08.123 受压概述性能1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,受压构件（柱）,往往在结构中具有重要作用，一旦产生破坏，往往导致整个结构的损坏，甚至倒塌。,第八章 受压构件,Compressive Element or Column,1,2,3,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,轴心受压承载力是正截面受压承载力 的上限。,先讨论轴心受压构件的承载力计算，然后重点讨论单向偏心受压的正截面承载力计算。,第八章 受压构件,Compressive Element or Column,4,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,8.1,轴心受压构件的承载力计算,在实际结构中，理想的轴心受压构件几乎是不存在的。,通常由于施工制造的误差、荷载作用位置的偏差、混凝土的不均匀性等原因，往往存在一定的初始偏心距。,但有些构件，如以恒载为主的等跨多层房屋的内柱、桁架中的受压腹杆等，主要承受轴向压力，可近似按轴心受压构件计算。,普通钢箍柱,：,箍筋,的作用,？,纵筋,的作用,？,螺旋钢箍柱,：箍筋的形状为圆形，且间距较密，其作用,？,5,6,纵筋的作用：,协助混凝土受压,受压钢筋最小配筋率：,0.4%,(,单侧,0.2%),经济配筋率,取,0.8%2%;,承担弯矩作用,减小持续压应力下混凝土收缩和徐变的影响。,实验表明，收缩和徐变能把柱截面中的压力由混凝土向钢筋转移，从而使钢筋压应力不断增长。压应力的增长幅度随配筋率的减小而增大。如果不给配筋率规定一个下限，钢筋中的压应力就可能在持续使用荷载下增长到屈服应力水准。,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,7,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,一、普通钢箍柱,轴心受压,短,柱,轴心受压,长,柱,稳定系数,稳定系数,j,主要与柱的长细比,l,0,/,b,有关,折减系数,0.9,是考虑初始偏心的影响，以及主要承受恒载作用的轴压受压柱的可靠性。,8,构造要求,（,1,）材料,混凝土强度对受压构件的承载力影响较大，故应采用强度等级较高的混凝土，,如,C25,，,C30,，,C40,等。在高层建筑和重要结构，应选强度等级更高的混凝土。,钢筋和混凝土共同受压时，若钢筋强度过高（如高于,0.002,E,s,),，则不能发挥其,作用，故不宜用高强度钢筋作为受压钢筋。同时，也不能用冷拉钢筋做受压钢筋。,（,2,）截面形式,轴心受压构件以方形为主，根据需要也可采用矩形截面、圆形截面或正多边形截面。截面最小边长不宜小于,250mm,，构件长细比一般为,15,，不宜大于,30,。,（,3,）纵向钢筋,纵向钢筋的直径不宜小于,12,，为便于施工宜选用较大直径的钢筋，以减少纵向,弯曲，并防止在临近破坏时钢筋过早压屈。圆柱中纵向钢筋的根数不宜少于,8,根，,且不应少于,6,根。,全部纵向钢筋的配筋率不宜超过,5%,纵向钢筋沿截面周边均匀布置，钢筋净间距不应小于,50mm,，钢筋的中距不应,大于,350mm,，混凝土的保护层厚度一般为,25mm,9,当钢筋的直径小于等于,32mm,，可采用搭接接头，但接头位置应设在受力较小处,（,4,）箍筋,应当采用封闭箍筋，以保证钢筋骨架的整体刚度，并保证构件在破坏阶段箍,筋对混凝土和纵向钢筋的侧向约束作用。,箍筋的间距不应大于横截面短边尺寸，且不大于,400mm,。同时不大于,15d,（,d,为纵向钢筋的最小直径）。,箍筋采用热轧钢筋时，其直径不应小于,6mm,，且不应小于,d/4,；采用冷拔低碳钢丝时应小于,5mm,和,d/5( d,为纵向钢筋的最大直径,),。,当柱每边的纵向受力钢筋不多于,3,根时（或当柱短边尺寸小于等于,400mm,而,纵筋不多余,4,根）时，可采用单个箍筋；否则，应设置复合箍筋。,当柱中全部纵筋配筋率超过,3%,时，箍筋的直径不宜小于,8mm,，且应焊成封闭环式,在受压纵筋搭接长度范围内箍筋直径不应小于搭接钢筋直径的,0.25,倍，间距不应小于,10d,，切不应大于,200mm,（,d,为受力钢筋的最小直径）。,10,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,二、螺旋箍筋柱,11,12,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,混凝土圆柱体三向受压状态的纵向抗压强度,13,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,14,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,达到极限状态时（保护层已剥落，不考虑）,15,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,达到极限状态时（保护层已剥落，不考虑）,16,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,螺旋箍筋对承载力的影响系数,a,，当,f,cu,k,50N/mm,2,时，取,a,= 2.0,；当,f,cu,k,=80N/mm,2,时，取,a,=1.7,，其间直线插值。,17,第八章 受压构件,8.1,轴心受压构件的承载力计算,采用螺旋箍筋可有效提高柱的轴心受压承载力。,如螺旋箍筋配置过多，极限承载力提高过大，则会在远未达到极限承载力之前保护层产生剥落，从而影响正常使用。,规范,规定：,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,50%,。,对长细比过大柱，由于纵向弯曲变形较大，截面不是全部受压，螺旋箍筋的约束作用得不到有效发挥。,规范,规定：,对长细比,l,0,/,d,大于,12,的柱不考虑螺旋箍筋的约束作用。,螺旋箍筋的约束效果与其截面面积,A,ss1,和间距,s,有关，为保证由一定约束效果，,规范,规定：,螺旋箍筋的换算面积,A,ss0,不得小于全部纵筋,A,s,面积的,25%,螺旋箍筋的间距,s,不应大于,d,cor,/5,，且不大于,80mm,，同时为方便施工，,s,也不应小于,40mm,。,18,8.2,压力和弯矩共同作用下的截面受力性能,Behaviors under flexure and axial load,压弯构件 偏心受压构件,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,19,8.2,压力和弯矩共同作用下的截面受力性能,Behaviors under flexure and axial load,压弯构件 偏心受压构件,偏心距,e,0,=0,时，弯矩,M,0,，轴心受压构件；,当,N,=0,，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,受弯构件,。,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,20,一、破坏特征,偏心受压构件的破坏形态与,偏心距,e,0,和,纵向钢筋配筋率,有关,1,、受拉破坏,tensile failure,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,M,较大，,N,较小,偏心距,e,0,较大,A,s,配筋合适,21,一、破坏特征,偏心受压构件的破坏形态与,偏心距,e,0,和,纵向,钢筋配筋率,有关,1,、受拉破坏,tensile failure,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,截面受拉侧混凝土较早出现裂缝，,A,s,的应力随荷载增加发展较快，,首先达到屈服,。,此后，裂缝迅速开展，受压区高度减小。,最后受压侧钢筋,A,s,受压屈服，压区混凝土压碎而达到破坏。,这种破坏具有明显预兆，变形能力较大，破坏特征与配有受压钢筋的适筋梁相似，,承载力主要取决于受拉侧钢筋,。,形成这种破坏的条件是：,偏心距,e,0,较大，且受拉侧纵向钢筋配筋率合适,，通常称为,大偏心受压,。,22,2,、受压破坏,compressive failure,产生受压破坏的条件有两种情况：,当相对偏心距,e,0,/,h,0,较小,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,或虽然相对偏心距,e,0,/,h,0,较大，但受拉侧纵向钢筋配置较多时,A,s,太多,23,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,截面受压侧混凝土和钢筋的受力较大。,而受拉侧钢筋应力较小。,当相对偏心距,e,0,/,h,0,很小时，受拉侧还可能出现受压情况。,截面最后是由于受压区混凝土首先压碎而达到破坏。,承载力主要取决于压区混凝土和受压侧钢筋，破坏时受压区高度较大，受拉侧钢筋,未达到,受拉屈服,，破坏具有脆性性质。,第二种情况在设计应予避免,，因此受压破坏一般为偏心距较小的情况，故常称为,小偏心受压,。,2,、受压破坏,compressive failure,产生受压破坏的条件,有两种情况：,当相对偏心距,e,0,/,h,0,较小。,或虽然相对偏心距,e,0,/,h,0,较,大，但受拉侧纵向钢筋配置较多时。,A,s,太多,24,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,25,二、正截面承载力计算,偏心受压正截面受力分析方法与受弯情况是相同的，即仍采用以,平截面假定,为基础的计算理论。,根据混凝土和钢筋的应力,-,应变关系，即可分析截面在压力和弯矩共同作用下受力全过程。,对于正截面承载力的计算，同样可按受弯情况，对受压区混凝土采用等效矩形应力图。,等效矩形应力图,的强度为,a,f,c,，等效矩形应力图的高度与中和轴高度的比值为,b,。,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,26,受拉破坏和受压破坏的界限,即,受拉钢筋屈服,与,受压区混凝土边缘极限压应变,e,cu,同时达到。,与适筋梁和超筋梁的界限情况类似。,因此，,相对界限受压区高度,仍为。,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,27,当,x,x,b,时,当,x,x,b,时,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,受,拉,破坏,(,大偏心受压,),受,压,破坏,(,小偏心受压,),28,受拉侧钢筋应力,s,s,由平截面假定可得,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,x,=,b,x,n,s,s,=,E,s,e,s,29,受拉侧钢筋应力,s,s,x,=,b,x,n,s,s,=,E,s,e,s,为避免采用上式出现,x,的,三次方程,e,cu,e,y,x,n,b,h,0,考虑：当,x,=,x,b,，,s,s,=,f,y,；,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,30,受拉侧钢筋应力,s,s,x,=,b,x,n,s,s,=,E,s,e,s,为避免采用上式出现,x,的,三次方程,考虑：当,x,=,x,b,，,s,s,=,f,y,；,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,当,x,=,b,，,s,s,=0,31,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,32,三、相对界限偏心距,e,0b,/,h,0,偏心受压构件的设计计算中，需要判别大小偏压情况，以便采用相应的计算公式。,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,x,=,x,b,时为界限情况,，取,x,=,x,b,h,0,代入大偏心受压的计算公式，并取,a,=,a,，可得界限破坏时的轴力,N,b,和弯矩,M,b,，,33,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,对于给定截面尺寸、材料强度以及截面配筋,A,s,和,A,s,，界限相对偏心距,e,0b,/,h,0,为定值。,当偏心距,e,0,e,0b,时，为大偏心受压情况,；,当偏心距,e,0,e,0b,时，为小偏心受压情况,。,34,进一步分析，当截面尺寸和材料强度给定时，,界限相对偏心距,e,0b,/,h,0,随,A,s,和,A,s,的减小而减小,。,故当,A,s,和,A,s,分别取最小配筋率时，可得,e,0b,/,h,0,的最小值。,受拉钢筋,A,s,按构件全截面面积计算的最小配筋率为,0.45,f,t,/,f,y,。,受压钢筋按构件全截面面积计算的最小配筋率为,0.002,。,近似取,h,=1.05,h,0,，,a,=0.05,h,0,，代入上式可得。,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,35,相对界限偏心距的最小值,e,0b,min,/,h,0,=0.2840.322,近似取平均值,e,0b,min,/,h,0,=0.3,当偏心距,e,0,N,b,）为受压破坏。,40,对于对称配筋截面，达到界限破坏时的轴力,N,b,与配筋率无关，而,M,b,随着配筋率的增加而增大。,第八章 受压构件,8.2,轴心受压构件的承载力计算,如截面尺寸和材料强度保持不变，,N,u,-,M,u,相关曲线随配筋率的增加而向外侧增大。,41,第八章 受压构件,8.3,附加偏心距和偏心距增大系数,8.3,附加偏心距和偏心距增大系数,由于施工误差、计算偏差及材料的不均匀等原因，实际工程中不存在理想的轴心受压构件。为考虑这些因素的不利影响，引入,附加偏心距,e,a,(accidental eccentricity),，,即在正截面压弯承载力计算中，偏心距取计算偏心距,e,0,=,M,/,N,与附加偏心距,e,a,之和，称为,初始偏心距,e,i,(initial eccentricity),参考以往工程经验和国外规范，附加偏心距,e,a,取,20mm,与,h,/30,两者中的较大值，此处,h,是指偏心方向的截面尺寸。,一、附加偏心距,42,二、偏心距增大系数,由于侧向挠曲变形，轴向力将产生,二阶效应,，引起附加弯矩。,对于长细比较大的构件，二阶效应引起附加弯矩不能忽略。,图示典型偏心受压柱，跨中侧向挠度为,f,。,对跨中截面，轴力,N,的,偏心距为,e,i,+,f,，即跨中截面的弯矩为,M,=,N,(,e,i,+,f,),。,在截面和初始偏心距相同的情况下，柱的,长细比,l,0,/,h,不同，侧向挠度,f,的大小不同，影响程度会有很大差别，将产生不同的破坏类型。,第八章 受压构件,8.3,附加偏心距和偏心距增大系数,43,对于,长细比,l,0,/,h,8,的,短柱,。,侧向挠度,f,与初始偏心距,e,i,相比很小。,柱跨中弯矩,M,=,N,(,e,i,+,f,),随轴力,N,的增加基本呈线性增长。,直至达到截面承载力极限状态产生破坏。,对短柱可忽略挠度,f,影响。,第八章 受压构件,8.3,附加偏心距和偏心距增大系数,44,长细比,l,0,/,h,=830,的,中长柱,。,f,与,e,i,相比已不能忽略。,f,随轴力增大而增大，柱跨中弯矩,M,=,N,(,e,i,+,f,),的增长速度大于轴力,N,的增长速度。,即,M,随,N,的增加呈明显的非线性增长。,虽然最终在,M,和,N,的共同作用下达到截面承载力极限状态，但轴向承载力明显低于同样截面和初始偏心距情况下的短柱。,因此，对于中长柱，在设计中应考虑附加挠度,f,对弯矩增大的影响。,第八章 受压构件,8.3,附加偏心距和偏心距增大系数,45,第八章 受压构件,8.3,附加偏心距和偏心距增大系数,长细比,l,0,/,h,30,的长柱,侧向挠度,f,的影响已很大,在未达到截面承载力极限状态之前，侧向挠度,f,已呈,不稳定,发展,即柱的轴向荷载最大值发生在荷载增长曲线与截面承载力,N,u,-,M,u,相关曲线相交之前,这种破坏为失稳破坏，应进行专门计算,46,偏心距增大系数,，,，,取,h,=1.1,h,0,第八章 受压构件,8.3,附加偏心距和偏心距增大系数,l,0,47,偏心距增大系数,，,，,取,h,=1.1,h,0,第八章 受压构件,8.3,附加偏心距和偏心距增大系数,l,0,48,第八章 受压构件,8.3,附加偏心距和偏心距增大系数,有侧移结构，其二阶效应主要是由水平荷载产生的侧移引起的。,精确考虑这种二阶效应较为复杂，一般需通过考虑二阶效应的结构分析方法进行计算。,由于混凝土结构开裂的影响，在考虑二阶效应的结构分析时应将结构构件的弹性抗弯刚度乘以折减修正系数：,对梁取修正系数,0.4,，,对柱取修正系数,0.6,。,对已采用考虑二阶效应的弹性分析方法确定结构内力时，以下受压构件正截面承载力计算公式中的,h,e,i,应用,(,M,/,N,+,e,a,),代替。,49,三、柱的计算长度,l,0,根据材料力学的稳定理论可知，受压构件的计算长度,l,0,与,构件两端的支承情况有关：,两端为不动铰支座时：,l,0,=,l,当两端固定时：,l,0,=0.5,l,当一端固定、一端为不动铰支座时：,l,0,=0.7,l,当一端固定、一端自由时：,l,0,=2,l,其中，,l,为支点间构件的实际长度。,实际结构中，受压构件两端往往既不是理想铰支座，也非理想固定支座。,规范,根据结构受力变形的特点，按以下规定确定轴心受压柱和偏心受压柱的计算长度,l,0,50,柱的类型,排架方向,垂直排架方向,有柱间支撑,无柱间支撑,无吊车厂房,单跨,1.5H,1.0H,1.2H,两跨及多跨,1.25H,1.0H,1.2H,有吊车厂房,上柱,2.0H,u,1.25H,u,1.5H,u,下柱,1.0H,l,0.8H,l,1.0H,l,露天吊车和栈桥柱,2.0H,l,1.0H,l,_,刚性屋盖单层房屋排架柱、露天吊车柱和栈桥柱的计算长度,51,楼盖类型,柱的类别,计算长度,现浇楼盖,底层柱,1.0H,其余各柱,1.25H,装配楼盖,底层柱,1.25H,其余各柱,1.5H,框架结构各层柱段的计算长度,52,