鋼筋混凝土柱的設(shè)計(jì)和構(gòu)造

鋼筋混凝土柱的設(shè)計(jì)和構(gòu)造第1頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四1.材料選擇

受壓構(gòu)件的承載力主要取決于混凝土強(qiáng)度，混凝土宜采用較高強(qiáng)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(qiáng)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(gòu)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(jì)算長度，b為柱的短邊，h為柱的長邊，d為圓形柱的直徑。當(dāng)截面的邊長在800以下時(shí)，以50為模數(shù)，邊長在800以上時(shí)，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(gòu)件形狀和尺寸第2頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四⑵受力縱筋的配筋率

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定全部縱向鋼筋的配筋率不宜大于5%，也不應(yīng)小于0.6%；從經(jīng)濟(jì)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(gòu)件中縱向受力鋼筋應(yīng)沿截面四周均勻配置，偏心受壓構(gòu)件中縱向受力鋼筋應(yīng)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(yīng)少于6根，應(yīng)沿截面四周均勻配置?？v向受力鋼筋的凈間距不應(yīng)小于50mm；偏心受壓構(gòu)件中距不宜大于300mm（圖7.6）。一、構(gòu)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(gòu)件延性；減小混凝土徐變變形。第3頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四4.縱向構(gòu)造鋼筋

當(dāng)偏心受壓柱的截面高度h不小于600mm時(shí)，在側(cè)面應(yīng)設(shè)置直徑為10～16mm的縱向構(gòu)造鋼筋，其間距不宜大于500mm，并相應(yīng)地設(shè)置拉筋或復(fù)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(cuò)開（圖7.7）。

圖7.7偏壓柱構(gòu)造鋼筋的設(shè)置

一、構(gòu)造要求第4頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四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(gòu)件中的周邊箍筋應(yīng)作成封閉式。對于形狀復(fù)雜的構(gòu)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(hù)層崩裂。

圖7.8復(fù)雜截面的箍筋形式

一、構(gòu)造要求5.箍筋第5頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四

當(dāng)柱截面短邊尺寸大于400mm，且各邊縱向鋼筋多于3根時(shí)，或當(dāng)柱截面短邊不大于400mm，但各邊縱向鋼筋多于四根時(shí)，應(yīng)設(shè)置復(fù)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(gòu)造（a）軸心受壓柱(b)偏心受壓柱一、構(gòu)造要求5.箍筋⑵箍筋的形式第6頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四⑶箍筋的直徑和間距

箍筋直徑不應(yīng)小于d/4，且不應(yīng)小于6mm，（d為縱向鋼筋的最大直徑）。箍筋間距不應(yīng)大于400mm及構(gòu)件截面的短邊尺寸，且不應(yīng)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(yīng)加密，其直徑不應(yīng)小于搭接鋼筋較大直徑的0.25倍。當(dāng)搭接鋼筋受壓時(shí)，箍筋間距不應(yīng)大于10d，且不應(yīng)大于200mm；當(dāng)搭接鋼筋受拉時(shí)，箍筋間距不應(yīng)大于5d，且不應(yīng)大于100mm，d為縱向鋼筋的最小直徑。當(dāng)受壓鋼筋直徑d＞25mm時(shí)，尚應(yīng)在搭接接頭兩個(gè)端面外100mm范圍內(nèi)各設(shè)置兩個(gè)箍筋。一、構(gòu)造要求5.箍筋第7頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四

鋼筋混凝土受壓構(gòu)件按縱向力與構(gòu)件截面形心相互位置的不同，可分為軸心受壓構(gòu)件與偏心受壓構(gòu)件（單向偏心受壓和雙向偏心受壓構(gòu)件），如圖7.3所示。當(dāng)縱向外力N的作用線與構(gòu)件截面形心軸線重合時(shí)為軸心受壓構(gòu)件，當(dāng)縱向外力N的作用線與構(gòu)件截面形心軸線不重合時(shí)為偏心受壓構(gòu)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(jì)算第8頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四1.短柱破壞形態(tài)由于混凝土和鋼筋具有相近的壓應(yīng)變，兩者可共同工作，當(dāng)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)，柱的四周出現(xiàn)明顯的縱向裂縫，混凝土保護(hù)層脫落，縱向鋼筋被壓曲，向外凸出，混凝土被壓壞而導(dǎo)致構(gòu)件破壞。破壞時(shí)，一般中等強(qiáng)度的鋼筋能達(dá)到抗壓屈服強(qiáng)度，兩者強(qiáng)度都能充分利用。二、軸心受壓柱承載力計(jì)算短柱破壞形態(tài)長柱破壞形態(tài)2.長柱破壞形態(tài)

實(shí)際工程中構(gòu)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(gòu)件將在壓力和彎矩的共同作用下，在壓應(yīng)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(yīng)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?gòu)件破壞。第9頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四3.承載能力計(jì)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(jì)算⑴求穩(wěn)定系數(shù)

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

/b⑵計(jì)算公式式中：N—軸向壓力設(shè)計(jì)值Nu—軸向抗壓承載力設(shè)計(jì)值

A—構(gòu)件的截面面積，當(dāng)縱筋的配筋率大于3%時(shí)，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(qiáng)度設(shè)計(jì)值;fy—縱向鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)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10頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四⑶配置縱向鋼筋

根據(jù)計(jì)算，確定柱中縱向受力鋼筋的直徑和根數(shù)。

⑷選擇箍筋

應(yīng)根據(jù)規(guī)范規(guī)定的構(gòu)造要求選用適當(dāng)?shù)墓拷睢?/p>

⑸驗(yàn)算配筋率

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

⑹畫出配筋圖

3.承載能力計(jì)算二、軸心受壓柱承載力計(jì)算第11頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四3、計(jì)算簡圖

除裝配式框架外，一般可將框架結(jié)構(gòu)的梁、柱節(jié)點(diǎn)視為剛性節(jié)點(diǎn)，柱固結(jié)于基礎(chǔ)頂面。

4、荷載及內(nèi)力計(jì)算

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重及樓（屋）面活荷載；水平荷載為風(fēng)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(shè)計(jì)步驟1.材料選擇2.確定構(gòu)件形狀和尺寸5.截面設(shè)計(jì)⑴配置縱向鋼筋⑵選擇箍筋⑶驗(yàn)算配筋率⑷畫配筋圖第12頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四案例二應(yīng)用：

1、圖7.2中KZ3計(jì)算書：

（一）材料

混凝土強(qiáng)度等級：C30fc=14.3N/mm2

；ft=1.43N/mm2

鋼筋級別：HRB400fy=360N/mm2

（二）構(gòu)件尺寸

對于有抗震設(shè)防要求的框架結(jié)構(gòu)，

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

框架柱截面高度、寬度不宜小于300mm

取b＝500mm，h＝500mm

（三）計(jì)算簡圖

KZ1與KL3為剛性節(jié)點(diǎn)，固結(jié)于基礎(chǔ)頂面

（四）荷載及內(nèi)力計(jì)算

KZ3按軸心受壓柱計(jì)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(jié)構(gòu)計(jì)算軟件算出的。

第13頁，共15頁，2023年，2月20日，星期四

（五）截面設(shè)計(jì)

1、縱向受力鋼筋

l0=1.0H=1.0×4.6m=4.6m（對底層柱應(yīng)取至基礎(chǔ)頂面計(jì)算）

，查表7.1得=0.988

因?yàn)镹＝1180＜0.9，

不需計(jì)算，所以采用構(gòu)造配筋（參考第八章內(nèi)容）。

選擇鋼筋1222（=4561.2mm2）

2、箍筋

按構(gòu)造要求配置箍筋：選雙肢箍10@200，柱端箍筋加密為