第6章受压构件的截面承载力

第六章受压构件的截面承载力受压构件概述受压构件在结构中具有重要作用，一旦破坏将导致整个结构的损坏甚至倒塌。(a)轴心受压(b)单向偏心受压(c)双向偏心受压轴心受压承载力是正截面受压承载力的上限。先讨论轴心受压构件的承载力计算，然后重点讨论单向偏心受压的正截面承载力计算。6.1受压构件一般构造要求6.1.1截面形式及尺寸形状：矩形、圆形、T形、Ⅰ形、环形尺寸：不宜小于250×250mm柱计算长度，计算方法见《规范》7.3.11Ⅰ形☺翼缘厚度不宜小于120mm，☺腹板厚度不宜小于10mm的倍数以上，倍数，以下；1008005080025,3000mmhlbl0l6.1.2材料强度要求混凝土常用C20~C40钢筋常用HRB335、HRB400及RRB400，不宜用高强钢筋？6.1.3材料强度要求最小配筋率（?）：单侧0.2%，全部0.6%☺柱配筋率是按照全面积计算最大配筋率：不宜超过5%根数：矩形不少于4根；圆形不宜少于8根，不应少于6根直径：不宜小于12，通常16～32mm，选粗截面各边纵向受力筋的中距不应大于300mm；净距不小于50mm。水平浇筑是最小净距可减小，但不应小于30mm和1.5d（纵筋最大直径）即梁的要求。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。接头：机械连接、焊接、搭接☺下列情况不宜采用搭接接头•直径大于28mm的受拉钢筋•直径大于32mm的受压钢筋I形截面偏心受压构件的纵向构造钢筋6.1.4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。纵筋搭接区段☺受拉：直径不宜小于d/4，间距不大于5d/100mm☺受压：直径不宜小于d/4，间距不大于10d/200mm☺搭接筋直径大于25mm，在接头端外100mm各设两个箍筋•d：搭接中的较小直径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。复杂截面的箍筋形式N6.2轴心受压构件正截面承载力由于施工制造误差、荷载位置的偏差、混凝土不均匀性等原因，往往存在一定的初始偏心距以恒载为主的等跨多层房屋内柱、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在实际结构中，理想的轴心受压构件是不存在的按箍筋作用和配置方式：普通箍筋柱螺旋箍筋柱6.2.1轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算BehaviorofAxialCompressiveMember1.受力分析和破坏形态短柱我们通常将柱的截面尺寸与柱长之比较小的柱，称为短柱。在实际结构中，带窗间墙的柱、高层建筑地下车库的柱子，以及楼梯间处的柱都容易形成短柱。受压短柱的破坏过程应力轴力混凝土的应力增长钢筋应力增长在开始加载时，混凝土和钢筋都处于弹性工作阶段，钢筋和混凝土的应力基本上按弹性模量的比值来分配。随着荷载的增加，混凝土应力的增加愈来愈慢，而钢筋的应力基本上与其应变成正比增加，柱子变形增加的速度就快于外荷增加的速度。随着荷载的继续增加，柱中开始出现微小的纵向裂缝。在临近破坏荷载时，柱身出现很多明显的纵向裂缝，混凝土保护层剥落，箍筋间的纵筋被压曲向外鼓出，混凝土压碎。柱子发生破坏时，混凝土的应变达到其抗压极限应变，而钢筋的应力一般小于其屈服强度。00.0010.00210020030040050020406080100scssescfy=540MPafy=230MPa长柱我们通常将截面尺寸与柱长之比较大的柱定义为长柱。在实际结构中，一般的框架柱、门厅柱等都属于长柱。轴心受压长柱与短柱的主要受力区别在于：由于偏心所产生的附加弯矩和失稳破坏在长柱计算中必须考虑。轴心受压长柱的破坏过程由于初始偏心距的存在，构件受荷后产生附加弯矩，伴之发生横向挠度。构件破坏时，首先在靠近凹边出现大致平行于纵轴方向的纵向裂缝，同时在凸边出现水平的横向裂缝，随后受压区混凝土被压溃，纵筋向外鼓出，横向挠度迅速发展，构件失去平衡，最后将凸边的混凝土拉断。《混凝土结构设计规范》采用稳定系数来表示长柱承载力的降低程度。suluNN稳定系数稳定系数主要与柱的长细比l0/b有关l0为柱的计算高度；b为矩形截面短边尺寸；Φ值的试验结果及规范取值blblblbl0000012.087.050~35021.0177.134~8当当l0/bl0/dl0/iφl0/bl0/dl0/iφ≤8≤728≤1.030261040.52108.5350.9832281110.481210.5420.953429.51180.441412480.9236311250.41614550.8738331320.361815.5620.814034.51390.322017690.754236.51460.292219760.744381530.262421830.6546401600.232622.5900.64841.51670.212824970.5650431740.19《规范》给出的稳定系数与长细比的关系变形条件：syyssEfEeees物理关系：yysfees平衡条件：ssccAANsseeecs2.承载力计算公式fcf’yA’sNf’yA’sA’s00.0010.00210020030040050020406080100scssescfy=540MPafy=230MPa020002eeeeeesccfsycsuAfAfNsuluNN)(9.0sycuAfAfNN折减系数0.9是考虑初始偏心的影响，以及主要承受恒载作用的轴压受压柱的可靠性。轴心受压短柱轴心受压长柱当纵筋配筋率大于3％时，A中应扣除纵筋截面的面积。思考题：徐变对轴心受压构件的影响？普通钢箍柱螺旋钢箍柱3.受压构件中钢筋的作用纵筋的作用（1）协助混凝土受压，减小截面面积；（2）当柱偏心受压时，承担弯矩产生的拉力；（3）减小持续压应力下混凝土收缩和徐变的影响。实验表明，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。箍筋的作用（1）与纵筋形成骨架，便于施工；（2）防止纵筋的压屈；（3）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。6.2.2螺旋箍筋轴压柱正截面承载力混凝土圆柱体三向受压状态的纵向抗压强度0.7~5.421sscf螺旋箍筋柱与普通箍筋柱力－位移曲线的比较Nce素混凝土柱普通钢筋混凝土柱螺旋箍筋钢筋混凝土柱荷载不大时螺旋箍柱和普通箍柱的性能几乎相同保护层剥落使柱的承载力降低螺旋箍筋的约束使柱的承载力提高12ssycorrAfsdscorssyrdsAf12scorssycdsAff112scorcorssysycorcsycoruAdsAfAfAfAfAN112s达到极限状态时（保护层已剥落，不考虑）214sscfsrfyAss1fyAss1srsdcors(a)(b)(c))2(9.00ssysycorcuAfAfAfNN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。01sssscorAsAdsAdAsscorss1002ssysycorcuAfAfAfNs2fyAss1fyAss1s2sdcors(a)(b)(c)螺旋箍筋按体积换算成相当的纵筋面积22令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：（1）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%；（2）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；（3）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%；（4）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6.3偏心受压构件正截面承载力计算=M=Ne0NAssANe0AssA=M=Ne0NAssANe0AssA6.3.1偏心受压短柱的破坏形态ANNsIhMM2sMNsssNMe0Ne0Ne0fcAs’fy’Asssh0e0很小As适中Ne0Ne0fcAs’fy’Asssh0e0较小Ne0Ne0fcAs’fy’Asssh0e0较大As较多e0e0NNfcAs’fy’Asfyh0e0较大As适中受压破坏（小偏心受压破坏）受拉破坏（大偏心受压破坏）界限破坏接近轴压接近受弯AsAs’时会有Asfy反向破坏偏心受压构件的破坏形态与偏心距e0和纵筋配筋率有关M较大，N较小偏心距e0较大fyAsf'yA'sNMfyAsf'yA'sN大偏心破坏的特征受拉破坏受压破坏截面受拉侧混凝土较早出现裂缝，受拉钢筋的应力随荷载增加发展较快，首先达到屈服；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，属于塑性破坏，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。大偏心受拉破坏特点⑴当相对偏心距e0/h0较小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ssAsf'yA'sN小偏心破坏的特征受拉破坏受压破坏截面受压一侧混凝土和钢筋的受力较大，而另一侧钢筋的应力较小，可能受拉也可能受压；截面最后是由于受压区混凝土首先压碎而达到破坏，受拉侧钢筋未达到屈服；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，破坏突然，属于脆性破坏。小偏压构件在设计中应予避免；当偏心距较小或受拉钢筋配置过多时易发生小偏压破坏，因偏心距较小，故通常称为小偏心受压。小偏心受压破坏特点大、小偏心破坏的共同点是受压钢筋均可以屈服平截面假定；构件正截面受弯后符合平面假定；大、小偏心破坏的本质界限scuybEfe1界限状态定义为：当受拉钢筋刚好屈服时，受压区混凝土边缘同时达到极限压应变的状态。大偏心是受拉钢筋先屈服而后受压混凝土被压坏；小偏心是截面受压部分先发生破坏。此时的相对受压区高度成为界限相对受压区高度，与适筋梁和超筋梁的界限情况类似。6.3.2长柱的正截面受压破坏长柱的破坏形式材料破坏稳定破坏长细比l0/h≤5的柱侧向挠度f与初始偏心距ei相比很小，柱跨中弯矩随轴力N基本呈线性增长，直至达到截面破坏，对短柱可忽略挠度影响。长细比l0/h=5~30的中长柱f与ei相比已不能忽略，即M随N的增加呈明显的非线性增长。对于中长柱，在设计中应考虑附加挠度f对弯矩增大的影响。长细比l0/h30的长柱侧向挠度f的影响已很大，在未达到截面承载力之前，侧向挠度f已不稳定，最终发展为失稳破坏。MNN0M0NusN