《偏心受力构件》PPT课件.ppt
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1、1,5 偏心受力构件承载力,(1)掌握大偏心受压和小偏心受压的受力性能、破坏特征,以及它们的异同点;(2)熟悉对称配筋情形下的矩形截面、I形截面的受压承载力计算;(3)理解M、N的相关性、轴向压力在挠曲杆件中产生二阶效应的弯矩调整,轴向力对抗剪承载力的影响;(4)一般掌握偏心受拉构件的受力性能、破坏特征,承载力计算方法。,2,偏心受力构件:,偏心受压,偏心受力构件是指轴向力偏离截面形心或构件同时受到弯矩和轴向力的共同作用。,M=N e0,3,工程实例,桁架受节间荷载,矩形水池,剪力墙,框架,拱,4,5.1 偏心受压构件的构造要求,5.1.1 截面形式 现浇柱:矩形、方形、圆形、正多边形 预制柱
2、:矩形、工形、双肢截面等 b250mm(抗震时300mm)l0/h25 及 l0/b30 5.1.2 纵向受力钢筋 1、钢筋的种类、直径与间距 纵向受力钢筋宜采用HRB400级、HRB500级等热轧带肋钢筋或HRBF400级、HRBF500级细晶粒热轧带肋钢筋。,5,钢筋直径不宜小于12mm,并宜优先选择直径较大的受力钢筋;钢筋净距不应小于5Omm。在偏心受压柱中,垂直于弯矩作用平面的纵向受力钢筋,钢筋的中距不应大于30Omm。纵向受力钢筋按计算要求设置在弯矩作用方向的两对边;当截面高度600mm时,还应在柱的侧面设置直径为10l6mm的纵向构造钢筋并相应设置复合箍筋或拉筋,6,2.纵向受力钢
3、筋的配筋百分率 1)最小配筋百分率 偏心受压构件的的最小配筋百分率均按构件的全截面面积A计算:受压构件一侧纵向钢筋的最小配筋百分率为0.2;全部纵向钢筋的最小配筋百分率与钢筋级别有关。2)全部纵向受力钢筋最大配筋率 偏心受压构件的全部纵向受力钢筋的配筋率不宜大于5%,一般情况下不宜超过3%。当超过3%时,则箍筋应采取加强措施,7,5.1.3 箍筋,采用封闭式箍筋、不得采用内折角式箍筋,内折角处!,箍筋直径d6mm、不应小于纵筋较大直径的1/4;箍筋间距b且 400mm且 15d(d为纵筋较小直径),8,在截面尺寸较大时,采用复合箍(见图),9,5.1.4 混凝土 1.混凝土强度等级 宜选用较高
4、强度等级 一般C20 2.混凝土保护层厚度 室内正常环境下(一类环境)宜 30mm 且纵向受力筋直径d 环境类别较高时,应加厚保护层,10,5.2 偏心受压构件的受力性能,(主要研究矩形截面单向偏心受压情形)5.2.1 试验研究分析 试验研究表明:截面的平均应变符合平截面假定;构件的最终破坏是由于受压区混凝土的压碎所造成的。由于引起混凝土压碎的原因不同,偏心受压的破坏形态可以分为大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两类。,11,小偏心受压破坏,大偏心受压破坏,12,1.大偏心受压破坏(受拉破坏)发生在偏心距较大且受拉钢筋AS配置不多时 具有与适筋梁相似的受力特点和相同的破坏特征 破坏时受拉钢筋首先屈
5、服,最后由于受压区混凝土被压碎而破坏;破坏时受压钢筋一般能受压屈服(同双筋梁);由于破坏始于受拉钢筋屈服,故也称为受拉破坏(tension failure)。,13,2 小偏心受压破坏(受压破坏)发生在偏心距较小或偏心距较大、且受拉钢筋AS配置过多时 具有与轴心受压构件或超筋梁相似的受力特点和破坏特征 破坏时离纵向力较远一侧钢筋钢筋As可能受压、也可能受拉,但不会屈服,最后由于离纵向力较近一侧的受压区混凝土被压碎而破坏;该侧受压钢筋能受压屈服;由于破坏始于受压区混凝土的压碎,破坏具有明显的脆性,称为受压破坏(compression failure)。,14,3.弯矩和轴心压力对偏心受压构件正截
6、面受压承载力的影响 偏心受压构件实际上是弯矩M和轴向压力N共同作用的构件。轴向压力对截面 重心的偏心距e0=M/N(e0称为荷载偏心距)。弯矩和轴向压力的不同组合使偏心距不同,将对给定材料、截面尺寸和配筋的偏心受压构件的承载力产生不同的影响。构件可以在不同N和M的组合下到达承载力极限状态。换言之,偏心受压构件在到达承载力极限状态时的正截面受压承载力Nu与弯矩M具有相关性。,15,M、N相关曲线,0,20,30,1000,800,600,400,200,10,40,Nu(kN),Mu(kN m),B破坏,A安全,16,当偏心距为零,构件为轴心受压破坏;随着偏心距的增加,截面的破坏形态逐渐由“受压
7、破坏”向“受拉破坏”转化。在受压破坏时,随看偏心距的增加,构件的受压承载力减少、受弯承载力增加;在受拉破坏时,随着偏心距的增加,构件受压承载力和受弯承载力都减少。这也意味着:在小偏心受压时,当M相同、截面的几何特征和材料都相同时,轴压力越大,所需配筋越多;而在大偏心受压时,轴压力越小,需要的配筋越多。而不论是小偏心受压和大偏心受压,其他条件相同时、弯矩越大则所需配筋越多。,17,5.2.2 大、小偏心受压的分界,大、小偏心受压破坏的根本区别是离纵向力较远一侧钢筋As是否受拉屈服,而其共同点是离纵向力较近一侧混凝土被压碎。显然,其分界状态是:离纵向力较远一侧钢筋As刚受拉屈服时,离纵向力较近一侧
8、混凝土同时被压碎,此时cu与受弯构件破坏时的cu 相同。这种状态与受弯构件的界限破坏状态是完全一致的。,18,界限破坏:当受拉钢筋屈服的同时,受压边缘混凝土应变达到极限压应变。,大小偏心受压的分界:,b 小偏心受压 ae,=b 界限破坏状态 ad,19,5.2.3 纵向弯曲(挠曲)的影响,偏心受压荷载使构件产生纵向弯曲变形,引起附加弯矩,导致受压承载力降低。1.附加偏心距ea 由于荷载作用位置偏差,截面混凝土非匀质性,施工偏差等 ea=20mm(h600mm时)及h/30(h600mm时)2.荷载偏心距e0 e0=M/N 3.初始偏心距ei ei=e0+ea,20,4.弯矩增大系数 无论是大偏
9、心受压和小偏心受压,弯矩的增加都将使受压承载力降低,故偏心受压构件考虑纵向弯曲影响的方法是:将构件两端截面按结构分析确定的对同一主轴的弯矩设计值M2(绝对值较大端弯矩)乘以不小于1.0的增大系数。在设计计算中,取M=Cmns M2,21,规范规定,弯矩作用平面内截面对称的偏心受压构件,当同一主轴方向的杆端弯矩比M1/M2不大于0.9 且设计轴压比(N/fcA)不大于0.9 时,若构件的长细比l0/i 满足 可不考虑该方向构件自身挠曲产生的附加弯矩影响;否则应按截面的两个主轴方向分别考虑轴向压力在挠曲杆件中产生的附加弯矩影响。,22,除排架结构柱外,其他偏心受压构件考虑轴向压力在挠曲杆件中产生的
10、二阶效应后控制截面弯矩设计值M,应按下列公式计算:M=Cmns M2 其中 Cm=0.7+0.3M1/M2,式中:M 1、M2 分别为己考虑侧移影响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M2,绝对值较小端为M 1,当构件按单曲率弯曲时,M1/M2 取正值,否则取负值,c _截面曲率修正系数,c=0.5fcA/N,A为构件截面面积,当计算值大于1.0时取1.0,23,5.3 矩形截面偏心受压构件受压承载力计算,以上二式为基本计算公式,5.3.1基本计算公式,24,式中 e_轴向压力作用点至受拉钢筋合力点 的距离,_混凝土相对受压区高度,=x/h0;s
11、_离轴向压力较远一侧的受拉边或受压较小边的纵向钢筋应力:当b时为大偏心受压,取s=fy;当b时为小偏心受压,取,25,5.3.2 垂直于弯矩作用平面的受压承载力验算,该方向处于轴心受压状态,但由于支承条件及长细比与受弯矩作用平面不同,故应验算该方向的受压承载力。验算按轴心受压公式进行,考虑稳定系数值、采用全部纵向受力钢筋面积代入公式;小偏心受压必须验算,对于l0/h0 24时的大偏心受压构件可不验算。,26,5.3.3 基本计算公式的应用,基本计算公式可解决两方面的问题:一是截面设计,即己知内力设计值N和M、己知截面尺寸、构件长细比、材料强度,求配筋面积的问题;二是截面承载力校核,即己知截面配
12、筋、求受压承载力的问题。,27,截面设计1)非对称配筋,28,1)大偏心受压(ei 0.3h0)As及As均未知 此时有三个未知数:、As、As,与双筋矩形受弯构件相仿,取=b 由式(5-3b)先求出As 再由式(5-3a)求出As 验算配筋率,当计算值低于按最小配筋率计算的数值时,应按最小配筋率配筋,29,己知As求As 此时只有两个未知数:、As,利用计算公式(5-3a)、(5-3b)可得唯一解。先由(5-3b)解出 再判断是否满足要求:b 不满足时,应调整As 2as,/h0 不满足时,与双筋矩形梁的作法类似,对As的合力中心取矩,由 N e fy As(h0-as)(5-5)求得As,
13、其中 e=ei+as-0.5h,30,2)小偏心受压(ei 0.3h0)As及As均未知 此时有三个未知数:、As、As,分析小偏心受压破坏时的受力状态,离纵向力较远一侧的As总不屈服,即其强度未充分利用,故可取 As=minbh=0.2%bh 则由式(5-3a)和(5-3b)可联立解出,求得As 具体解可参见教材 己知As 求 As 此时应验算As 是否满足minbh的要求,满足后同样用式(5.6)求出,再求得As,31,当 N fcbh 时,在小偏心受压时,由于轴力很大、偏心距很小,将出现“形心线”反号的情形(如图),此时As可能受压屈服。为保证这种情形下的受压承载力,则应保证As足够。此
14、时,取ei=eo-ea,假定全截面混凝土均匀受压,则利用平衡条件,可得,32,式中 e_轴向压力作用点至受压钢筋As的合力作用点之间的距离,此时。轴向压力作用点靠近截面重心,,h0_受压钢筋As的合力作用点至截面远侧边缘的距离,h0=h-as,33,(2)对称配筋 对称配筋是非对称配筋的特殊情形,即有 As=As,as=as,;且一般有fy=fy,则,由公式(5.3a),大偏心受压时将变为 N 1fcbh0(5.9)而公式(5.3b)保持不变,则在截面设计时,可用上式判断偏心受压类型而不必用偏心距的大小去判断。此时 N b=b1fcbh0 在大偏心受压时 在小偏心受压时 N Nb N Nb,3
15、4,1)大偏心受压(N Nb)先计算 Nb,进行判断;,判断为大偏压后,由式(5.9)求得 验算2as,/h0 当满足时,由式(5.3)求得 As,As=As,并满足最小配筋的要求 当不满足时,由式(5.5)求得As=As 并满足最小配筋的要求,35,2)小偏心受压(N Nb)对称配筋小偏心受压时,虽有As=As,as=as,但由于As不屈服,式(5.3a)不能象大偏心受压那样简化。将式(5.4)代入(5.3a)有,式(5.3b)可写成,显然,这是一组迭代公式。,36,规范在分析和(1-0.5)的变化范围的基础上,先取(1-0.5)=0.43代入式求得fyAs,再将此fyAs,值代入,求得作为
16、计算结果,称为两步法求。即,将上二式合并,就是规范公式,37,计算举例,例5-1某矩形截面钢筋混凝土框架柱,bh=400mm60Omm,承受轴向压力设计值N=l0OOkN,弯矩设计值M2=M1=45OkN.m,柱的计算长度l0=7.2m。该柱采用HRB400级钢筋(fy=fy=360N/mm2,b=0.517),混凝土强度等级为C25(fc=11.9N/mm2,ft=1.27N/mm2),若采用非对称配筋,试求纵向钢筋截面面积并绘截面配筋图(取as=as=4Omm)。,38,解(1)求附加偏心距ea h=600mm,故ea=20mm(2)求弯矩增大系数及弯矩设计值M M=Cmns M2(3)大
17、小偏心受压的判断(4)求受压钢筋截面面积(5)求受拉钢筋截面面积(6)钢筋选择及截面配筋,39,例5-2条件同例5-1,但己选定受压钢筋为325(As=1473mm2),试 求受拉钢筋截面面积As,并绘配筋图。解 步骤(1)(3)同例5-1,此时只有两个未知数,直接利用式(5-2)、(5-3)求解。(4)求,=1-,=0.143,=1-,=0.44,40,由式(5.2a),取s=fy,有,=1953mm2 选522(As=19Olmm2),配筋如图5.15,箍筋按构造规定选用。,As=,=,41,例5-2条件同例5-1,但己选定受压钢筋为325(As=1473mm2),试求受拉钢筋截面面积As
18、,并绘配筋图。解 步骤(1)(3)同例5-1,此时只有两个未知数,直接利用式(5-2)、(5-3)求解。(4)求,=1-,(5)求受拉钢筋截面面积As,42,例5-3在例5-2中,若选定的受压钢筋为532(As=4021mm2,fy=300N/mm2),试求As。解 步骤(1)(3)同例5-1,由于受压钢筋较粗,取as=45mm。(4)求受压区相对高度 结果表示:由于受压钢筋配置过多、受压钢筋不会屈服(5)求As,43,例5.4某截面尺寸bxh=40Ommx5OOmm的钢筋混凝土柱,l0=7.5m,承受轴向压力设计值N=2500kN,弯矩设计值M=l67.5kN.m,混凝土强度等级C30(fc
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