《高等钢筋混凝土理论》第12章：约束混凝土

* 1第 12章 约束混凝土* 2配筋的 两种基本方式 混凝土结构中配设的受力钢筋有两种基本方式。 沿构件的轴力或主应力方向设置 纵向钢筋 ，以保证抗拉承载力或增强抗压承载力，钢筋的应力与轴力方向一致，属直接配筋 (第十一章 )。 如果在轴压力或最大主压应力的垂直方向 (即横向 )配置箍筋，以约束其内部混凝土的横向膨胀变形，从而提高轴向抗压承载力，这种方式称 横向配筋 或间接配筋。 * 3横向配筋的作用 有多种横向配筋的构造：如螺旋 (圆形 )箍筋、矩形箍筋、钢管、焊接网片等。 横向配筋的主要 作用 是约束其内部混凝土的横向变形。此外，混凝土结构承受局部作用的集中力，荷载面积下的混凝土也受到周围混凝土的约束。 约束混凝土 处于三轴受压应力状态，提高了混凝土的强度和变形能力，成为工程中改善受压构件或结构中受压部分的力学性能的重要措施。 * 4螺旋箍筋柱的构造和约束应力 受 压 柱内配 设连续 的螺旋形箍筋或者 单 独的 焊 接 圆 形箍筋，且箍筋沿柱 轴线 的 间 距 较 小 (sp后，箍筋外围的混凝土 (面积为 Ac-Acor)进入应力下降段，开始形成纵向裂缝，并逐渐扩展，发生表层剥落，这部分混凝土的承载力势必降低。 在此同时，核芯混凝土因泊松比增大而向外膨胀，对箍筋施加径向压应力 (2，图 12-1(b)。箍筋对核芯混凝土的反作用应力使其处于三轴受压应力状态 (1= 2)，提高其纵向抗压强度 (3f fc第 6章 )。 所以，核芯混凝土和外围混凝土的总承载力在柱子应变增大后仍能缓缓上升。 * 11三种柱的性能对比 续 继续加大柱子应变 ，核芯混凝土的横向膨胀和箍筋应力不断增大。当箍筋应力达到其屈服强度人时，它对混凝土的约束应力也达到最大值。此时，核芯混凝土的纵向应力尚未达三轴抗压强度 (3 3f )，柱的承载力还能增加。* 12三种柱的性能对比 续 此后，再增大柱子应变，箍筋应力 fyt保持不变，核芯混凝土在定值约束应力下继续横向膨胀，直至纵向应力达到混凝土的三轴抗压强度，或称 约束混凝土抗压强度 (fcc =3f )时，柱子达极限承载力 N2。 此时，柱的纵向应变已经很大，可达 P2=1010-3，外围混凝土即使未全部剥落，所剩压应力也极小了。 * 13三种柱的性能对比 续 最后，核芯混凝土在三轴受压应力状态下发生挤压流动 (第 6章 )，纵向应变加大，柱子明显缩短，横向膨胀使柱子的局部成为鼓形外凸，箍筋外露并被拉断，在 N-曲线上形成下降段。 螺旋箍筋混凝土柱的承载力提高，特别是变形性能的很大改善是其主要受力特点，工程中可加充分利用。 * 14螺旋箍筋柱的极限承载力 从螺旋箍筋柱的受力过程 (N-曲线 )中看到，其极限承载力有两个控制值： 纵筋受压屈服，全截面混凝土达棱柱体抗压强度 fc(N1)。此时混凝土的横向应变尚小，可忽略箍筋的约束作用，建立的计算式同式 (11-13)：式中： Ac为柱的全截面积。* 15螺旋箍筋柱的极限承载力 续 箍筋屈服后，核芯混凝土达三轴抗压强度 fcc (N2) 。此时柱的应变很大，外围混凝土已退出工作，纵向钢筋仍维持屈服强度不变 (图 12-2(b)： 式中： fcc 为约束混凝土抗压强度，也即核芯混凝土的三轴抗压强度 (3f ， 1=2 )。 Acor为核芯混凝土的截面积，取箍筋内皮直径 dcor计算。 * 16横向箍筋的体积率和 配箍特征值 横向箍筋的体积率取为 ： 乘以箍筋和混凝土酌强度比值后，命定约束指标，称配箍特征值 为 ： 式中： Ast为箍筋的截面积； fyt为 箍筋屈服强度； dcor为螺旋箍筋的内皮直径； s为 纵向间距。 * 17核芯混凝土的最大约束压应力 根据图 12-1(b)的平衡条件，当箍筋屈服时，核芯混凝土的最大约束压应力为： 若核芯混凝土的三轴抗压强度按 Richart公式 (图 6-7(a)近似取用，则得：* 18螺旋箍筋柱 的 极限承 载 力 将式 (12-6)代人式 (12-2)，并作变换后可建立： 上式右边的第 2项显然是横向螺旋箍筋对柱子极限承载力的贡献。 t Acor 代表箍筋的折算面积。第 2项中系数 2表明，在同样的钢材体积 (截面积 s)和强度情况下，箍筋比纵筋的承载效率高出一倍。根据试验结果的分析，此系数的实测值为 1.72.9，平均值约为 2.0。 * 19螺旋箍筋约束指标 t的取值范围 螺旋箍筋柱的两个特征承载力的差值 (N2-N1)取决于约束指标 t。若配箍量过少，出现 N2N1的情况，表明箍筋的约束作用不明显，与普通箍筋柱没有差别。故在设计螺旋箍筋柱时，要求 N2 N1，以式 (12-1)和 (12-7)代人后得：* 20螺旋箍筋约束指标 t的取值范围 续 另一方面，若 (N2-N1)差值过大，按 N2设计的柱子在使用荷载作用下，外围混凝土已经接近或超过其应力峰值，可能发生纵向裂缝，甚至剥落，不符合使用要求。设计时一般限制 N2 1.5N1，故 式 (12-9)和 (12-8)给出了螺旋箍筋柱约束指标上下限的理论值。* 21设计规范中对 约束指标 t的规定 在各国的设计规范中，对约束指标 t的具体规定又有所不同，如下限取为： 中国 混凝土结构设计规范 GBJ10-89 ： 美国 ACI 318M-89(1992)：* 22极限承载力 N2公式的适用范围 需要说明，螺旋箍筋提高了柱的极限承载力 N2，只适合于轴心受压的 短柱 (H/d 12， H为柱高， d为柱外径 )。 对于 长柱 ，因压屈失稳而破坏，主要取决于柱的弹性模量或变形。偏心受压柱截面上压应力不均匀分布，甚至为受拉区控制柱的破坏。在这些情况下，箍筋约束混凝土强度的提高于事无大补，式 (12-7)不适用。 * 23矩形箍筋柱 螺旋箍筋不太适合于工程中最常用的矩形截面和矩形组合截面，如 T形、工字形截面，且螺旋箍筋加工成型费事，因而使用范围受到限制。 矩形截面构件内的箍筋大多沿截面周边平行布置，矩形组合截面也采用多个矩形箍筋组成平行于周边的横向筋。故 矩形箍筋 是最普遍的横向筋形式。 * 24柱中箍筋的主要作用 在柱等主要承受轴压力的构件中，箍筋的主要作用有： 箍筋与纵筋构成骨架 (笼 )，保持钢筋的形状和位置。 长期使用阶段，它可承受因混凝土收缩和环境温湿度变化等产生的横向应力，以防止或减小纵向裂缝。 在构件的承载力极限阶段，它减小了纵筋压屈的自由长度，使之充分发挥抗压强度等。 设置较多数量的箍筋，可提高构件的延性，有利于结构的抗震性能。* 25矩形箍筋约束混凝土的受力性能 矩形箍筋约束混凝土的受力性能已有许多试验的和理论的研究，其受压应力 -应变全曲线随主要影响因素 (即约束指标 t)的增大而有很大的变化，由明显的陡峰曲线向平缓、丰满、且在极限强度附近有巨大变形平台的曲线过渡。 典型曲线如下面的图。* 26普通矩形箍筋约束混凝土的受压* 27矩形复合箍筋约束混凝土的受压* 28矩形箍筋的约束指标 矩形箍筋的约束指标同样是： 式中： t为横向箍筋的体积配筋率，即箍筋包围的约束混凝土每单位体积中的