第二章 鋼筋混凝土軸心受力構(gòu)件正截面承載力計(jì)算.ppt

1、第二章鋼筋混凝土軸心受力構(gòu)件正截面承載力計(jì)算,本章的重點(diǎn)是： 了解軸心受拉構(gòu)件和軸心受壓構(gòu)件的受力全過(guò)程； 掌握的軸心受拉構(gòu)件和軸心受壓構(gòu)件正截面承載力的計(jì)算方法； 了解建筑工程軸心受力構(gòu)件與公路橋涵工程軸心受力則構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算方法的相同與不同之處； 熟悉軸心受力構(gòu)件的構(gòu)造要求。,2.1概述,縱向拉力作用線與構(gòu)件截面形心線重合的 構(gòu)件(圖2-1)，稱為軸心受拉構(gòu)件。在實(shí)際工程中，由于荷載不可避免的偏心和構(gòu)件制作過(guò)程中的不均勻性，軸心受拉構(gòu)件幾乎是不存在的。但是，軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，因此，拱和桁架結(jié)構(gòu)中的拉桿，以及圓形水,池的池壁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可近似的按軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算。 同理，縱向壓力作用線

2、與構(gòu)件截面形心軸重合的構(gòu)件，稱為軸心受壓構(gòu)件。實(shí)際工程中理想的軸心受壓構(gòu)件也是不存在的。但是，在在設(shè)計(jì)以恒載為主的多層多跨房屋的內(nèi)柱和屋架的受壓腹桿等構(gòu)件時(shí)，可近似的簡(jiǎn)化軸心受壓構(gòu)件的計(jì)算，軸心受壓構(gòu)件中配有縱向鋼筋和箍筋，縱向鋼筋的作用是承受壓力，箍筋的主要作用是固定縱向鋼筋，使其在構(gòu)件制作過(guò)程中不發(fā)生變形和錯(cuò)位。,2.2 鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件正截面承載力計(jì)算,2.2.1 受力過(guò)程及破壞特征 軸心受拉構(gòu)件從開(kāi)始加載到破壞，其受力過(guò)程可分為三個(gè)不同的階段： 1.第I階段 從開(kāi)始加載到混凝上開(kāi)裂前，屬于第I階段，此時(shí) 縱問(wèn)鋼筋和混凝土共同承受拉力 應(yīng)力與應(yīng)變大致成正比，拉力N與截面平均拉應(yīng)變之

3、間基本上是線性關(guān)系 如圖2-2a中的OA段。,2.第II階段 混凝土開(kāi)裂后至縱向鋼筋屈服前屬于第II階段，首先在截面最薄弱處產(chǎn)生第一條裂縫 隨著荷載的增加，先后在一些截面上出現(xiàn)裂縫、逐漸形成圖2-2b中(N)所示的裂縫分布形式。此時(shí)，在裂縫處的混凝土不再承受拉力，所有拉力均由縱向鋼筋來(lái)承擔(dān)。拉力增加時(shí)，縱向鋼筋的應(yīng)變顯著增大反映在圖2-2a中的AB段斜率比第二階段的OA段的斜率要小。 3. 第III階段 縱向鋼筋屈服后，拉力N保持不變的措況下，構(gòu)件的變形繼續(xù)增大，裂縫不斷加寬，直至構(gòu)件破壞。此為構(gòu)件受力的第III階段 如圖2-2A中的BC段。,NfyAs (2-4) 式中N軸向拉力組合設(shè)計(jì)值；

4、 fy鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按附表2-3取用，不大于300N/mm2； As縱向鋼筋的全部截面面積。,2.2.2 建筑工程中軸心受拉構(gòu)件正截面承載力計(jì)算 正截面是指與構(gòu)件軸線垂直的截面。對(duì)于軸心受拉構(gòu)件正截面承載力的計(jì)算而言，以構(gòu)件第III階段的受力情況為基礎(chǔ)，但是要考慮可靠度的要求。此時(shí)，裂縫截面上混凝土因開(kāi)裂不能承受拉力，全部拉力由縱向鋼筋承受。由內(nèi)力與截面抗力的平衡條件可得,2.2.4 構(gòu)造要求 1.縱向受力鋼筋 (1)軸心受拉構(gòu)件的受力鋼筋不得采用綁扎的搭接接頭； (2)為避免配筋過(guò)少引起的脆性破壞，軸心受拉構(gòu)件的受拉鋼筋不小于0.2%和0.45ft/fy中的較大值； (3)受力鋼筋沿截

5、面周邊均勻?qū)ΨQ布置，并宜優(yōu)先選擇直徑較小的鋼筋。 2.鋼筋 箍筋直徑不小于6mm，間距一般不宜大于200mm（屋架的腹桿不宜超過(guò)150mm）。,2.3 鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件正截面承載力計(jì)算,軸心受壓構(gòu)件內(nèi)配有縱向鋼筋和箍筋。根據(jù)箍筋的配置方式不同，軸心受壓構(gòu)件可分為配置普通鋼筋和配置間距較密的的螺旋箍筋(或環(huán)式焊接鋼筋)兩大類(圖2-4)，后者又稱為螺旋式或焊接環(huán)式間接鋼筋。 軸心受壓構(gòu)件的縱向鋼筋除了與混凝土共同承擔(dān)軸,向用由外，還能承擔(dān)由于初始偏心或其他偶然因素引起的附加彎矩在構(gòu)件中產(chǎn)生的拉力、在配置普通箍筋的軸心受壓的件中，箍筋可以固定縱向受力鋼筋的位置，防止縱向鋼筋在混凝土破碎之前壓

6、屈，保證縱筋與混凝土共同受壓直到構(gòu)件破壞；螺旋形箍筋對(duì)混凝上有較強(qiáng)的環(huán)向約束用而能夠提高構(gòu)件的承載力和延性。 2.3.1配有普通箍筋的軸心受壓構(gòu)件 1.受力分析及破壞特征 根據(jù)構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比(構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度l0與構(gòu)件的截面回轉(zhuǎn)半徑i之比)的不同，軸心受壓構(gòu)件可分為短構(gòu)件(對(duì)一般截面l0/i28；對(duì)矩形截面l0/i8，b為截面寬度)和中長(zhǎng)構(gòu)件。習(xí)慣上將前者稱為短柱后者稱為長(zhǎng)柱。,鋼筋混凝土軸心受壓短柱的試驗(yàn)表明，在整個(gè)加載過(guò)程中可能的初始偏心對(duì)構(gòu)件承載力無(wú)明顯影響；由于鋼筋和混凝土之間存在著粘結(jié)力、兩者的壓應(yīng)變相等。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，鋼筋混凝上短柱的極限壓應(yīng)變大致與混凝土棱柱體受壓破壞時(shí)的壓應(yīng)變相

7、同混凝土的應(yīng)力達(dá)到棱柱體抗壓強(qiáng)度f(wàn)ck。若鋼筋的屈服壓應(yīng)變小于混凝土破壞時(shí)的壓應(yīng)變則鋼筋將首先達(dá)到抗壓屈服強(qiáng)度f(wàn)yk，鋼筋承擔(dān)的壓力維持不變，而繼續(xù)增加的荷載全部由混凝土承擔(dān)，直至混凝土被壓碎，在這類構(gòu)件中鋼筋和混凝土的抗壓強(qiáng)度都得到充分利用。 對(duì)于高強(qiáng)度鋼筋在構(gòu)件破壞時(shí)可能達(dá)不到屈服，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不大于C50，向鋼筋應(yīng)力為s=0.002Es=0.002210N/2=400N/2，鋼材的強(qiáng),度不能被充分利用?？傊?，在軸心受壓短柱中，不論受壓鋼筋在構(gòu)件破壞時(shí)是否屈服，構(gòu)件的最終承載力都是由混凝土壓碎來(lái)控制。在臨近破壞時(shí)，短柱四周出現(xiàn)明顯的縱向裂縫，箍筋間的縱向鋼筋發(fā)生壓曲外鼓，呈燈籠狀(圖

8、2-5)，以混凝土壓碎而告破壞。 對(duì)于鋼筋混凝土軸心受壓長(zhǎng)柱：試驗(yàn)表明，加荷時(shí)由于種種因素形成的初始偏心距對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，它將使構(gòu)件產(chǎn)生附加彎矩和增加變形如圖2-6所示.對(duì)長(zhǎng)細(xì)比很大的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，則有可能在材料強(qiáng)度尚未達(dá)到以前，即由于構(gòu)件喪失穩(wěn)定而引起破壞(圖2-7)。,試驗(yàn)結(jié)果表明長(zhǎng)往的承載力低于相同條件短柱的承載力，目前采用引入穩(wěn)定系數(shù)的方法來(lái)考慮長(zhǎng)柱縱向撓曲的不利影響，值小于1.0，且隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大,表2-1鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù),2. 建筑工程中配有普通箍筋的軸心受壓構(gòu)件正截面承載力計(jì)算方法 在軸向設(shè)計(jì)值N作用下，軸心受壓構(gòu)件的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2-8所示。由靜力平衡條件并考慮

9、長(zhǎng)細(xì)比等因素的影響后，承載力可按下式計(jì)算,(2-6),式中鋼筋混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)按表2-1取用； N軸向力設(shè)計(jì)值； fy鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，見(jiàn)附表2-3； fc混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，見(jiàn)附表1-2； As全部縱向受壓鋼筋截面面積； A構(gòu)件截面面積,當(dāng)縱向鋼筋配筋率大于0.03時(shí)，A改用Ac=A-As； 0.9為了保持與偏心受壓構(gòu)件正截面承載力計(jì)算具有相近的可靠度而引人的系數(shù)。,當(dāng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件截面長(zhǎng)邊或直徑小于300時(shí)，式(2-6)中混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以系數(shù)0.8構(gòu)件質(zhì)量確有保障時(shí)不受此限)。 4. 構(gòu)造要求 (1)材料 混凝土強(qiáng)度對(duì)受壓構(gòu)件的承載力影響較大，故宜采用強(qiáng)度等級(jí)

10、較高的混凝土，如C25，C30，C40等。在高層建筑和重要結(jié)構(gòu)中，尚應(yīng)選擇強(qiáng)度等級(jí)更高的混凝土。 鋼筋與混凝土共同受壓時(shí)，若鋼筋強(qiáng)度過(guò)高(如高于0.002Es)，則不能充分發(fā)揮其作用，故不宜用高強(qiáng)度鋼筋作為受壓鋼筋。同時(shí)，也不得用冷拉鋼筋作為受壓鋼筋。,(2)截面形式 軸心受壓構(gòu)件以方形為主，根據(jù)需要也可采用矩形截面、圓形截面或正多邊形截面；截面最小邊長(zhǎng)不宜小于250mm，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比l0/b一般為15左右，不宜大于30。 (3)縱向鋼筋 縱向受力鋼筋直徑d不宜小于12mm，為便于施工宜選用較大直徑鋼筋，以減少縱向彎曲，并防止在臨近破壞時(shí)鋼筋過(guò)早壓曲。圓柱中縱向鋼筋的根數(shù)不宜少于8根，且不應(yīng)少于

11、6根。 全部縱向鋼筋的配筋率不宜超過(guò)5%。 縱向鋼筋應(yīng)沿截面周邊均勻布置，鋼筋凈距不應(yīng)小于50mm，鋼筋中距亦不應(yīng)大于350mm，混凝土保護(hù)層最小厚度一般為25mm。 當(dāng)鋼筋直徑d32mm時(shí)，可采用綁扎搭接接頭，但接頭位置應(yīng)設(shè)在受力較小處。,(4)箍筋 應(yīng)當(dāng)采用封閉式箍筋，以保證鋼筋骨架的整體剛度并保證構(gòu)作在破壞階段箍筋對(duì)混凝土和縱向鋼筋的側(cè)向約束作用。 箍筋的間距s不應(yīng)大于橫截面短邊尺寸，且不大于400mm。同時(shí)不應(yīng)大于15d(d為縱向鋼筋的最小直徑)。 箍筋采用熱軋鋼筋時(shí)，其直徑不應(yīng)小于6mm，且不應(yīng)小于d/4；采用冷拔低碳鋼里時(shí)應(yīng)小于5mm和d/5(為縱向鋼筋的最大直徑)。 當(dāng)柱每邊的縱

12、向受力鋼筋不多于3根(或當(dāng)柱短邊尺寸b400mm而縱筋不多于4根)時(shí)?？刹捎脝蝹€(gè)箍筋,否則應(yīng)設(shè)置復(fù)合箍筋(圖2-9)。,當(dāng)柱中全部縱向受力鋼筋配筋率超過(guò)3時(shí)，箍筋直徑不宜小于8mm，且應(yīng)焊成封閉環(huán)式，其間距不應(yīng)大于10d(為縱向鋼筋的最小直徑)。且不應(yīng)大于200mm。 在受壓縱向鋼筋搭接長(zhǎng)度范圍內(nèi)的箍筋直徑不應(yīng)小于搭接鋼筋較大直徑的0.25倍，間距不應(yīng)小于10d，且不應(yīng)大于200mm(為受力鋼筋最小直徑)。,2.3.2配有螺旋箍螺旋箍筋的軸心受壓構(gòu)件,1.受力分析及破壞特征 混凝土三向受壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，由于側(cè)向壓應(yīng)力的作用，有效地阻止混凝土在軸向壓力作用下所產(chǎn)生的側(cè)向變形和內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，從

13、而使混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大地提高。配置螺旋螺旋箍筋(或焊接環(huán)箍)就能起到這種作用。試驗(yàn)表明，當(dāng)混凝土的軸向壓力較大時(shí)(0.7fc左右)。混凝土縱向微裂縫開(kāi)始迅速發(fā)展，導(dǎo)致混凝土出向變形明顯增大。而配置足量的螺旋箍筋或焊接圓環(huán)箍筋就能約束其側(cè)向變形，對(duì)混凝土產(chǎn)生間接的被動(dòng)側(cè)向壓力，箍筋則產(chǎn)生環(huán)向拉力。當(dāng)荷載逐步加大到混凝上壓應(yīng)變超過(guò)無(wú)約束時(shí)的極限壓應(yīng)變后，箍筋外部的混凝土將被壓壞開(kāi)始剝落，而箍筋,以內(nèi)即核心部分的混凝土則能繼續(xù)承載，只有當(dāng)箍筋達(dá)到抗拉屈服強(qiáng)度而失去約束混凝土側(cè)向變形的能力時(shí)，核心混凝土才會(huì)被壓碎而導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件破壞，其破壞形態(tài)如圖2-10所示。 2.建筑工程中配有螺旋式或焊接環(huán)式間

14、接鋼筋軸心受壓構(gòu)件正截面抗壓承載力計(jì)算方法 配置了間距較密的螺旋箍筋或焊接圓環(huán)箍的軸心受壓柱，其核心混凝土的抗壓強(qiáng)度可按三向受壓時(shí)的強(qiáng)度考慮可取,fc1=fc+42 (2-8) 式中，2是指間接鋼筋(例螺旋箍筋或焊接環(huán)筋)對(duì)核心混凝土產(chǎn)生的被動(dòng)側(cè)向壓內(nèi)力(即徑向壓應(yīng)力)。假設(shè)箍筋拉應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度則從圖2-11的平衡條件可得,故,式中,fy箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； Acor核心混凝土面積Acord2cor/4； Asso箍筋的換算面積Asso(dcor/s) Assl； Assl螺旋箍筋的截面面積； dcor核心混凝土直徑； s螺旋箍筋的間距。,構(gòu)件的承載力應(yīng)按下列公式計(jì)算,(2-10),將式(2-9)代入，得,(2-9),即,(2-12),即,設(shè)計(jì)時(shí)，為了保持與偏心受壓構(gòu)件正截面受民承載力具有相近的可靠度，并且考慮間接鋼筋對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土約束效應(yīng)影響差異。按下列公式近似計(jì)算,(2-13),(2-14),(2-11),fy間接鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按附表2-3采用； Acor構(gòu)件的核心成面面積；間接鋼筋內(nèi)表面范圍 的混凝土面積； Asso螺旋式或焊接環(huán)式間接鋼筋的換算截面面積； dcor構(gòu)件的核心負(fù)面直徑；間接鋼筋內(nèi)表面之間 的距離； Ass1螺旋式或焊接環(huán)式單根間接鋼筋的截面面積； s間接鋼筋沿構(gòu)件軸線方向的間距； 間接鋼筋對(duì)混凝土約束的折減系數(shù)；當(dāng)混凝 土強(qiáng)度等級(jí)不