取εc=0.002，混凝土达到fc，此时钢筋的应力为：522100.002400/sssENmm短柱6.2轴心受压构件正截面受压承载力普通箍筋柱一、轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算1.破坏形态及受力分析长柱在轴力和弯矩的共同作用下发生破坏，首先在构件凹侧出现纵向裂缝，随后混凝土被压碎，纵筋被压曲外凸，凸侧混凝土出现横向裂缝，侧向挠度急剧增大，柱子被破坏。初始偏心距＋由初始偏心距引起的附加弯矩6.2轴心受压构件正截面受压承载力2.承载力计算轴心受压短柱sucysNfAfA轴心受压长柱lsuuNNlusuNN稳定系数稳定系数主要与柱的长细比l0/i有关0.9()ucysNNfAfA普通箍筋柱6.2轴心受压构件正截面受压承载力3.公式的应用普通箍筋柱截面设计问题（1）根据构造要求及经验，确定定截面尺寸（b，h）0,(),,cyNHlff求：步骤：已知：,sAA（2）计算l0，确定（4）选配筋并绘制配筋图。（3）计算As′6.2轴心受压构件正截面受压承载力3.公式的应用普通箍筋柱截面校核问题0,,(),,,cysbhHlffA求：步骤：已知：uN（2）计算Nu则则若若'3%r'3%rcys0.9()uNfAfA'cys0.9[()]usNfAAfA（1）确定6.2轴心受压构件正截面受压承载力混凝土圆柱体三向受压状态的纵向抗压强度214cf二、轴心受压螺旋式箍筋柱的正截面受压承载力计算螺旋箍筋柱6.2轴心受压构件正截面受压承载力螺旋箍筋柱螺旋箍筋柱与普通箍筋柱力－位移曲线的比较6.2轴心受压构件正截面受压承载力2fyAss1fyAss12sdcors(a)(b)(c)螺旋箍筋柱6.2轴心受压构件正截面受压承载力2fyAss1fyAss12sdcors(a)(b)(c)122ssycorAfsdcorssydsAf122corssycdsAff118达到极限状态时（保护层已剥落，只考虑核心混凝土）214cf螺旋箍筋柱corcorssysycorcsycoruAdsAfAfAfAfAσN1186.2轴心受压构件正截面受压承载力2fyAss1fyAss12sdcors(a)(b)(c)01sssscorAsAdsAdAsscorss1002ssysycorcuAfAfAfN214cf螺旋箍筋柱corcorssysycorcsycoruAdsAfAfAfAfAσN1186.2轴心受压构件正截面受压承载力达到极限状态时（保护层已剥落，只考虑核心混凝土）2fyAss1fyAss12sdcors(a)(b)(c)01sssscorAsAdsAdAsscorss1002ssysycorcuAfAfAfN00.9(2)uccorysyssNNfAfAfA螺旋箍筋对承载力的影响系数，当fcu,k≤50N/mm2时，取=1.0；当fcu,k=80N/mm2时，取=0.85，其间直线插值。螺旋箍筋柱6.2轴心受压构件正截面受压承载力螺旋箍筋柱采用螺旋箍筋可有效提高柱的轴心受压承载力。但配置过多，极限承载力提高过大，则会在远未达到极限承载力之前保护层剥落，从而影响正常使用。《规范》规定：●按螺旋箍筋计算的承载力不应大于按普通箍筋柱受压承载力的50%；●对长细比过大柱，由于纵向弯曲变形较大，截面不是全部受压，螺旋箍筋的约束作用得不到有效发挥。因此，对长细比l0/d大于12的柱不考虑螺旋箍筋的约束作用；●螺旋箍筋的约束效果与其截面面积Ass1和间距S有关，为保证约束效果，螺旋箍筋的换算面积Ass0不得小于全部纵筋A's面积的25%；●螺旋箍筋的间距S不应大于dcor/5，且不大于80mm，同时为方便施工，S也不应小于40mm。螺旋箍筋柱限制条件6.2轴心受压构件正截面受压承载力思路：螺旋箍筋柱一个公式，需配置两种钢筋，其Ass1=?As′=？假定受压筋As′由公式计算出Asso假定箍筋直径d，去求出S或假定S求箍筋直径dsAdAsscorss106.2轴心受压构件正截面受压承载力公式应用6.3偏心受压构件正截面受压破坏形态一、受拉破坏形态偏心受压构件的破坏形态与偏心距e0和纵向钢筋配筋率有关fyAsf'yA'sNMM较大，N较小偏心距e0较大fyAsf'yA'sNAs配筋合适受拉破坏6.3偏心受压构件正截面受压破坏形态◆截面受拉侧混凝土较早出现裂缝，As的应力随荷载增加发展较快，首先达到屈服强度。◆此后，裂缝迅速开展，受压区高度减小。◆最后受压侧钢筋A's受压屈服，压区混凝土压碎而达到破坏。◆这种破坏具有明显预兆，变形能力较大，破坏特征与配有受压钢筋的适筋梁相似，承载力主要取决于受拉侧钢筋。◆形成这种破坏的条件是：偏心距e0较大，且受拉侧纵向钢筋配筋率合适，通常称为大偏心受压。一、受拉破坏形态偏心受压构件的破坏形态与偏心距e0和纵向钢筋配筋率有关受拉破坏6.3偏心受压构件正截面受压破坏形态受拉破坏时的截面应力和受拉破坏形态（a）截面应力（b）受拉破坏形态受拉破坏6.3偏心受压构件正截面受压破坏形态产生受压破坏的条件有两种情况：⑴当相对偏心距e0/h0较小，截面全部受压或大部分受压sAsf'yA'sN⑵或虽然相对偏心距e0/h0较大，但受拉侧纵向钢筋配置较多时sAsf'yA'sN相对偏心距e0/h0较小As太多二、受压破坏形态受压破坏6.3偏心受压构件正截面受压破坏形态产生受压破坏的条件有两种情况：⑴当相对偏心距e0/h0较小，截面全部受压或大部分受压⑵或虽然相对偏心距e0/h0较大，但受拉侧纵向钢筋配置较多时◆截面受压侧混凝土和钢筋的受力较大。◆而受拉侧钢筋应力较小。◆当相对偏心距e0/h0很小时，“受拉侧”还可能出现“反向破坏”情况。◆截面最后是由于受压区混凝土首先压碎而达到破坏。◆承载力主要取决于压区混凝土和受压侧钢筋，破坏时受压区高度较大，远侧钢筋可能受拉也可能受压，破坏具有脆性性质。◆第二种情况在设计应予避免，因此受压破坏一般为偏心距较小的情况，故常称为小