第6章-轴向受力构件承载力

6.1 概述,柱受压构件：承受纵向压力的构件。,分类，见图：,轴心受压构件：纵向外力,N,的作用线与构件截面形心轴线重合。,偏心受压构件：纵向外力,N,的作用线与构件截面形心轴线不重合。又分为单向偏心和双向偏心受压构件,。,N,N,e,0,6.1 概述,实际结构中，理想的轴心受压构件极难找到，但有些构件可近似按轴压构件计算，如：承受节点荷载的屋架受压腹杆及受压弦杆；以恒载为主的等跨多层房屋的内柱等。而工程结构中的大多数竖向构件（单厂排架柱、多层与高层框架柱等）均为偏压构件。,6.2 轴心受压构件正截面承载力计算,根据配筋方式不同分两种：配有纵筋和普通箍筋的轴心受压构件、配有纵筋及螺旋式箍筋的轴心受压构件。,s,d,cor,6.2 轴心受压构件正截面承载力计算,轴心受压构件截面一般采用方形或矩形，有时根据需要也采用圆形或多边形。偏心受压构件一般采用矩形截面，当截面尺寸较大时，为节约混凝土和减轻柱的自重，常常采用I形截面。,圆形柱的直径一般不宜小于350mm，直径在600mm以下时，宜取50mm的倍数，直径在600mm以上时，宜取100mm的倍数；方形柱的截面尺寸一般不宜小于250mm250mm；当截面尺寸在800mm以下时，取50mm的倍数，在800mm以上时，取100mm的倍数；矩形截面柱截面尺寸宜满足,h,l,0,/25，,b,l,0,/30，I形截面要求翼缘厚度不宜小于120mm，腹板厚度不宜小于100mm。,6.2.1 柱的构造要求截面形式及尺寸,6.2.1 柱的构造要求,材料的选择,为充分发挥混凝土材料的抗压性能，减小构件的截面尺寸，节约钢筋，宜采用强度等级较高的混凝土。一般采用C25、C30、C35、C40。必要时可以采用强度等级更高的混凝土。,一般采用HRB335级、HRB400级和RRB400级。箍筋一般采用HPB235级、HRB335级钢筋，也可采用HRB400级钢筋。,纵向钢筋,为提高受压构件的延性，轴心受压构件、偏心受压构件全部纵筋的配筋率不应小于0.6%，且不宜超过5%，以免造成浪费。同时，一侧钢筋的配筋率不应小于0.2%。(按构件的全截面面积计算，见P453，附表9)。实验表明，收缩和徐变能使混凝土中的压应力逐渐向钢筋转移，从而使钢筋压应力不断增长。规定柱的最小配筋率，防止柱中钢筋应力在持续使用荷载作用下屈服。,6.2.1 柱的构造要求,纵向钢筋,轴心受压构件的纵向受力钢筋应沿截面的四周均匀布置。矩形截面时，钢筋根数不得少于4根；圆形截面时，不应少于6根。偏心受压构件的纵向受力钢筋应布置在偏心方向截面的两边。当截面高度,h,600mm时，在侧面应设置直径为1016mm的纵向构造钢筋，并相应设置附加箍筋或拉筋，见图。,图 偏心受压柱的纵向构造钢筋与复合箍筋,6.2.1 柱的构造要求,纵向钢筋,纵向受力钢筋宜采用直径较大的钢筋，以增大钢筋骨架的刚度、减少施工时可能产生的纵向弯曲和受压时的局部屈曲。纵向受力钢筋的直径不宜小于12mm，通常在1625mm范围内选用。,纵向受力钢筋的净间距不应小于50mm；对于水平浇筑的预制柱，其净间距应可按梁的有关规定取用。偏心受压构件垂直于弯矩作用平面的侧面和轴心受压构件各边的纵向受力钢筋，其中距不宜大于300mm。,纵向受力钢筋的接头宜设置在受力较小处。钢筋接头宜优先采用机械连接接头，也可以采用焊接接头和搭接接头。对于直径大于28mm的受拉钢筋和直径大于32mm的受压钢筋，不宜采用绑扎的搭接接头。,6.2.1 柱的构造要求,箍筋的构造要求,为了增大钢筋骨架的刚度，防止纵筋压曲，柱中箍筋应做成封闭式。箍筋间距不应大于400mm，且不应大于构件横截面的短边尺寸；在绑扎骨架中，间距不应大于15,d,，在焊接骨架中不应大于20,d,（,d,为纵向钢筋最小直径）。,箍筋直径不应小于d/4（d为纵向钢筋最大直径），且不应小于6mm。,当纵筋配筋率超过3%时，箍筋直径不应小于8mm，间距不应大于10d（d为纵筋最小直径），且不应大于200mm。箍筋末端应做成 弯钩且弯钩末端平直段长度不应小于箍筋直径的10倍。,6.2.1 柱的构造要求,箍筋的构造要求,在纵向受力钢筋搭接长度范围内，箍筋直径不应小于搭接钢筋较大直径的0.25倍。当搭接钢筋受拉时，箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm；当钢筋受压时，箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于200mm。,6.2.1 柱的构造要求,箍筋的构造要求,当柱短边截面尺寸大于400mm且各边纵向钢筋多于3根时，或当柱截面短边尺寸不大于400mm但各边纵向钢筋多于4根时，应设置复合箍筋，见图。,矩形截面柱的复合箍筋,6.2.1 柱的构造要求,箍筋的构造要求,对于截面形状复杂的构件，不应采用具有内折角的箍筋，避免产生向外的拉力所导致折角处混凝土破坏。可将复杂截面划分成若干简单截面，分别配置箍筋，见图。,图 复杂截面的箍筋形式,6.2.1 柱的构造要求,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,纵筋的作用：协助混凝土承担轴向压力；防止构件突然破坏的脆,性性质；承受构件失稳破坏时凸出面出现的拉力以及由于荷载的初偏心或其它偶然因素引起的附加弯矩在构件中产生的拉力；减少混凝土的徐变变形。,箍筋的作用：普通箍筋与纵筋形成骨架，承受剪力，防止纵筋在混凝土压碎前向外压屈（凸出），保证纵筋与混凝土共同受力，直到构件破坏；约束核心混凝土，并与纵向钢筋一起在一定程度上改善构件的脆性破坏性质，提高极限压应变。见图。,纵筋,箍筋：侧向约束纵筋、抗剪,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,根据轴压构件长细比（,l,0,/,i,）的不同，轴压构件分为短柱（,l,0,/,i,28，,i,为任意截面的回转半径；对矩形而言等价于,l,0,/,b,8）和长柱。,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(1)轴心受压短柱的应力分布及破坏形态,对短柱，试验表明，在轴心荷载作用下，整个截面的应变基本上是均匀分布的，当荷载较小时，混凝土和钢筋都处于弹性阶段，柱子压缩变形的增加与荷载的增长成正比，但荷载稍大后，由于混凝土塑性变形的发展，压缩变形增加的速度快于荷载的增长速度。,随着荷载继续增加，柱中开始出现细微的纵向裂缝，在临近破坏荷载时，纵向裂缝变得更明显，箍筋间的纵筋发生压屈，向外凸出，呈灯笼状，混凝土被压碎，而整个柱破坏，破坏是以混凝土被压碎为标志的（初偏心无影响），见图。,o,N,c,混凝土压碎,钢筋屈服,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(1)轴心受压短柱的应力分布及破坏形态,在计算时，以构件的压应变达到0.002为控制条件，认为此时混凝土压应力达到棱柱体抗压强度,f,c,（钢筋混凝土短柱达到应力峰值时的压应变一般在0.00250.0035之间。其主要原因是纵向钢筋起到了调整混凝土应力的作用使混凝土的塑性性质得到较好的发挥，使受压破坏的脆性性质得到改善）。相应的纵筋应力值 ；对屈服强度较低（400N/mm,2,）的钢筋HRB400级、HRB335级、HPB235级和RRB400级热轧钢筋以达到屈服强度，能够先屈服（先于混凝土压碎）。,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(2)轴心受压长柱的破坏形态,对长柱，初偏心影响不能忽略，构件受荷后，由于初始偏心距将产生附加弯矩，而附加弯矩产生的水平挠度有加大了原来的初始偏心距。这样互相影响的结果，使长柱最终在轴力和弯矩的共同作用下发生破坏。破坏时受压一侧往往产生较长的纵向裂缝，箍筋之间的纵筋被压屈，向外凸出，混凝土被压碎，而另一侧的混凝土则被拉裂，在构件高度中部发生横向裂缝，这实际是偏心受压的破坏特征。见图。,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(2)轴心受压长柱的破坏形态,试验表明，长柱的承载力35）。,规范规定采用一个降低系数 来反映这种承载力随长细比增大而降低的现象，称为稳定系数（与长细比有关），表6-1(P124)。,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(2)轴心受压长柱的破坏形态,钢筋混凝土受压构件的稳定系数,b,为矩形截面短边尺寸;,d,为圆形截面直径;,i,为回转半径。,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(3)承载力计算公式,轴心受压柱截面承载力计算简图，见图。轴心受压柱的正截面承载力计算公式为：,N,A,s,f,c,f,y,A,s,b,h,式中,N,轴向力设计值；,A,s,/,全部纵向受压钢筋的截面面积；,A,构件截面面积，当纵向受压钢筋的配筋率大于3%时，,A,应该用（,A,-,A,s,/,）代替；,钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数，表6-1；,为保持与偏心受压构件承载力计算公式具有相近的可靠度，乘以系数0.9,。,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(3)承载力计算公式,对矩形截面，可由,l,0,/b确定，,b,为矩形截面的短边，,l,0,为构件的计算长度。构件计算长度与构件两端支承情况有关。当两端铰支时，取,l,0,=,l,（,l,为构件的实际长度）；当两端固定时时，取,l,0,=0.5,l,；当一端固定，一端铰支时，取,l,0,=0.7,l,；当一端固定，一端自由时，取,l,0,=2,l,。实际结构构件的端部连接，不像上述几种情况那样理想、明确，这样会造成,l,0,的确定困难。因此在规范中，对不同结构中的柱计算长度作了具体规定，计算时可以查用。如框架结构各层柱的计算长度见下表。,框架结构各层柱的计算长度,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(4)适用条件,（包括一侧纵向钢筋配筋率应不小于一侧纵向钢筋最小配筋百分率）,=5%,见附表9(P453),6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,（5）设计计算方法,1）截面设计,已知：,N,，要求选定材料，确定截面尺寸，计算,A,s,/,设计时应注意，实际工程中的轴压构件沿截面两个主轴方向的杆端约束条件可能不同，因此计算长度,l,0,不同，另外构件截面两个方向的回转半径也可能不同（矩形、I形等），此时应选长细比较大方向的 值进行计算。,2）截面复核,已知：材料、截面、（,N,），求：,N,u,代入公式,直接计算。,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(6)算例,例1 钢筋混凝土框架柱的截面尺寸为400mm400mm，承受轴向压力设计值,N,=2500kN，柱的计算长度,l,0,=5.0m，混凝土强度等级为C30，钢筋采用HRB335级。要求确定纵筋数量,A,s,/,。,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(6)算例,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(6)算例,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,(6)算例,6.2.2 配有普通箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,作业：,6-13,6.2.3 配有螺旋式箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,6.2.3.1 试验研究分析,当轴心受压构件的轴向荷载设计值较大，但其截面尺寸由于建筑上及使用上的要求而受到限制，可考虑采用配有螺旋式箍筋柱，以提高承载力。,螺旋式箍筋柱用钢量相对较大，构件延性好，适用于抗震需要。螺旋式箍筋柱常设计成圆形截面。,6.2.3 配有螺旋式箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,6.2.3.1 试验研究分析,螺旋式箍筋对混凝土如同一个套箍，有效地限制了混凝土核心部分的横向变形，使得核心混凝土处在三向压应力作用下工作，使得混凝土抗压强度极限压应变得到很大提高。,间接钢筋柱：通过配置横向钢筋间接提高柱的纵向承载力。,间接钢筋：螺旋式钢筋或焊接环式钢筋。,随着压力增大，间接钢筋屈服，不能有效约束混凝土横向变形，构件破坏。,6.2.3 配有螺旋式箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,6.2.3.2 承载力计算,6.2.3 配有螺旋式箍筋的轴心受压构件正截面承载力计算,6.2.3.2 承载力计算,f,y,间接钢