鋼筋混凝土柱的設計和構造

鋼筋混凝土柱的設計和構造第一頁，共十五頁，2022年，8月28日1.材料選擇

受壓構件的承載力主要取決于混凝土強度，混凝土宜采用較高強度等級,C25及以上等級的混凝土，對于高層建筑的底層柱可采用更高強度等級的混凝土；縱向鋼筋一般選用HRB335和HRB400、RRB400級熱軋鋼筋；箍筋一般采用HPB235級、HRB335級鋼筋，也可采用HRB400級鋼筋。

一、構造要求

一般采用正方形或矩形。截面尺寸不宜小于250×250，控制在l0/b≤30、l0/h≤25、l0/d≤25。l0為柱的計算長度，b為柱的短邊，h為柱的長邊，d為圓形柱的直徑。當截面的邊長在800以下時，以50為模數(shù)，邊長在800以上時，以100為模數(shù)。

框架柱截面尺寸可取h＝（1/15～1/20）H，H為層高；柱截面寬度可取b＝（1～2/3）h。截面高度不宜小于400mm，寬度不宜小于350mm，為避免發(fā)生剪切破壞，柱凈高與截面長邊之比宜大于4。2.確定構件形狀和尺寸第二頁，共十五頁，2022年，8月28日⑵受力縱筋的配筋率

《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定全部縱向鋼筋的配筋率不宜大于5%，也不應小于0.6%；從經(jīng)濟和施工方便角度考慮，受壓鋼筋的配筋率一般不超過3%，通常在0.5%～2%之間。3.縱向鋼筋⑶受力縱筋的直徑

不宜小于12mm，通常在16～32mm范圍內(nèi)選用。

⑷受力縱筋的布置和間距

矩形截面鋼筋根數(shù)不得少于4根。軸心受壓構件中縱向受力鋼筋應沿截面四周均勻配置，偏心受壓構件中縱向受力鋼筋應布置在離偏心壓力作用平面垂直的兩側(cè)。圓形截面鋼筋根數(shù)不宜少于8根，且不應少于6根，應沿截面四周均勻配置?？v向受力鋼筋的凈間距不應小于50mm；偏心受壓構件中距不宜大于300mm（圖7.6）。一、構造要求⑴受力縱筋的作用協(xié)助混凝土受壓，減少截面尺寸；承受可能產(chǎn)生的較小彎矩；防止脆性破壞，增加構件延性；減小混凝土徐變變形。第三頁，共十五頁，2022年，8月28日4.縱向構造鋼筋

當偏心受壓柱的截面高度h不小于600mm時，在側(cè)面應設置直徑為10～16mm的縱向構造鋼筋，其間距不宜大于500mm，并相應地設置拉筋或復合箍筋。拉筋的直徑和間距可與基本箍筋相同，位置與基本箍筋錯開（圖7.7）。

圖7.7偏壓柱構造鋼筋的設置

一、構造要求第四頁，共十五頁，2022年，8月28日⑴箍筋的作用

防止縱筋向外壓屈，提高柱的受剪承載力，與縱筋形成骨架，且對核心部分的混凝土起到約束作用。

⑵箍筋的形式

受壓構件中的周邊箍筋應作成封閉式。對于形狀復雜的構件，不可采用具有內(nèi)折角的箍筋。其原因是，內(nèi)折角處受拉箍筋的合力向外，可能使該處混凝土保護層崩裂。

圖7.8復雜截面的箍筋形式

一、構造要求5.箍筋第五頁，共十五頁，2022年，8月28日

當柱截面短邊尺寸大于400mm，且各邊縱向鋼筋多于3根時，或當柱截面短邊不大于400mm，但各邊縱向鋼筋多于四根時，應設置復合箍筋，其布置要求是使縱向鋼筋至少每隔一根位于箍筋轉(zhuǎn)角處（見圖7.9所示）。

圖7.9箍筋的構造（a）軸心受壓柱(b)偏心受壓柱一、構造要求5.箍筋⑵箍筋的形式第六頁，共十五頁，2022年，8月28日⑶箍筋的直徑和間距

箍筋直徑不應小于d/4，且不應小于6mm，（d為縱向鋼筋的最大直徑）。箍筋間距不應大于400mm及構件截面的短邊尺寸，且不應大于15d（d為縱向鋼筋的最小直徑）。

柱內(nèi)縱向鋼筋搭接長度范圍內(nèi)的箍筋間距應加密，其直徑不應小于搭接鋼筋較大直徑的0.25倍。當搭接鋼筋受壓時，箍筋間距不應大于10d，且不應大于200mm；當搭接鋼筋受拉時，箍筋間距不應大于5d，且不應大于100mm，d為縱向鋼筋的最小直徑。當受壓鋼筋直徑d＞25mm時，尚應在搭接接頭兩個端面外100mm范圍內(nèi)各設置兩個箍筋。一、構造要求5.箍筋第七頁，共十五頁，2022年，8月28日

鋼筋混凝土受壓構件按縱向力與構件截面形心相互位置的不同，可分為軸心受壓構件與偏心受壓構件（單向偏心受壓和雙向偏心受壓構件），如圖7.3所示。當縱向外力N的作用線與構件截面形心軸線重合時為軸心受壓構件，當縱向外力N的作用線與構件截面形心軸線不重合時為偏心受壓構件。

（a）軸心受壓（b）（c）單向偏心受壓（d）雙向偏心受壓

圖7.3軸心受壓和偏心受壓

二、軸心受壓柱承載力計算第八頁，共十五頁，2022年，8月28日1.短柱破壞形態(tài)由于混凝土和鋼筋具有相近的壓應變，兩者可共同工作，當混凝土達到極限壓應變時，柱的四周出現(xiàn)明顯的縱向裂縫，混凝土保護層脫落，縱向鋼筋被壓曲，向外凸出，混凝土被壓壞而導致構件破壞。破壞時，一般中等強度的鋼筋能達到抗壓屈服強度，兩者強度都能充分利用。二、軸心受壓柱承載力計算短柱破壞形態(tài)長柱破壞形態(tài)2.長柱破壞形態(tài)

實際工程中構件的初始偏心是不可避免的，對于長柱而言側(cè)向彎曲不能忽略，構件將在壓力和彎矩的共同作用下，在壓應力較大的一側(cè)首先出現(xiàn)縱向裂縫，接著混凝土被壓碎，縱向鋼筋壓彎向外凸出，由于混凝土柱失去平衡，壓應力較小的一側(cè)的混凝土受力狀態(tài)將迅速發(fā)生變化，由受壓變?yōu)槭芾瑯嫾茐?。第九頁，共十五頁?022年，8月28日3.承載能力計算長柱的承載能力比短柱低，《規(guī)范》引入了穩(wěn)定系數(shù)來表示長柱承載能力的降低程度。二、軸心受壓柱承載力計算⑴求穩(wěn)定系數(shù)

穩(wěn)定系數(shù)主要和構件的長細比有關，長細比越大，值越?。ㄒ姳?.1）。構件的計算長度l0與構件兩端支承情況有關，一般多層房屋中梁柱為剛接的框架結構，各層柱的計算長度l0可按表7.2確定。l0

/b⑵計算公式式中：N—軸向壓力設計值Nu—軸向抗壓承載力設計值

A—構件的截面面積，當縱筋的配筋率大于3%時，A改用A－AS′。

As‘—全部縱向鋼筋的截面面積

fc—混凝土軸心抗壓強度設計值;fy—縱向鋼筋的抗壓強度設計值

0.9—調(diào)整系數(shù)，為了保證軸心受壓和偏心受壓具有相近的保證率。（7.2）第十頁，共十五頁，2022年，8月28日⑶配置縱向鋼筋

根據(jù)計算，確定柱中縱向受力鋼筋的直徑和根數(shù)。

⑷選擇箍筋

應根據(jù)規(guī)范規(guī)定的構造要求選用適當?shù)墓拷睢?/p>

⑸驗算配筋率

柱中全部縱向鋼筋的配筋率不宜大于5%，也不應小于0.6%；同時一側(cè)受壓鋼筋的配筋率不應小于0.2%；當采用HRB400級、RRB400級鋼筋時，全部縱向鋼筋最小配筋率不應小于0.5%。

⑹畫出配筋圖

3.承載能力計算二、軸心受壓柱承載力計算第十一頁，共十五頁，2022年，8月28日3、計算簡圖

除裝配式框架外，一般可將框架結構的梁、柱節(jié)點視為剛性節(jié)點，柱固結于基礎頂面。

4、荷載及內(nèi)力計算

結構承受的作用包括豎向荷載、水平荷載和地震作用。豎向荷載包括結構自重及樓（屋）面活荷載；水平荷載為風荷載；地震作用主要是水平地震作用。多層建筑中的柱以軸力為主。三、軸心受壓柱截面設計步驟1.材料選擇2.確定構件形狀和尺寸5.截面設計⑴配置縱向鋼筋⑵選擇箍筋⑶驗算配筋率⑷畫配筋圖第十二頁，共十五頁，2022年，8月28日案例二應用：

1、圖7.2中KZ3計算書：

（一）材料

混凝土強度等級：C30fc=14.3N/mm2

；ft=1.43N/mm2

鋼筋級別：HRB400fy=360N/mm2

（二）構件尺寸

對于有抗震設防要求的框架結構，

（λ為柱軸壓比限值，抗震等級一級時為0.7，二級時為0.8，三級時為0.9）

框架柱截面高度、寬度不宜小于300mm

取b＝500mm，h＝500mm

（三）計算簡圖

KZ1與KL3為剛性節(jié)點，固結于基礎頂面

（四）荷載及內(nèi)力計算

KZ3按軸心受壓柱計算，考慮到彎矩的影響將柱軸力乘以1.2的放大系數(shù)

N＝1180×1.2=1416kN（含柱自重）

內(nèi)力N＝1180是由結構計算軟件算出的。

第十三頁，共十五頁，2022年，8月28日

（五）截面設計

1、縱向受力鋼筋

l0=1.0H=1.0×4.6m=4.6m（對底層柱應取至基礎頂面計算）

，查表7.1得=0.988

因為N＝1180＜0.9，

不需計算，所以采用構造配筋（參考第八章內(nèi)容）。

選擇鋼筋1222（=4561.2mm2）

2、箍筋

按構造要求配置箍筋：選雙肢箍10@200，柱端箍筋