结构选型1课件(第四章)

第四章:钢筋混凝土轴心受力构件本章重点•了解轴心受力构件在建筑工程中的应用情况•了解轴心受拉构件和轴心受压的受力全过程；•掌握轴心受拉构件和轴心受压构件正截面的计算方法；•熟悉轴心受力构件的一般构造要求。§4-1概述•钢筋砼轴心受力构件可分为受压和受拉两大类，建筑工程中大多数为轴心受压构件。•钢筋砼受压构件又分为轴心受压构件和偏心受压构件两类。图4-1为轴心受拉构件。实际工程中理想的轴心受压构件也是不存在的，但是在设计以恒载为主的多层房屋的内柱和屋架的受压腹杆图4-2等构件时，可近似的简化为轴心受压构件计算。图4-1轴心受拉构件AAAANN图4-1轴心受拉构件BACDDCBA图4-2轴心受压构件实例§4-2钢筋砼轴心受拉构件正截面承载力计算一、受力过程及破坏特征•轴心受拉构件从加载到破坏为止，其受力过程可分为三个不同阶段。⑴第Ⅰ阶段——钢筋和混凝土共同承受拉力，⑵第Ⅱ阶段—砼裂缝稳定发展阶段⑶第Ⅲ阶段—钢筋全部达到屈服，裂缝开展很大，构件达到了破坏状态。结论A:第一阶段承受拉力只有极限状态的20%～30%，一般砼轴拉构件不裂，承载力很低B:到了第三阶段，砼早已退出工作，只有钢筋提供承载力图4-3轴心受拉构件破环的三个阶段N=NuNcr＜N＜NuN≤Ncr(Ⅲ)(Ⅱ)(Ⅰ)(b)为开裂荷载Ncr(a)tε第Ⅰ阶段第Ⅱ阶段CBAONcrNNu二、轴心受拉构件正截面承载力计算•正截面是指与构件轴线垂直的截面。•对轴心受拉构件正截面承载力的计算而言，以构件的第三阶段的受力特征为依据，由平衡条件可得（图4-4）…4-10N——拉力的组合设计值；fy——钢筋抗拉强度设计值，fy300N/mm2；As——纵向钢筋面积。三、构造要求•⑴纵向受力钢筋•①受力钢筋沿截面周边均匀对称布置，并宜优先选择直径较小的钢筋；•②为避免配筋过少引起的脆性破坏，轴心手受拉构件一侧的受拉钢筋的配筋率应不小于0.2%和0.45ft/fy的较大值；•③轴心受拉构件的受力钢筋不得采用绑扎的搭接接头。•⑵箍筋•箍筋直径一般采用6mm或8mm，间距100-200mm。•[例4-1]某钢筋砼屋架下弦拉杆，截面尺寸200×200㎜2，按轴心受拉构件设计，轴心拉力设计值N=600kN，选用HRB335纵向钢筋，砼C30。试求拉杆所需纵向钢筋面积，并为其选配钢筋。•[解]a;数据准备由附表查得ft=1.43N/mm2,fy=300N/mm2•b;计算钢筋用量由式（4-1）可得•c;验算配筋率，全部受拉钢筋的最小配筋率••而实际配筋率，可以•d;配置纵向受拉钢筋4Φ25（As=1964mm2），箍筋6@200，配筋如图所示，从安全与经济两个方面考虑，选用钢筋时，应尽可能使实际配筋面积接近计算需要的面积，二者之差宜控制在±5%内。%43.0%43.030043.19.0%,4.0maxminmin%520020020002002004256＠200220003001000600mmAS§4-3轴心受压构件概述•截面多为正方形，需要时也可做成矩形、圆形、多边形等•轴心受压构件内配有纵向钢筋和箍筋。根据箍筋的配筋方式不同，轴心受压构件可分为配置普通箍筋和配置间距较密的螺旋箍筋（或环式焊接钢筋）两大类（图4-6）§4-4配有普通箍筋的轴心受压构件设计•一、钢筋骨架的组成和作用•钢筋骨架由纵向受压钢筋和箍筋共同组成。•纵向钢筋除了与砼共同承担轴向压力外，还能承担由于初始偏心和其他偶然因素引起的附加弯矩在构件中产生的拉应力。•而箍筋可以固定纵向受力钢筋的位置，防止纵向钢筋在砼压碎之前压屈，保证纵筋与砼共同受力直到构件破坏。•二、受力分析及破坏特征根据构件的长细比的不同，轴心受压构件可分为短柱和长柱。短柱：混凝土压碎，钢筋压屈长柱：构件压屈l0/i≤28(l0为柱计算长度，i为回转半径。)矩形截面柱，l0/b≤8•1、短柱的实验研究结果•在整个加载过程中，无纵向弯曲变形，当达到极限荷载时，砼的应力达到fc，纵筋也能达到fy，钢筋和砼都能得到充分的利用，柱子因砼被压碎而告破坏。•2、长柱的实验研究•加载过程中，初始偏心距将使构件产生附加弯矩和弯曲变形，结果表明，长柱的承载力低于相同条件短柱的承载力。引入稳定系数φ的方法来考虑长柱纵向挠曲的不利影响，φ值≤1.0，且随着长细比的增大而减少。对于长细比很大的构件，构件丧失稳定而引起破坏•所以，设计初定受压构件截面尺寸时，对矩形截面l0/b取15左右，防止发生由于长细比过大失稳。•表4-1钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数l0/b≤810121416182022242628l0/d≤78.510.5121415.517192122.524l0/i≤2835424855626976839097φ1.000.980.950.920.870.810.750.700.650.600.56l0/b3032343638404244464850l0/d262829.5313334.536.5384041.543l0/i104111118125132139146153160167174φ0.520.480.440.400.360.320.290.260.230.210.19•二、正截面承载力计算方法•由静力平衡条件并考虑长细比等因素的影响后，承载力可按下式计算：（4-1）•式中N---轴向压力设计值；φ---钢筋混凝土构件的稳定系数fc---混凝土轴心抗压强度设计值（当现浇受压构件截面的长边或直径小于300mm，乘以0.8折减系数）A---构件截面面积，当纵向钢筋配筋率大于3%时，公式(4-1)中的A应改用(A-A's)代替。•---全部纵向钢筋的截面面积；--钢筋抗压强度设计值•0.9---修正系数)(9.0AfAfNcssyfSANfy′As′fc′sAhb•[例4-2]某钢筋混凝土轴心受压柱，承受轴心压力设计值N=2460kN，若柱的计算长度l0=4.5m，选用C25级混凝土（）和HRB335级钢筋（），试设计该柱截面，并确定截面配筋•解:①初估截面尺寸•柱的常用长细比8～15之间，取长细比为12，则b=4500/12=375，取b=h=400mm•②确定稳定系数φ由，查表4-1得φ=0.961。•③计算•由式（4-1）可求得:••29.11mmNfc2300mmNfy25.1140045000blmmfAfNAycS3134300961.09.04004009.11961.09.01024609.09.03%3%6.0%96.14004003134minAAsSA400400322522图4-10[例题4-2]截面配筋图•④验算配筋率选8Φ22（=3041mm2，与计算误差为（3134-3041）/3134=2.97%，满足要求）截面配筋（图4-10）SA%3%6.0%96.14004003134minAAs三、构造要求1、材料•砼宜采用强度等级较高的砼，如C30,C40等。在高层建筑和重要结果中，应选用强度更高的砼。•不宜选用高强度钢筋作为受压钢筋。同时，也不得用冷拉钢筋作为受压钢筋。2、截面形式•轴心受压构件以方形为主，根据需要也可采用矩形截面、圆形截面或正多边形截面；•截面最小边长不宜小于250mm，构件长细比一般为15左右，不宜大于30。3、纵向钢筋•纵向受压钢筋直径d≥12mm，以选用较大直径的钢筋。矩形截面根数不应少于4根，圆型柱不宜少于8根。•全部纵向钢筋的配筋率ρ‘不宜超过5%。4、箍筋•应采用封闭式箍筋，箍筋直径≥6mm，常用箍筋间距s在100mm～300mm之间。•当柱每边的纵向受力钢筋不多于3根（或当柱短边尺寸b）≤400mm而纵筋不多于4根）时，可采用单个箍筋，否则应设置复合箍筋（图4-11）•b≤400b＞400b＞400b＞400图4-11轴心受压柱的箍筋形式§4-5配有螺旋式箍筋的轴心受压构件设计螺旋箍筋柱的工程应用情况：当轴向受压构件的轴向荷载设计值较大，但其截面尺寸由于建筑上及使用上的要求而受到限制，为了提高构件的承载能力，设计成螺旋箍筋柱。这种柱的用钢量相对较大，构件的延性好抗震能力强，而截面常设计成圆形，如图4-13所示。dcordddcordcordsAcor图4-13配有螺旋式或焊接环式箍筋柱及截面•一、受力分析及破坏特征•实验表明，在轴向压力作用下，配置间距较密螺旋式箍筋柱，能有效地限制砼核心部分的变形，使核心砼处在三向压应力下工作。箍筋外部的砼将被压坏开始剥落，而箍筋以内即核心部分的砼仍能继续承载，只有当箍筋达到抗拉屈服强度而失去约束砼横向变形的能力时，核心砼才被压碎而导致整个构件破坏，承载力提高，其破坏形式如图4-12所示。二、正截面承载力计算•当有径向压应力σ2从周围作用在砼上时，核心砼的抗压强度将从单向受压的fc提高到fc1，按砼三轴受压试验的结果可得•(4-2)•取一螺距（间距）s间的柱体为脱离体，螺旋箍筋的受力状态如图4-14所示，并列平衡方程得214ccff0211212244222SScorycorcorssycorssyssycorAAfsddAfsdAfAfsd（4-3）…4-4corcAAfffss0yc12AfAfNycorc1sAfAAAfAfycorcorss0ycorc2s…4-5ssoysycorcAfAfAf2（4-3）式代入（4-2）式中，得根据轴向力平衡条件可得：规范从提高安全度考虑，采用下式设计：…4-6)2(9.0ssoysycorcAfAfAfN——间接钢筋的强度；yf——构件的核心截面面积；corA——单根间接钢筋的截面面积；ss1A——间接钢筋的间距；S——间接钢筋的换算面积，；ssoASAdAss1corsso——间接钢筋对混凝土约束的折减系数，85.0~0.1；按螺旋箍筋柱设计应满足构造要求：1、按公式(4-6)算得Nu应大于按式(4-1)算得的Nu,但不能大于1.5倍。2、当l0/d≤12时；3、当螺旋箍筋的换算截面面积Ass0≥25%As′注意：三个条件必须同时满足•[例4-3]某多层框架结构，底层门厅柱为圆形截面，直径d=400mm，柱的计算长度l0=4.2m，轴心压力设计值N=2950KN。砼强度等级为C30，纵向钢筋采用HRB400，箍筋采用HRB335。砼保护层厚度30mm。试求柱中所需纵筋及箍筋。[解]①材料设计参数准备由附表查得C30砼的fc=14.3N/mm2,α=1.0；HRB400钢筋fy=360N/mm2,HRB335钢筋的fy=300N/mm2②判定螺旋箍筋柱是否适用，适用125.1040042000dl③定As′•依据工程设计经验柱的经济配筋率在ρ'=1%~4%之间，本题取ρ'=2.5%，•则•选用10Φ20（As′=3142mm2）④求所需的间接钢筋的换算面积Ass0柱的核心直径柱的核心面积根据式（4-7）得•因为，•故可考虑螺旋箍筋的作用。2231404400025.0mmAAs2231404400025.0mmAAsmmcddcor3403024002mmcddcor340302400222290746434014.34mmdAcorcor2014153000.12)3142360907463.14(9.029500002)(9.0mmfAfAfNAysycorcss20786314225.025.0mmAAsss⑤确定螺旋箍筋的直径和间距•螺旋箍筋的直径取为10mm，Ass0=78.5mm2,则螺旋箍筋的间距由式(4-8)得•取s=50mm，满足40mm≤s≤80mm以及s≤0.2dcor=0.2×340=68mm。⑥复核承载力及砼保护层是否过早脱落•由l0/d=10.5查表4-1得φ=0.