第四轴心受力构件.ppt
第四章 轴心受力构件,4.1 受压构件概述,第四章 轴心受力构件,4.1 受压构件概述,按受力情况不同分类:,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。,第四章 轴心受力构件,4.1 受压构件概述,在实际结构中，理想的轴心受压构件几乎是不存在的。通常由于施工的误差、荷载作用位置的偏差、混凝土的不均匀性、钢筋可能不对称布置等原因，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。,如：,可视为双向受压构件,其余可视为双向受压构件,第四章 轴心受力构件,4.1 受压构件概述,普通箍筋柱：纵筋的作用？箍筋的作用？,螺旋箍筋柱：箍筋的形状为圆形，且间距较密，其作用？,轴心受压柱根据其构造的不同又可分为：普通箍筋柱、螺旋箍筋柱、钢管混凝土柱及钢骨混凝土柱四大类。本课程只介绍普通箍筋柱和螺旋箍筋柱两类。,箍筋,纵筋的作用：协助混凝土受压，以提高构件正截面受压承载力；受压钢筋最小配筋率：0.6%(单侧0.2%)提高构件的变形能力，改善受压破坏的脆性；试验表明素混凝土棱柱体构件达到最大应力值时的压应变值一般在0.00150.002之间，而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。承担可能产生的偏心弯矩作用；减小持续压应力下混凝土收缩和徐变的影响。,第四章 轴心受力构件,4.1 受压构件概述,箍筋的作用：与纵筋形成钢筋骨架，防止纵筋受力后压屈和固 定纵筋的位置；减小受压纵筋的支承长度，增强钢筋骨架的稳定性；对于承受较大横向剪力的构件，箍筋可以协同混凝土 抗剪，提高构件的抗剪强度；使核心混凝土处于三向受压状态，使其强度和延性有所提高，从而改善构件破坏时的脆性。,第四章 轴心受力构件,4.1 受压构件概述,混凝土的作用：承受压力；形成足够的截面尺寸，保证构件不失稳。,第四章 轴心受力构件,4.1 受压构件概述,螺旋钢箍柱中箍筋的作用：箍筋形状为螺旋形或焊接圆环形，又称为“间接钢筋”；“间接钢筋”间距小，配箍率大，因而能通过使核心混 凝土三向受压而提高其抗压强度和变形能力，从而提 高了柱子的承载能力。,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,4.2 轴心受压构件的承载力计算,一、柱的分类,其中：l0为柱的计算长度；b为矩形截面短边尺寸；d为圆截面直径；i为圆截面的最小回转半径。,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,柱的计算长度l0与柱的实际长度l及其端部的支撑条件有关。,在工程设计时，柱的计算长度应按混凝土结构设计规范的 规定取值。,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,二、普通箍筋柱轴心受压的受力机理,短柱,由各种偶然因素造成初始偏心距和附加弯矩，但很小，可略去。在轴向压力的作用下，整个截面上的应力、应变基本上是均匀分布的。如图所示：,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,构件的破坏过程：,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,当混凝土压应力达到峰值所对应的应变值时，构件上的纵向裂缝继续发展，箍筋间的纵筋发生压屈向外凸出，混凝土被压碎而使整个构件破坏。此阶段是计算轴心受压构件极限强度的依据。,第一阶段：弹性阶段,第二阶段：弹塑性阶段,在相同的荷载增量下，钢筋的压应力比混凝土压应力增加得快，截面上的钢筋和混凝土应力的比值不断调整，这种现象称为钢筋和混凝土之间的应力重分布，是由混凝土的塑性性质引起的。,第三阶段：破坏阶段,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,极限破坏状态时截面的应力分析:,混凝土,混凝土达到极限压应变，被压碎。即，,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,钢筋的受压强度,当采用 的一般钢筋时，钢筋首先屈服，最后，混凝土达到极限压应变，构件破坏，钢筋抗拉强度和混凝土抗压强度都能得到充分利用；当采用 的高强钢筋时，则纵筋不屈服，,当混凝土应变达到极限压应变时，受压纵筋屈服强度约为：,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,长柱,由各种偶然因素造成初始偏心距不可忽略，加载后将产生附加弯矩和相应的侧向挠度，使长柱最终在轴力和弯矩的共同作用下发生破坏，因此，长柱的破坏荷载低于其他条件相同的短柱的破坏荷载。长细比越大，承载能力降低越多。如图所示：,y,e,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,长柱的破坏形态：,材料破坏：对长细比较大的长柱，在轴力和弯 矩共同作用下，首先在凹侧出现纵向裂缝，随后混凝土被压碎，纵筋被压屈向外凸出；凸侧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。短柱的破坏也属于材料破坏。材料破坏即构件破坏时，钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度都能得到充分利用的破坏。,失稳破坏：对长细比很大的细长柱，会发生失稳破坏。,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,稳定系数：,混凝土结构设计规范采用稳定系数来表示长柱承载力的降低，即为长柱受压承载力 和短柱受压承载力 的比值。,稳定系数j 主要与柱的长细比l0/b有关,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,三、普通箍筋柱轴心受压正截面承载力,如图所示：,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,轴心受压短柱,轴心受压长柱,折减系数（可靠度协调系数）0.9是考虑初始偏心的影响，以及主要承受恒载作用的轴心受压柱的可靠性。,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,四、螺旋箍筋柱轴心受压正截面承载力,受力机理：不同配筋形式柱的荷载-应变曲线,第四章 轴心受力构件,4.2 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,第四章 轴心受力构件,4.2 轴心受压构件的承载力计算,第四章 轴心受力构件,4.2 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）,第四章 轴心受力构件,4.2 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）,第四章 轴心受力构件,4.2 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fcu,k50N/mm2时，取a=2.0；当fcu,k=80N/mm2时，取a=1.7，其间直线插值。,第四章 轴心受力构件,4.2 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l0/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Ass1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Ass0不得小于全部纵筋As 面积的25%螺旋箍筋的间距s不应大于dcor/5，且不大于80mm，同时为方便施工，s也不应小于40mm。,第四章 轴心受力构件,4.3受压构件的一般构造,4.3 受压构件的一般构造,材料强度等级,混凝土：为了减小柱截面尺寸，节省钢材，宜采用较高强度等 级的混凝土，一般采用C20C40强度等级混凝土；对 于高层建筑的底层柱，心要时可采用C50以上的高强 度 混凝土。,钢 筋：纵向受力钢筋一般采用HRB400级、HRB335级和 RRB400级，不宜采用高强度钢筋。箍筋一般采用HPB235级、HRB335级钢筋，也可采用 HRB400级钢筋。,第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,截面形式及尺寸,截面形式：轴心受压：正方形或边长接近的矩形、圆形、多边形 偏心受压：矩形,截面尺寸：宜同时满足以处四个条件,根据经济配筋率（0.8%2%)选择合适的截面尺寸；截面尺寸宜符合模数：800mm以处宜取50mm的倍数；800mm 以上者可取100mm的倍数。,一般取15左右；,第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,直径：宜较粗，不宜小于12mm，通常在1232mm范围内选用。,布置方式：轴心受压：沿截面周边均匀对称布置，要成双配置。矩形截面的 钢筋根数不应少于4根，圆形截面的钢筋根数不宜少 于8根，应少于6根。,偏心受压：沿偏心力作用方向两侧布置。,纵向受力钢筋,第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,配筋率：对轴心受压柱,混凝土结构设计规范规定受压构件最小配筋率的目的是：改善其脆性特征，避免混凝土突然压溃，能够承受收缩和温度引起的拉应力，并使受压构件具有必要的刚度和抗偶然偏心作用的能力。,第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,新西兰NZS3101（1995）的说明中给出了对住纵筋最小配筋率的一段“经典”解释：因为柱的承载力计算采用的是把混凝土项和钢筋项相叠加的设计方法，所以有必要给钢筋用量规定一个下限，以便设计出的柱还是钢筋混凝土柱。柱最小配筋率的作用在于承担弯矩作用，不论结构分析结果表明是否存在弯矩作用。最小配筋的作用还在于降低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。,第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,混凝土结构设计规范规定受压构件最大配筋率的原因是：1、当配筋率过大时，如果在短期内加载速度过快，混凝土的塑性变形来不及充分发展，有可能引起混凝土过早破坏；2、在荷载长期作用下，徐变使混凝土中的压应力降低较多，如果有些构件在荷载持续过程中突然卸载，由于混凝土的徐变变形大部分不可恢复，而钢筋的回弹有可能使混凝土中出现拉应力，甚至引起开裂；3、配筋率过大还会造成不经济和施工不方便。,第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,钢筋间距：,纵向钢筋的混凝土保护层厚度：定义：纵向受力钢筋外表面到截面边缘的垂直距离，称为混凝土保护层厚度，用c表示。,第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,表4.1 纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度（mm),第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,表4.2 混凝土结构的使用环境类别,第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,箍筋,注：柱子纵筋搭接长度范围内箍筋直径、间距应按规范规定采用。,第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,附加箍筋：,第四章 轴心受力构件,4.3 受压构件的一般构造,当b400mm，且各边纵筋根数多于3根时；虽b400mm，但各边纵筋根数多于4根时；在地震区，需按规范设置附加箍筋。,附加箍筋的应用场合,钢筋混凝土桁架或拱拉杆、受内压力作用的环形截面管壁及圆形贮液池的筒壁等，通常按轴心受拉构件计算。矩形水池的池壁、矩形剖面料仓或煤斗的壁板、受地震作用的框架边柱，以及双肢柱的受拉肢，属于偏心受拉构件。受拉构件除轴向拉力外，还同时受弯矩和剪力作用。,4.4 轴心受拉构件的承载力计算,N为轴向拉力的设计值；fy为钢筋抗拉强度设计值；As为全部受拉钢筋的截面面积，应满足As(0.9ft/fy)A，A为构件截面面积。,
