鋼筋混凝土輸電桿塔電桿強度 58

輸電桿塔及基基礎設計主講：陳祥和和第一節(jié)正正截面強度計計算第二節(jié)斜斜截面強度計計算第三節(jié)變變形和裂縫計計算第四節(jié)預應應力鋼筋混凝凝土構件計算算第四章環(huán)環(huán)形截面鋼筋筋混凝土電桿桿強度計算環(huán)形截面鋼筋筋混凝土構件件具有較好的的受力性能、節(jié)約材材料、便于采采用離心制造造等優(yōu)點，被被廣泛應用于通通訊、電視、、郵電、鐵路路、電力等部部門。輸電線路路電桿是最典典型的一種環(huán)環(huán)形截面鋼筋筋混凝土構件。。環(huán)形截面受彎彎構件布有兩兩種鋼，如圖:(1)縱向受力鋼筋筋構件受彎時承承受受拉邊的的的力。環(huán)形截面面受力方向是是不定的，因因此縱向受力力鋼筋均勻布置在在截面的圓周周方向。一、受彎構件件的強度計算算第一節(jié)正正截面強度計計算（2）螺旋鋼筋螺旋鋼筋除用用來防止在剪力和扭矩作用下發(fā)生生破壞外，還還起固定縱向受力鋼筋筋的作用。1、截面受力狀狀態(tài)受彎構件是一一邊受壓，一一邊受拉。根根據鋼筋和混混凝土的力學學性能（混凝凝土受壓強度度高，鋼筋受受拉受壓強度度都高，但承承受壓力時易易失穩(wěn)），因因此，在鋼筋筋混凝土受彎彎構件中，鋼筋主要承受受拉力；對于普通鋼鋼筋砼結構，，允許砼出現現裂縫，因此此受拉區(qū)砼不承承受拉力，受壓區(qū)砼主要要承受壓力。（1）超過承載能能力而破壞①受壓面混凝土土被壓壞（達達到砼極限抗抗壓強度）②受拉面鋼筋被被拉壞（首先先混凝土出現現裂縫，全破壞過程部拉力由鋼筋筋承受，裂縫縫沿橫截面方方向向受壓區(qū)區(qū)延伸，即形形成橫向裂縫，受拉鋼筋受受力不斷增加加，直到受拉拉鋼筋達到屈屈服極限而破破壞）（2）超過正常使使用值①超過正常使用用裂縫寬度，，受彎產生橫向向裂縫，如圖②超過正常使用用撓度2、基本本公式式縱向鋼鋼筋沿沿周邊邊均勻勻地分分布在在整個個截面面中，，如果果鋼筋筋的數數量相相當多多，則則鋼筋筋的總總體可可假定定為一一個厚厚度為為Δ金屬環(huán)環(huán)，如如圖1所示。。環(huán)的的半徑徑rs=r2-as，as為鋼筋筋中心心至構構件外外壁的的距離離，r2為環(huán)形形截面面外徑徑。2為構件件截面面受壓壓區(qū)，，2－2為構件件截面面的受受拉區(qū)區(qū)。經推導導整理理得：：式中fcm—混凝土土彎曲曲抗壓壓強度度設計計值，，（見附表表3）；A—構件環(huán)環(huán)形截截面總總面積積；r1－環(huán)形形截面面內徑徑；r2－環(huán)形形截面面外徑徑；As—鋼筋總總面積積；fy—鋼筋強強度設設計值值（見附表表5）；α－受壓壓區(qū)截截面與與總截截面的的比率率3、公式式的適適應條條件為了保保證受受拉鋼鋼筋應應力能能達到到屈服服極限限（不不超筋），，上式式應滿滿足以以下條條件：：例4-1某環(huán)形形截面面鋼筋筋混凝凝土電電桿，，外徑徑D=400mm，內徑徑d=300mm，混凝凝土等等級為為C20，配置置8φ16的縱向向鋼筋筋，鋼鋼筋為為Ⅰ級，構構件重重要性性系數為為Ⅱ級，試試計算算它能能承擔擔多大大彎矩矩。解：已已知參參數：：答：解解能承承擔彎彎矩M=52.6kN.m二、受受壓構構件強強度計計算（一））受壓壓構件件的鋼鋼筋：：縱向鋼鋼筋：：①協(xié)助混混凝土土承受受壓力力，減減少構構件的的截面面尺寸寸；②承受可可能產產生的的不太太大的的彎矩矩，以以及混混凝土土收縮縮及溫溫度變變形引引起的的拉應應力；；③防止構構件突突然的的脆性性破壞壞螺旋鋼鋼筋：防止縱縱向鋼鋼筋的的壓屈屈、改改善構構件的的延性性并與與縱向鋼鋼筋形形成鋼鋼筋骨骨架。。（二））受壓壓構件件的三三種情情況：：1、短柱柱構件長長細比比可忽略略縱向向彎曲曲的影影響，，既不不考慮慮附加加彎矩矩，2、長柱柱構件長長細比比當柱的的長細細比較較大時時，柱柱在軸軸向壓壓力的的用下下，側向變變形相相對比比較大大，在在設計計時不能忽忽略縱縱向彎彎曲的影響響，要要考慮慮附加加彎矩矩，3、細長長柱構件長長細比比產生失失穩(wěn)破破壞，，在設設計中中須要要避免免。4、短柱柱的破破壞形形態(tài)鋼筋混混凝土土短柱柱在軸軸心壓壓力作作用下下，當加載載較小小時→混凝土土處于于彈性性工作作階段段，混混凝土土與鋼鋼筋的的應力力按照照彈性性規(guī)律律分布布荷載增增加→混凝土土出現現塑性性變形形，鋼鋼筋應應力的的增加加很快快而承承受較較大的的壓力力。繼續(xù)增增加荷荷載→鋼筋的的應力力將先先達到到屈服服強度度，荷荷載將將全部部由混混凝土土來承承擔。。再繼續(xù)續(xù)增加加荷載載→砼出現現側向向膨脹脹，柱柱出現現與荷荷載方方向平平行的的縱向裂裂縫，如圖?；炷帘１Ｗo層層開始始剝落落，鋼鋼箍之之間的的縱向向鋼筋筋發(fā)生生向外外凸出出，混混凝土土被壓壓碎崩崩裂而而破壞壞。破破壞時時混凝凝土的的應力力達到到柱體體抗壓壓強度度。（三））、軸軸心受受壓構構件的的強度度計算算對于單單一均均質材材料的的受壓壓構件件，當當縱向向壓力力作用用線通通過構構件截截面形形心軸軸線時時稱為為軸心心受壓壓構件件。1、計算算公式式式中N—荷載產產生的的設計計縱向向壓力力；AC—混凝土土的截截面面面積，，當配配筋率率不超過過3%時，可可近似似取構構件的的截面面面積積。—縱向受受壓鋼鋼筋截截面面面積；；－混凝凝土軸軸心抗抗壓設設計強強度；；—縱向鋼鋼筋抗抗壓設設計強強度。?！獦嫾€(wěn)穩(wěn)定系系數，，見表4－2，件的長長細比比確確定，，其中中為為柱柱的計計算長度度，d為圓形形截面面的直直徑。。值主要要由構構（1）兩端端均為為不動動鉸，，=（2）兩端端均為為固定定，=0.5（3）一端端固定定，一一端為為不移移動鉸鉸，=0.7（4）一端端固定定，一一端自自由，，=2計算長長度與構件件兩端端的支支承情情況有有關（四））偏心心受壓壓構件件的強強度計計算自立式式環(huán)形形截面面鋼筋筋混凝凝土電電桿屬屬偏心心受壓壓構件件。環(huán)環(huán)形截截面偏偏心受受壓構構件的的計算算原則則及計計算方方法與與矩形形截面面基本本相同同，設設計時時分為為大偏偏心受受壓（（受拉拉破壞壞）和和小偏偏心受受壓（（受壓壓破壞壞）兩兩種情情況進進行計計算。。1、大偏偏心受受壓（屬拉拉壞））當時為大大偏心心受壓壓分析過過程與與受彎彎構件件的分分析過過程類類似，，令令受受壓壓區(qū)占環(huán)形形截面面面積積的比比率為為其計算算公式式為（1）分析析或r1r2rsφy1y2y3ee0NtNgNhr1r2rsφy1y2y3ee0NtNgNh圖2理論上上為根據外外力等等于內內力式中e0—軸向力力對截截面形形心的的偏心心矩實際應應考慮慮下列列影響響因素素：①偏心距距的誤誤差，，即附附加偏偏心距距。應當考考慮附附加偏偏心距距ea當②縱向彎彎曲撓撓度產產生附附加彎彎矩時，應應當考考慮縱縱向彎彎曲的的影響響而引引當即起的彎彎矩的的增加加，要要乘與與大于于1的數η）（2）附加加偏心心矩ea式中ei—初始偏偏心矩矩，ei=e0+eaea－為附附加偏偏心矩矩η－偏心心距增增大系系數當當取即偏心心矩較較小，，不能能忽略略誤差差的影影響分析得得大偏偏心受受壓計計算公公式：：（3）偏心心距增增大系系數η取η＝1當時（D為環(huán)形形截面面外徑徑）。。當時取式中ζ1－偏心心受壓壓構件件的荷荷載偏偏心距距對截截面曲曲率修正系系數，，ζ2－考慮慮構件件長細細比對對截面面曲率率的影影響系系數，，D－為環(huán)環(huán)形截截面外外徑；；（4）公式式的適適用條條件2、小偏偏心受受壓（屬壓壓壞））當或時，構構件屬屬小偏偏心受受壓。。小偏心心受壓壓，破破壞發(fā)發(fā)生在在最大大壓力力邊。。根據據力的的平衡衡條件件，并并引用用一些些實驗驗結果果的經經驗系系數，，可以以得出出以距距外力力作用用點最最遠的的鋼筋筋為矩矩列平平衡方方程式式得以以下計計算公公式：：式中μs—以偏心心距有有關的的系數數；當e0＜rs時，取取當e0＞rs時，取取其它與與大偏偏心受受壓相相同3、壓彎彎構件件的強強度計計算同時承承受橫橫向荷荷載（（均布布荷載載、集集中荷荷載、、彎矩矩）和軸向壓力的的構件稱為壓壓彎構件e0e0NNNNM=Ne0M=Ne0=偏心受壓壓彎如圖，壓彎構構件和偏心受受壓構件是可以轉換的的，在計算這這些壓彎構件承載能力時時，先求出構構件危險截面處的相應彎彎矩及壓力，，然后將該截面上的彎矩矩和軸向力折折算成偏心受壓荷載，按按偏心受壓構構件驗算其正截面強度及及穩(wěn)定。圖3圖4式中—截面上產生的的剪應力；t—環(huán)形截面的壁壁厚；D—環(huán)形截面外徑徑。剪力作用下產產生的剪應力力（推導略））受彎構件除承承受彎矩外，，往往還同時時承受剪力，，構件在彎矩M和剪力V的共同作用下下，還可能出出現斜裂縫，并且且沿著斜裂縫縫發(fā)生破壞，，這種破壞稱稱為剪切破壞。1、剪應力計算算公式第二節(jié)斜斜截面強度計計算一、抗剪強度度計算受剪結構的三三個限值：(1)當≤0.7ft則砼能滿足抗抗剪，按構造配螺旋筋(2)當≥0.25fc時，則應加大環(huán)環(huán)形截面尺寸寸或提高混凝土的等等級。(3)當0.7ft＜＜0.25fc時，則剪應力力全部由螺旋旋鋼筋承受，應應計算配置螺螺旋鋼筋，2、破壞形式（1）超過承載能能力而破壞，，斜截面拉壞壞（2）超過正常使使用值，超過正常使用用裂縫寬度，受剪產生生斜裂縫2、螺旋筋配筋計計算當時需配置螺旋旋筋螺旋筋的面積積由下式計算算：由得式式中Ｖ—設計剪力；Ｓ—螺旋鋼筋間距距；rs—環(huán)形截面的平平均半徑，fyv—螺旋鋼筋的抗抗拉強度設計計值。二、受扭強度度計算單獨的純扭情情況很少見，，一般都是扭扭轉與彎曲同同時存在。圖52、扭矩作用下產產生的剪應力力（推導略））1、破壞形式（1）超過承載能能力，出現斜斜截面拉壞；；(2)超過正常使用用值，產生斜斜裂縫，TDTWt－截面受扭塑塑性抵抗矩；；環(huán)形截面：T—扭矩設計值。。3、構件受彎剪剪扭時的剪應應力剪力引起的剪剪應力為扭矩引起的剪剪應力為在彎矩、剪力力和扭矩設計計值共同作用用下的三個限值：①當滿足＝按構造配筋，，由砼能承擔擔剪、扭。式中Wt—截面受扭塑性性抵抗矩，對對于環(huán)形截面面；t—環(huán)形截面壁厚厚；D、d—環(huán)形截面外徑徑、內徑。②當時時，截面面尺寸滿足要要求，否則應加大構構件截面尺寸寸（為超筋））。③當不滿足條條件時時，則應按計計算配置螺旋筋，即即需配置螺旋旋筋。4、受扭螺旋筋筋配筋計算式中T—扭矩設計值；；S－螺旋鋼筋的的螺距；fyv－螺旋鋼筋強強度設計值；；θ－螺旋鋼筋螺螺旋角；rs－縱向鋼筋所所在圓的半徑徑。在實際工程中中，輸電電桿桿受扭時，扭扭矩方向往往往是不定的，，因此在選擇擇單向螺旋鋼鋼筋截面時，，應取外扭矩矩方向與螺旋旋鋼筋繞向相相反的計算公公式計算。而而且螺旋鋼筋筋的螺旋角不不得取為45o，否則將要求求Asvt=∞也就是說螺旋旋鋼筋無平衡衡Z拉力的能力。。5、受彎剪扭構構件強度計算算（1）彎剪扭作用用需配螺旋筋筋即(2)附加縱筋總面面積推導公式時，，假定螺旋筋筋為一薄壁鋼鋼管，實際上上并不是一個個連續(xù)的薄壁壁鋼管。扭矩矩則在所有任任何一個點都都可以出現。。因此要滿足足假定的環(huán)形形截面構件的的任何截面處處都存在這樣樣一個薄壁鋼鋼管，必須另另外增加鋼筋筋量，鋼筋量量用附加縱向向鋼筋。①抗剪需的附加加縱筋為Asb－抗剪強度所所需附加縱筋筋截面面積；；式中V－剪力設計值值；fy－縱向鋼筋強強度設計值。。②抗扭需的附加加縱筋為Ast－抗扭強度所所需附加縱向向鋼筋的面積積；式中C—縱向鋼筋所圍圍成周長。③附加縱筋總面面積即例4－2第三節(jié)變變形和裂縫計計算一、剛度由材料可知勻質彈性材料料：撓度與彎矩矩M成線性關系鋼筋屈服出現裂縫fM/Mu式中EI－為梁的抗彎彎剛度，M－為梁中最大大彎矩。C－為常數。圖7鋼筋砼：非彈性、非勻勻質且受拉區(qū)區(qū)有裂縫且不不斷發(fā)展即（1）C不為常數，且且是隨著荷載載的增加而不不斷降低（2）因裂縫出現現，EI也是變化的，，從圖上可以看出，M—f的曲線可以分分為三個階段段第Ⅰ階段是裂縫出出現以前。特點：（1）接近于彈性性，M與f基本上呈直線線關系。（2）臨近裂縫出出現時，M—f關系由直線轉轉成曲線，這這是由于受拉拉區(qū)混凝土塑塑性變形的發(fā)發(fā)展，使梁的的剛度有所降降低。短期荷載作用用下的剛度為為：Ec—混凝土彈性模模量，（見附附表7）；I0—換算截面的慣慣性距；式中第Ⅱ階段是裂縫出出現以后到受受拉區(qū)鋼筋屈屈服（1）混凝土逐漸漸退出工作，，M—f關系曲線發(fā)生生轉折。（2）受拉區(qū)混凝凝土裂縫及發(fā)發(fā)展，梁的剛剛度有明顯的的降低。其短短期荷載作用用下的剛度為為：特點0.85—考慮受短期荷荷載作用及作作用后的塑性性變形發(fā)展系數數。（Ih為構件截面））Es—鋼筋的彈性模模量（見附表表8）；As—鋼筋的總面積積；rs—鋼筋所在圓環(huán)環(huán)的半徑；β—剛度系數，與與配筋率ρ及鋼筋與混凝凝土式中的彈性模量之之比有關令可用值查圖4-11得β值。圖8α、β曲線圖第Ⅲ階段是當受拉拉區(qū)鋼筋屈服服后特點：M—f關系曲線出現現第二個轉折折點。這一階階段，當M增加很少甚至至不增加時，，f就有很快增大大，這說明剛剛度急劇降低低，此階段處處于承載能力力的極限狀態(tài)態(tài)。二、撓度計算算原則：（1）對于軸心受受壓、小偏心心受壓或以壓壓為主的壓彎彎構件，砼一一般不會出現現裂縫，宜采采用第一階段段剛度計算撓撓度。（2）對于受彎構構件、大偏心心受壓構件或或以彎為主的的壓彎構件，，一般允許出出現裂縫，宜宜采用第二階階段剛度計算算撓度。撓度驗算應滿滿足:－荷載標準值值作用下的撓撓度；式中—容許撓度值（（見規(guī)程）三、裂縫寬度的計計算1、在荷載的短短期效應組合合下裂縫寬度度計算公式受彎構件：偏心受拉和偏偏心受壓構件件：當為受拉構件件時，公式中中的最右項取取正號，受壓時取負號。。式中：δmax—最大裂縫寬度度，mm；MS、NS—按荷載的短期期效應組合計計算的驗算截面上的軸向向力和彎矩標標準值；Mcr、Ncr－構件驗算截截面的開裂軸軸力和彎矩值值；S一螺旋鋼筋間間距，mm，當S<100mm時，取S=l00mm；Es—鋼筋的彈性模模量；υ—與縱向受力鋼鋼筋表面特征征有關的系數數：變形鋼筋υ=0.7光面鋼筋υ=l.0冷拔低碳鋼絲絲υ=1.25注：若驗算長長期荷載效應應組合下的裂裂縫寬度時，，應乘以1.5的擴大系數，，此時Ns、Ms應按長期效應應組合計算。。2、構件驗算算截面的開裂裂彎矩和軸力力(抗裂強度)，可按下式計計算：受彎構件：偏心受壓構件件：偏心受拉構件件：式中：ftk—混凝土抗拉強強度標準值，，N／mm2；A0－電桿換算算截面面積：：A0=A+(aE－1)As，mm2；Wd—電桿換算截面面彈性抵抗矩矩：，mm3；aE－鋼筋彈性模模量與混凝土土彈性模量之之比；γ—截面抵抗矩塑塑性系數，對對于環(huán)形截面面，γ=2－0.4r1／r2（r1為內圓半徑，，r2為外圓半徑））裂縫寬度應滿滿足：式中—荷載標準值作作用下的最大大裂縫寬度；；—最大裂縫寬度度允許值，普普通鋼筋混凝土電桿不不應超過0.2mm。例4－4第四節(jié)預預應力鋼筋混混凝土構件計計算一、預應力混混凝土的基本本概念1、優(yōu)點：（1）在使用荷載載下不出現裂裂縫或大大地地延遲裂縫的的出現，（2）可以合理利利用高強度鋼鋼筋和高強度度等級的混凝凝土。從而節(jié)節(jié)省材料和減減輕自重；（3）由于提高了了抗裂度，從從而提高了構構件的剛度和和耐久性。二、預加應力力的方法分先張法和后后張法兩種。。1、先張法先在鋼模內張張拉鋼筋，然然后澆注混凝凝土，并進行行養(yǎng)護，當混混凝土達到規(guī)規(guī)定的強度（（達到設計強強度的70%以上）時，卸卸去張拉力。。2、后張法先澆注砼構件件，然后直接接在構件上張張拉預應力筋筋。由于先張法生生產工序少，，工藝簡單，，質量較易保保證，在構件件上不需設永永久性錨具，，生產成本較較低，構件可可在工廠預制制。因此電桿桿一般采用先先張法制造。。三、張拉控制制應力σcon張拉控制應力力是指張拉鋼鋼筋時，必須須達到的預應力值，即張張拉設備所控控制的總張拉拉力除以鋼筋筋截面面積所所得的應力值值。σcon↑，所建立的應應力值越大，，構件預壓區(qū)區(qū)的抗裂度越越好。σcon↑↑↑，張拉時可能能使鋼筋應力力進入鋼材的的屈服階段，，產生塑性變變形，面達不不到預應力的的效果。我國《規(guī)范》在長期實踐的的基礎上，對對不同品種的的鋼材和不同同張拉方法規(guī)規(guī)定了不同的的控制應力，，見表4—3。σcon↓構件預壓區(qū)的的抗裂度越差差，不能發(fā)揮揮預應力結構構的優(yōu)點四、預應力損損失計算σL鋼筋的張拉控控制應力，從從張拉開始，，直到構件使使用，由于張張拉工藝和材材料特性等原原因，將不斷斷降低，這種種降低值稱為為預應力損失。。預應力鋼筋的的應力損失主主要考慮如下下幾項：(1)加工制造中，，錨具變形引引起的預應力力損失σL1式中α－張拉端錨具具變形和鋼筋筋內縮值（根根據實際制造情況況而定，對鐓鐓頭錨具一般般取α＝1mm）；L－張拉端至錨錨固端之間的的長度，mm；Es－鋼筋的彈性性模量。(3)張拉力放松后后，砼收縮引引起的預應力力損失σL4按下表公式計計算或試驗得得到。(下表超張拉為張拉時應力力超過張拉控制制應力1.03倍)(2)溫度變化引起起的預應力損損失σL3式中△t－鋼模與鋼筋筋之間的溫差差，一般取200C(4)張拉后鋼筋徐徐變引起的預預應力損失σL5式中fcu－施加預應