钢筋混凝土受压构件截面承载力课件

南京理工大学土木工程系第六章第六章 钢筋混凝土受压构件的截面承载力钢筋混凝土受压构件的截面承载力6.1受压构件的一般构造要求6.2轴心受压构件正截面受压承载力计算6.3偏心受压构件正截面的受力特点和破坏形态6.4偏心受压构件的二阶效应6.5矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算6.6对称配筋字形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算6.7正截面受压承载力的相关曲线及其应用6.8偏心受压构件斜截面受剪承载力计算6.9钢管混凝土柱和型钢混凝土柱简介南京理工大学土木工程系6.1受压构件的一般构造要求受压构件的分类受压构件的分类受压构件受压构件轴压构件偏压构件单向偏压构件双向偏压构件受压构件受压构件在结构中具有重要作用，一旦破坏将导致整个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。结构的损坏甚至倒塌。受压构件的工程实例受压构件的工程实例南京理工大学土木工程系6.1受压构件的一般构造要求受压构件的工程实例受压构件的工程实例南京理工大学土木工程系6.1受压构件的一般构造要求南京理工大学土木工程系6.1受压构件的一般构造要求混凝土抗压强度较高，为了减小柱截面尺寸，节约钢筋，应采用强度等级较高的混凝土，一般不宜低于C20。但不宜选用过高强度钢筋，因为受混凝土压应变的控制，当混凝土被压碎时，高强度钢筋的强度得不到充分利用，一般选用HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500级钢筋。1.材料选用材料选用 南京理工大学土木工程系6.1受压构件的一般构造要求2.截面形式及尺寸模数截面形式及尺寸模数 受压构件一般采用正方形或矩形截面；在建筑上有美观要求或桥梁结构中的桥墩多采用圆形截面。为施工方便，截面尺寸一般不小于250mm250mm，而且要符合相应模数，800mm以下的采用50mm的模数，800mm以上则采用100mm的模数。南京理工大学土木工程系6.1受压构件的一般构造要求3.纵筋的直径及配筋率纵筋的直径及配筋率 纵筋是钢筋骨架的主要组成部分，为方便施工和保证骨架有足够刚度，纵筋直径不宜小于12mm。通常选用16mm28mm。纵筋要沿截面周边均匀布置，并不少于4根（矩形）或6根（圆形）。全部受压钢筋的最小配筋率为0.6%；最大一般不宜大于5%。纵筋的净距一般不小于50mm。南京理工大学土木工程系6.1受压构件的一般构造要求4.箍筋的直径与间距箍筋的直径与间距 箍筋与纵筋组成骨架，同时防止纵筋在构件破坏前压屈，所以箍筋除沿构件截面周边设置外，还应保证纵筋至少每隔一根位于箍筋的转角处，故有时还需设置附加箍筋。对于普通钢箍柱，箍筋间距应满足：不大于构件截面的短边尺寸；不大于构件截面的短边尺寸；不大于不大于15d，d为纵筋的最小直径；为纵筋的最小直径；不大于不大于400mm。南京理工大学土木工程系6.1受压构件的一般构造要求4.箍筋的直径与间距箍筋的直径与间距 当柱中全部纵向受力钢筋配筋百分率超过3%时，则箍筋直径不宜小于8mm，且应焊接成封闭环式，其间距不应大于10d，且不应大于200mm。对于螺旋箍筋或焊接圆环箍筋，由于要对核心混凝土起约束作用，故其间距s应不大于80mm，亦不应大于dcor/5，但也不小于40mm。南京理工大学土木工程系6.1 受压构件的一般构造要求受压构件的一般构造要求4.箍筋的直径与间距箍筋的直径与间距 对于截面形状复杂的柱，箍筋形式不可采用具有内折角的箍筋（如图1a）；被同一箍筋所箍的纵向钢筋根数，在构件的角边上应不多于3根。若多于3根，则应设置附加箍筋（如图1b）。图1箍筋的构造南京理工大学土木工程系6.2 轴心受压构件正截面受压承载力轴心受压构件正截面受压承载力计算计算受压构件中钢筋的作用 纵筋：提高构件承载力，减小构件截面尺寸，防止纵筋：提高构件承载力，减小构件截面尺寸，防止因偶然偏心产生的破坏，改善构件破坏时的延性和减因偶然偏心产生的破坏，改善构件破坏时的延性和减小混凝土的徐变变形。小混凝土的徐变变形。箍筋：与纵筋形成骨架，并防止纵筋受力后外突。箍筋：与纵筋形成骨架，并防止纵筋受力后外突。短柱的受力及破坏短柱的受力及破坏破坏准则：破坏准则：一般是纵筋先达到屈服强度，最后混凝土一般是纵筋先达到屈服强度，最后混凝土 达到极限压应变，构件破坏。达到极限压应变，构件破坏。6.2.1轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系长柱的受力及破坏长柱的受力及破坏初始偏心产生附加弯矩初始偏心产生附加弯矩 在在截截面面尺尺寸寸、配配筋筋、强强度度相相同同的的条条件件下下，长长柱柱的的承承载载力力低低于于短短柱柱，采采用用稳稳定定系系数数 来来考虑。考虑。附加弯矩引起挠度附加弯矩引起挠度 加大初始偏心，最终构件是在加大初始偏心，最终构件是在M，N共同作用下破坏。共同作用下破坏。偶然因素偶然因素 破坏时，首先在凹侧出现纵向裂缝，随后破坏时，首先在凹侧出现纵向裂缝，随后混凝土被压碎，纵筋被压曲向外突出；凸侧混凝土被压碎，纵筋被压曲向外突出；凸侧混凝土出现垂直于纵轴方向的横向裂缝侧向混凝土出现垂直于纵轴方向的横向裂缝侧向挠度急剧增大，柱子破坏。挠度急剧增大，柱子破坏。6.2.1轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系计算公式计算公式A 构件截面面积：构件截面面积：当当 0.03时时,Ac=AA s 轴压构件轴压构件稳定系数，反映受压构件的承载稳定系数，反映受压构件的承载力随长细比增大而降低的现象。力随长细比增大而降低的现象。0.9可靠度调整系数。可靠度调整系数。6.2.1轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系lo 构件的计算长度，与构件端部的支承条件有关。构件的计算长度，与构件端部的支承条件有关。两端铰一端固定，一端铰支两端固定一端固定，一端自由1.0l0.7l0.5l2.0l6.2.1轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系计算方法计算方法1.截面设计：截面设计：2.强度校核：强度校核：Nu=0.9(Asf y+fcAc)时安全已知：已知：b h，fc,f y,l0,N,求求A s已知：已知：b h，fc,f y,l0,A s,求求Nu当Nu N6.2.1轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系6.2.2螺旋箍筋轴压构件承载力螺旋箍筋作用螺旋箍筋作用纵向压缩纵向压缩提高的承载力提高的承载力横向变形横向变形纵纵向向裂裂纹纹(横横向向拉拉坏坏)若约束横向变形，使砼处于三向受压状态若约束横向变形，使砼处于三向受压状态采用螺旋式箍筋的情况采用螺旋式箍筋的情况当柱承受很大的轴心压力，并且柱截面尺寸受到限当柱承受很大的轴心压力，并且柱截面尺寸受到限制，即使提高了混凝土强度等级和增加了纵筋配筋量也制，即使提高了混凝土强度等级和增加了纵筋配筋量也不足以承受轴心压力时，可考虑采用。不足以承受轴心压力时，可考虑采用。南京理工大学土木工程系受力机制与破坏特征受力机制与破坏特征6.2.2螺旋箍筋轴压构件承载力南京理工大学土木工程系计算公式计算公式承载力计算示意图承载力计算示意图6.2.2螺旋箍筋轴压构件承载力南京理工大学土木工程系 （1）按螺旋箍筋计算的承载力不应大于按普通箍筋柱受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压承载力的150%；（2）对长细比过大柱，有可能由于纵向弯曲变形较大，对长细比过大柱，有可能由于纵向弯曲变形较大，而引起螺旋箍筋的约束作用得不到有效发挥。因此，对长而引起螺旋箍筋的约束作用得不到有效发挥。因此，对长细比细比l0/d大于大于12的柱不考虑螺旋箍筋的约束作用；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螺旋箍筋的约束效果与其截面面积Ass1和间距和间距S有有关，为保证约束效果，螺旋箍筋的换算面积关，为保证约束效果，螺旋箍筋的换算面积Ass0不不得小于得小于全部纵筋全部纵筋As面积的面积的25%；（4）螺旋箍筋的间距螺旋箍筋的间距S不应不应大于大于dcor/5，且不大于，且不大于80mm，同时为方便施工，同时为方便施工，S也不应小于也不应小于40mm。公式应用要求公式应用要求6.2.2螺旋箍筋轴压构件承载力南京理工大学土木工程系受力及破坏特征受力及破坏特征压弯构件压弯构件 偏心受压构件偏心受压构件偏心距偏心距e e0 0=0=0时，轴心受压构件；时，轴心受压构件；当当e e0 0时，即时，即N=0N=0时，受弯构件；时，受弯构件；偏心受压构件的受力性能和破坏形态界于轴心受压构件和偏心受压构件的受力性能和破坏形态界于轴心受压构件和受弯构件之间。受弯构件之间。6.3 偏心受压构件正截面的受力特点南京理工大学土木工程系破坏形式破坏形式 大偏压破坏（受拉破坏）大偏压破坏（受拉破坏）小偏压破坏（受压破坏）小偏压破坏（受压破坏）6.3 偏心受压构件正截面的受力特点南京理工大学土木工程系6.3 偏心受压构件正截面的受力特点南京理工大学土木工程系破坏形式破坏形式 大偏压破坏（受拉破坏）大偏压破坏（受拉破坏）小偏压破坏（受压破坏）小偏压破坏（受压破坏）6.3 偏心受压构件正截面的受力特点南京理工大学土木工程系偏心受压短柱的破坏形态偏心受压短柱的破坏形态1.受拉破坏形态特点：受拉钢筋先达到屈服，导致混凝土压碎的 延性破坏类型延性破坏类型。6.3 偏心受压构件正截面的受力特点南京理工大学土木工程系偏心受压短柱的破坏形态偏心受压短柱的破坏形态2.受压破坏形态特点：混凝土先被压碎，远侧钢筋可能受拉也可能受压，但都不屈服的脆性脆性破坏类型破坏类型。6.3 偏心受压构件正截面的受力特点南京理工大学土木工程系 界限状态定义：界限状态定义：当受拉钢筋刚好屈服时，受压区混凝土边缘同时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（压碎）的状态。达到极限压应变（压碎）的状态。此时的相对受压区高度成为此时的相对受压区高度成为界限相对受压区高度界限相对受压区高度，与适筋梁和超，与适筋梁和超筋梁的界限情况类似。筋梁的界限情况类似。界限破坏界限破坏界限破坏也属于受拉破坏形态界限破坏也属于受拉破坏形态6.3 偏心受压构件正截面的受力特点南京理工大学土木工程系 大量试验表明：构件截面符合大量试验表明：构件截面符合 ，偏压构件的，偏压构件的最终破坏最终破坏是由于混凝土压碎而造成的。其影响因素主要与是由于混凝土压碎而造成的。其影响因素主要与 的大小和所配的大小和所配 有关。有关。平截面假定平截面假定偏心距偏心距钢筋数量钢筋数量柱中长柱细长柱 材料破坏：截面材料强度耗尽材料破坏：截面材料强度耗尽 失稳破坏：构件纵向弯曲失去平衡失稳破坏：构件纵向弯曲失去平衡短柱柱子分类柱子分类6.4 偏心受压构件的二阶效应南京理工大学土木工程系偏心受压长柱的破坏形态偏心受压长柱的破坏形态短柱由于纵向弯曲小，设计时一般可忽略不计短柱由于纵向弯曲小，设计时一般可忽略不计长柱会产生较大的纵向弯曲，对其受力和破坏长柱会产生较大的纵向弯曲，对其受力和破坏形态产生重大影响形态产生重大影响纵向弯曲对柱的破坏纵向弯曲对柱的破坏形态影响的几个概念形态影响的几个概念破坏类型破坏类型二阶弯矩二阶弯矩弯矩增大系数弯矩增大系数6.4 偏心受压构件的二阶效应南京理工大学土木工程系纵向弯曲的影响6.4 偏心受压构件的二阶效应南京理工大学土木工程系纵向弯曲引起的二阶弯矩的影响M Mmaxmax=N=Neiei+N+Nf f 6.4 偏心受压构件的二阶效应M M1 1,M M2 2 已考虑侧移影响（P-效应）的偏心受压构件两端截面按结构弹性分析确定的对同一主轴的组合弯矩设计值，绝对值较大端为M M2 2，绝对值较小端为M M1 1,当构件按单曲率弯曲时，M M1/1/M M2 2 取正值，否则取负值;C Cm m 构件端截面偏心距调节系数，当小于0.7时取0.7.南京理工大学土木工程系弯矩增大系数6.4 偏心受压构件的二阶效应南京理工大学土木工程系不考虑弯矩增大的条件：1、M1/M2不大于0.9且轴压比不大于0.9；2、轴压比=N/fcA6.4 偏心受压构件的二阶效应南京理工大学土木工程系极限状态与计算假设极限状态与计算假设大偏压：大偏压：近侧混凝土压碎，两侧钢筋屈服。近侧混凝土压碎，两侧钢筋屈服。小偏压：小偏压：近侧混凝土压碎，近侧钢筋受压屈服，远侧钢筋近侧混凝土压碎，近侧钢筋受压屈服，远侧钢筋可能受拉或受压可能受拉或受压,但均未屈服但均未屈服.6.5 矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系界限状态与大小偏心的判别界限状态与大小偏心的判别 近侧混凝土压碎同时，远侧钢筋受拉屈服。近侧混凝土压碎同时，远侧钢筋受拉屈服。大小偏压判别：大小偏压判别：当 b 小偏心受压小偏心受压界限状态：界限状态：6.5 矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系附加偏心距附加偏心距原因：原因：施工、计算模型误差。施工、计算模型误差。取值：取值：原始偏心矩原始偏心矩附加偏心矩附加偏心矩初始偏心矩初始偏心矩6.5 矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系小偏压远侧钢筋应力计算小偏压远侧钢筋应力计算 根据平面假设可推导。根据平面假设可推导。大量实验表明钢筋应力与相对受压区高度成线性关系。大量实验表明钢筋应力与相对受压区高度成线性关系。“规范规范”建议如下近似公式：建议如下近似公式：6.5 矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系正截面承载力计算公式正截面承载力计算公式分类分类大偏压大偏压小偏压小偏压一般情况一般情况远侧混凝土先压碎情况远侧混凝土先压碎情况6.5 矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系正截面承载力计算公式正截面承载力计算公式大偏压大偏压适用条件适用条件6.5 矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系正截面承载力计算公式正截面承载力计算公式小偏压小偏压（一般情况）（一般情况）（当21-b时，取s=-fy）b适用条件适用条件6.5 矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系正截面承载力计算公式正截面承载力计算公式小偏压小偏压（远侧混凝土先压碎情况）（远侧混凝土先压碎情况）当N较大，而e0较小的全截面受压情况下，如附加偏心距ea与荷载偏心距e0方向相反，即 ea使e0减小。对距轴力较远一侧受压钢筋As将更不利。6.5 矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系不对称配筋矩形偏压构件正截面计算方法不对称配筋矩形偏压构件正截面计算方法截面设计问题截面设计问题 1.大小偏压判断大小偏压判断 2.大偏压大偏压 a).As、As/均未知均未知 b).As/已知、已知、As未知未知 3.小偏压小偏压 a).As、As/均未知均未知 b).As已知、已知、As/未知未知截面校核问题截面校核问题当ei0.3h0时，为小偏心受压情况当ei0.3h0时，可按大偏心受压计算6.5 矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系对称配筋矩形偏压构件正截面计算方法对称配筋矩形偏压构件正截面计算方法对称配筋对称配筋截面设计问题截面设计问题 1.大小偏心的判别大小偏心的判别 2.大偏压大偏压 3.小偏压小偏压 a.一元三次方程一元三次方程 b.近似公式近似公式截面校核问题截面校核问题 按不对称配筋方法进行按不对称配筋方法进行6.5 矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系I I形截面偏压构件正截面计算方法形截面偏压构件正截面计算方法大偏压大偏压 中性轴在翼缘内中性轴在翼缘内 中性轴在腹板内中性轴在腹板内小偏压小偏压 中性轴在腹板内中性轴在腹板内 中性轴在远侧翼缘内中性轴在远侧翼缘内对称配筋对称配筋 截面设计问题截面设计问题:1.大小偏心判断大小偏心判断 2.大偏压大偏压 3.小偏压小偏压 截面校核问题截面校核问题6.6 对称配筋字形截面对称配筋字形截面 偏心受压构件正截面受压承载力计算偏心受压构件正截面受压承载力计算南京理工大学土木工程系偏压构件正截面受力及破坏特征偏压构件正截面受力及破坏特征Nuu 相关曲线相关曲线6.7 正截面受压承载力正截面受压承载力 的相关曲线及其应用的相关曲线及其应用南京理工大学土木工程系偏压构件正截面受力及破坏特征偏压构件正截面受力及破坏特征6.7 正截面受压承载力正截面受压承载力 的相关曲线及其应用的相关曲线及其应用双向偏压问题的特点双向偏压问题的特点 1.混凝土受压区形状混凝土受压区形状 2.纵筋的应力纵筋的应力双向偏压的破坏曲面双向偏压的破坏曲面双向偏压截面的近似计算双向偏压截面的近似计算南京理工大学土木工程系6.8 偏心受压构件斜截面受剪承载力计算偏心受压构件斜截面受剪承载力计算轴向压力对斜截面承载力的影响轴向压力对斜截面承载力的影响 影响趋势影响趋势:原原 因因:偏压构件斜截面承载力计算偏压构件斜截面承载力计算 公式公式:适用范围适用范围:N 0.3fcA南京理工大学土木工程系6.9 钢管混凝土柱和型钢混凝土柱简介钢管混凝土柱和型钢混凝土柱简介钢管混凝土柱简介钢管混凝土柱简介承载力高、延性好，抗震性能优越。施工方便，工期大大缩短。南京理工大学土木工程系6.9 钢管混凝土柱和型钢混凝土柱简介钢管混凝土柱和型钢混凝土柱简介型钢混凝土柱简介型钢混凝土柱简介实腹式、空腔式实腹式、空腔式承载力承载力抗震性能抗震性能稳定性稳定性南京理工大学土木工程系