08.123 受壓概述性能1

1、第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算受壓構(gòu)件（柱）往往在結(jié)構(gòu)中具有重要作用，一旦產(chǎn)生破壞，往往導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的損壞，甚至倒塌。第八章 受壓構(gòu)件Compressive Element or Column123第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算軸心受壓承載力是正截面受壓承載力 的上限。先討論軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算，然后重點(diǎn)討論單向偏心受壓的正截面承載力計(jì)算。第八章 受壓構(gòu)件Compressive Element or Column4第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算 在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，理想的軸心受壓構(gòu)件幾乎是不存在的。 通常由于施

2、工制造的誤差、荷載作用位置的偏差、混凝土的不均勻性等原因，往往存在一定的初始偏心距。 但有些構(gòu)件，如以恒載為主的等跨多層房屋的內(nèi)柱、桁架中的受壓腹桿等，主要承受軸向壓力，可近似按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算。普通鋼箍柱：箍筋的作用？縱筋的作用？螺旋鋼箍柱：箍筋的形狀為圓形，且間距較密，其作用？56縱筋的作用： 協(xié)助混凝土受壓受壓鋼筋最小配筋率：0.4% (單側(cè)0.2%),經(jīng)濟(jì)配筋率取0.8%2%; 承擔(dān)彎矩作用 減小持續(xù)壓應(yīng)力下混凝土收縮和徐變的影響。實(shí)驗(yàn)表明，收縮和徐變能把柱截面中的壓力由混凝土向鋼筋轉(zhuǎn)移，從而使鋼筋壓應(yīng)力不斷增長(zhǎng)。壓應(yīng)力的增長(zhǎng)幅度隨配筋率的減小而增大。如果不給配筋率規(guī)定一個(gè)下限，鋼筋中

3、的壓應(yīng)力就可能在持續(xù)使用荷載下增長(zhǎng)到屈服應(yīng)力水準(zhǔn)。第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算7第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算一、普通鋼箍柱軸心受壓短柱軸心受壓長(zhǎng)柱穩(wěn)定系數(shù)穩(wěn)定系數(shù)j 主要與柱的長(zhǎng)細(xì)比l0/b有關(guān)折減系數(shù) 0.9是考慮初始偏心的影響，以及主要承受恒載作用的軸壓受壓柱的可靠性。8構(gòu)造要求（1）材料 混凝土強(qiáng)度對(duì)受壓構(gòu)件的承載力影響較大，故應(yīng)采用強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土，如C25，C30，C40等。在高層建筑和重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)選強(qiáng)度等級(jí)更高的混凝土。 鋼筋和混凝土共同受壓時(shí)，若鋼筋強(qiáng)度過(guò)高（如高于0.002Es )，則不能發(fā)揮其作用，故不宜用高強(qiáng)度鋼筋作為受壓鋼筋。同

4、時(shí)，也不能用冷拉鋼筋做受壓鋼筋。（2）截面形式 軸心受壓構(gòu)件以方形為主，根據(jù)需要也可采用矩形截面、圓形截面或正多邊形截面。截面最小邊長(zhǎng)不宜小于250mm，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比一般為15，不宜大于30。（3）縱向鋼筋 縱向鋼筋的直徑不宜小于12，為便于施工宜選用較大直徑的鋼筋，以減少縱向彎曲，并防止在臨近破壞時(shí)鋼筋過(guò)早壓屈。圓柱中縱向鋼筋的根數(shù)不宜少于8根，且不應(yīng)少于6根。 全部縱向鋼筋的配筋率不宜超過(guò)5% 縱向鋼筋沿截面周邊均勻布置，鋼筋凈間距不應(yīng)小于50mm，鋼筋的中距不應(yīng)大于350mm，混凝土的保護(hù)層厚度一般為25mm9 當(dāng)鋼筋的直徑小于等于32mm，可采用搭接接頭，但接頭位置應(yīng)設(shè)在受力較小處（4）

5、箍筋 應(yīng)當(dāng)采用封閉箍筋，以保證鋼筋骨架的整體剛度，并保證構(gòu)件在破壞階段箍筋對(duì)混凝土和縱向鋼筋的側(cè)向約束作用。 箍筋的間距不應(yīng)大于橫截面短邊尺寸，且不大于400mm。同時(shí)不大于15d（d 為縱向鋼筋的最小直徑）。 箍筋采用熱軋鋼筋時(shí)，其直徑不應(yīng)小于6mm，且不應(yīng)小于d/4；采用冷拔低碳鋼絲時(shí)應(yīng)小于5mm 和d/5( d 為縱向鋼筋的最大直徑)。 當(dāng)柱每邊的縱向受力鋼筋不多于3根時(shí)（或當(dāng)柱短邊尺寸小于等于400mm而縱筋不多余4根）時(shí)，可采用單個(gè)箍筋；否則，應(yīng)設(shè)置復(fù)合箍筋。 當(dāng)柱中全部縱筋配筋率超過(guò)3%時(shí)，箍筋的直徑不宜小于8mm，且應(yīng)焊成封閉環(huán)式 在受壓縱筋搭接長(zhǎng)度范圍內(nèi)箍筋直徑不應(yīng)小于搭接鋼筋

6、直徑的0.25 倍，間距不應(yīng)小于10d ，切不應(yīng)大于200mm（d為受力鋼筋的最小直徑）。10第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算二、螺旋箍筋柱1112第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算混凝土圓柱體三向受壓狀態(tài)的縱向抗壓強(qiáng)度13第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算14第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)（保護(hù)層已剝落，不考慮）15第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)（保護(hù)層已剝落，不考慮）16第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算螺旋箍筋對(duì)承載力的影響系數(shù)a，當(dāng)fcu,k50N/mm2時(shí)，取a

7、= 2.0；當(dāng)fcu,k=80N/mm2時(shí)，取a =1.7，其間直線插值。17第八章 受壓構(gòu)件8.1 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算采用螺旋箍筋可有效提高柱的軸心受壓承載力。 如螺旋箍筋配置過(guò)多，極限承載力提高過(guò)大，則會(huì)在遠(yuǎn)未達(dá)到極限承載力之前保護(hù)層產(chǎn)生剝落，從而影響正常使用。 規(guī)范規(guī)定： 按螺旋箍筋計(jì)算的承載力不應(yīng)大于按普通箍筋柱受壓承載力的50%。 對(duì)長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大柱，由于縱向彎曲變形較大，截面不是全部受壓，螺旋箍筋的約束作用得不到有效發(fā)揮。規(guī)范規(guī)定： 對(duì)長(zhǎng)細(xì)比l0/d大于12的柱不考慮螺旋箍筋的約束作用。 螺旋箍筋的約束效果與其截面面積Ass1和間距s有關(guān)，為保證由一定約束效果，規(guī)范規(guī)定： 螺旋箍

8、筋的換算面積Ass0不得小于全部縱筋A(yù)s 面積的25% 螺旋箍筋的間距s不應(yīng)大于dcor/5，且不大于80mm，同時(shí)為方便施工，s也不應(yīng)小于40mm。188.2 壓力和彎矩共同作用下的截面受力性能 Behaviors under flexure and axial load壓彎構(gòu)件 偏心受壓構(gòu)件第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算198.2 壓力和彎矩共同作用下的截面受力性能 Behaviors under flexure and axial load壓彎構(gòu)件 偏心受壓構(gòu)件偏心距e0=0時(shí)，彎矩M0，軸心受壓構(gòu)件；當(dāng)N=0，受彎構(gòu)件；偏心受壓構(gòu)件的受力性能和破壞形態(tài)界于軸心受壓構(gòu)件

9、和受彎構(gòu)件。第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算20一、破壞特征偏心受壓構(gòu)件的破壞形態(tài)與偏心距e0和縱向鋼筋配筋率有關(guān)1、受拉破壞 tensile failure第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算M較大，N較小偏心距e0較大As配筋合適21一、破壞特征偏心受壓構(gòu)件的破壞形態(tài)與偏心距e0和縱向鋼筋配筋率有關(guān)1、受拉破壞 tensile failure第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算 截面受拉側(cè)混凝土較早出現(xiàn)裂縫，As的應(yīng)力隨荷載增加發(fā)展較快，首先達(dá)到屈服。 此后，裂縫迅速開(kāi)展，受壓區(qū)高度減小。 最后受壓側(cè)鋼筋A(yù)s 受壓屈服，壓區(qū)混凝土壓碎而達(dá)到破壞。 這

10、種破壞具有明顯預(yù)兆，變形能力較大，破壞特征與配有受壓鋼筋的適筋梁相似，承載力主要取決于受拉側(cè)鋼筋。 形成這種破壞的條件是：偏心距e0較大，且受拉側(cè)縱向鋼筋配筋率合適，通常稱為大偏心受壓。222、受壓破壞compressive failure產(chǎn)生受壓破壞的條件有兩種情況： 當(dāng)相對(duì)偏心距e0/h0較小第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算或雖然相對(duì)偏心距e0/h0較大，但受拉側(cè)縱向鋼筋配置較多時(shí)As太多23第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算 截面受壓側(cè)混凝土和鋼筋的受力較大。 而受拉側(cè)鋼筋應(yīng)力較小。 當(dāng)相對(duì)偏心距e0/h0很小時(shí)，受拉側(cè)還可能出現(xiàn)受壓情況。 截面最后是由于受

11、壓區(qū)混凝土首先壓碎而達(dá)到破壞。 承載力主要取決于壓區(qū)混凝土和受壓側(cè)鋼筋，破壞時(shí)受壓區(qū)高度較大，受拉側(cè)鋼筋未達(dá)到受拉屈服，破壞具有脆性性質(zhì)。 第二種情況在設(shè)計(jì)應(yīng)予避免，因此受壓破壞一般為偏心距較小的情況，故常稱為小偏心受壓。2、受壓破壞compressive failure產(chǎn)生受壓破壞的條件有兩種情況：當(dāng)相對(duì)偏心距e0/h0較小。或雖然相對(duì)偏心距e0/h0較大，但受拉側(cè)縱向鋼筋配置較多時(shí)。As太多24第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算25二、正截面承載力計(jì)算 偏心受壓正截面受力分析方法與受彎情況是相同的，即仍采用以平截面假定為基礎(chǔ)的計(jì)算理論。 根據(jù)混凝土和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即可

12、分析截面在壓力和彎矩共同作用下受力全過(guò)程。 對(duì)于正截面承載力的計(jì)算，同樣可按受彎情況，對(duì)受壓區(qū)混凝土采用等效矩形應(yīng)力圖。 等效矩形應(yīng)力圖的強(qiáng)度為a fc，等效矩形應(yīng)力圖的高度與中和軸高度的比值為b 。第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算26受拉破壞和受壓破壞的界限 即受拉鋼筋屈服與受壓區(qū)混凝土邊緣極限壓應(yīng)變ecu同時(shí)達(dá)到。 與適筋梁和超筋梁的界限情況類似。 因此，相對(duì)界限受壓區(qū)高度仍為。第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算27當(dāng)x xb時(shí)當(dāng)x xb時(shí)第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算受拉破壞(大偏心受壓)受壓破壞(小偏心受壓)28受拉側(cè)鋼筋應(yīng)力ss由平截面

13、假定可得第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算x=b xnss=Eses29受拉側(cè)鋼筋應(yīng)力ssx=b xnss=Eses為避免采用上式出現(xiàn) x 的三次方程ecueyxnbh0考慮：當(dāng)x =xb，ss=fy；第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算30受拉側(cè)鋼筋應(yīng)力ssx=b xnss=Eses為避免采用上式出現(xiàn) x 的三次方程考慮：當(dāng)x =xb，ss=fy；第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算當(dāng)x =b，ss=031第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算32三、相對(duì)界限偏心距e0b/h0偏心受壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算中，需要判別大小偏壓情況，以便采用相應(yīng)的計(jì)算公

14、式。第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算x =xb時(shí)為界限情況，取x=xbh0代入大偏心受壓的計(jì)算公式，并取a=a，可得界限破壞時(shí)的軸力Nb和彎矩Mb，33第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算 對(duì)于給定截面尺寸、材料強(qiáng)度以及截面配筋A(yù)s和As ，界限相對(duì)偏心距e0b/h0為定值。當(dāng)偏心距e0e0b時(shí)，為大偏心受壓情況；當(dāng)偏心距e0e0b時(shí)，為小偏心受壓情況。34 進(jìn)一步分析，當(dāng)截面尺寸和材料強(qiáng)度給定時(shí)，界限相對(duì)偏心距e0b/h0隨As和As的減小而減小。 故當(dāng)As和As分別取最小配筋率時(shí)，可得e0b/h0的最小值。 受拉鋼筋A(yù)s按構(gòu)件全截面面積計(jì)算的最小配筋率為0.45

15、ft /fy。 受壓鋼筋按構(gòu)件全截面面積計(jì)算的最小配筋率為0.002。 近似取h=1.05h0，a=0.05h0，代入上式可得。第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算35相對(duì)界限偏心距的最小值e0b,min/h0=0.2840.322近似取平均值e0b,min/h0=0.3當(dāng)偏心距e0Nb）為受壓破壞。40對(duì)于對(duì)稱配筋截面，達(dá)到界限破壞時(shí)的軸力Nb與配筋率無(wú)關(guān)，而Mb隨著配筋率的增加而增大。第八章 受壓構(gòu)件8.2 軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算如截面尺寸和材料強(qiáng)度保持不變，Nu-Mu相關(guān)曲線隨配筋率的增加而向外側(cè)增大。41第八章 受壓構(gòu)件8.3 附加偏心距和偏心距增大系數(shù)8.3 附加偏心距

16、和偏心距增大系數(shù) 由于施工誤差、計(jì)算偏差及材料的不均勻等原因，實(shí)際工程中不存在理想的軸心受壓構(gòu)件。為考慮這些因素的不利影響，引入附加偏心距ea(accidental eccentricity)，即在正截面壓彎承載力計(jì)算中，偏心距取計(jì)算偏心距e0=M/N與附加偏心距ea之和，稱為初始偏心距ei (initial eccentricity)參考以往工程經(jīng)驗(yàn)和國(guó)外規(guī)范，附加偏心距ea取20mm與h/30 兩者中的較大值，此處h是指偏心方向的截面尺寸。一、附加偏心距42二、偏心距增大系數(shù) 由于側(cè)向撓曲變形，軸向力將產(chǎn)生二階效應(yīng)，引起附加彎矩。 對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大的構(gòu)件，二階效應(yīng)引起附加彎矩不能忽略。 圖示

17、典型偏心受壓柱，跨中側(cè)向撓度為 f 。 對(duì)跨中截面，軸力N的偏心距為ei + f ，即跨中截面的彎矩為 M =N ( ei + f )。 在截面和初始偏心距相同的情況下，柱的長(zhǎng)細(xì)比l0/h不同，側(cè)向撓度 f 的大小不同，影響程度會(huì)有很大差別，將產(chǎn)生不同的破壞類型。第八章 受壓構(gòu)件8.3 附加偏心距和偏心距增大系數(shù)43 對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比l0/h8的短柱。 側(cè)向撓度 f 與初始偏心距ei相比很小。 柱跨中彎矩M=N(ei+f ) 隨軸力N的增加基本呈線性增長(zhǎng)。 直至達(dá)到截面承載力極限狀態(tài)產(chǎn)生破壞。 對(duì)短柱可忽略撓度f(wàn)影響。第八章 受壓構(gòu)件8.3 附加偏心距和偏心距增大系數(shù)44 長(zhǎng)細(xì)比l0/h =830的

18、中長(zhǎng)柱。 f 與ei相比已不能忽略。 f 隨軸力增大而增大，柱跨中彎矩M = N ( ei + f ) 的增長(zhǎng)速度大于軸力N的增長(zhǎng)速度。 即M隨N 的增加呈明顯的非線性增長(zhǎng)。 雖然最終在M和N的共同作用下達(dá)到截面承載力極限狀態(tài)，但軸向承載力明顯低于同樣截面和初始偏心距情況下的短柱。 因此，對(duì)于中長(zhǎng)柱，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮附加撓度 f 對(duì)彎矩增大的影響。第八章 受壓構(gòu)件8.3 附加偏心距和偏心距增大系數(shù)45第八章 受壓構(gòu)件8.3 附加偏心距和偏心距增大系數(shù)長(zhǎng)細(xì)比l0/h 30的長(zhǎng)柱側(cè)向撓度 f 的影響已很大在未達(dá)到截面承載力極限狀態(tài)之前，側(cè)向撓度 f 已呈不穩(wěn)定發(fā)展即柱的軸向荷載最大值發(fā)生在荷載增長(zhǎng)曲線與截面承載力Nu-Mu相關(guān)曲線相交之前這種破壞為失穩(wěn)破壞，應(yīng)進(jìn)行專門計(jì)算46偏心距增大系數(shù)，取h=1.1h0第八章 受壓構(gòu)件8.3 附加偏心距和偏心距增大系數(shù)l047偏心距增大系數(shù)，取h=1.1h0第八章 受壓構(gòu)件8.3 附加偏心距和偏心距增大系數(shù)l048第八章 受壓構(gòu)件8.3 附加偏心距和偏心距增大系數(shù) 有側(cè)移結(jié)構(gòu)，其