建筑结构设计原理(李章政)06章混凝土受压构件.pptVIP

建筑结构设计原理 李章李章政政 博士博士 教授教授 Date1 第6章 混凝土受压构件 6.1 6.1 混凝土受压构件及其构造要求混凝土受压构件及其构造要求 6.2 6.2 混凝土轴心受压构件正截面承载力计算混凝土轴心受压构件正截面承载力计算 6.3 6.3 混凝土偏心受压构件正截面承载力计算混凝土偏心受压构件正截面承载力计算 6.4 6.4 混凝土偏心受压构件斜截面承载力计算混凝土偏心受压构件斜截面承载力计算 6.5 6.5 混凝土偏心受压构件裂缝宽度验算混凝土偏心受压构件裂缝宽度验算 Date2 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 6.1 混凝土受压构件 及其构造要求 受压构件分类 v轴心受压构件 v偏心受压构件 单向偏心受压 双向偏心受压 6.1.1 混凝土受压构件 Date3 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 受压构件应用实例 v轴心受压 屋架受压腹杆、上弦杆 等跨柱网房屋的内柱 v偏心受压 框架柱 排架柱 Date4 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 材料选择 v混凝土 材料强度等级尽可能高 C25以上，至C50 或更高 v钢筋 f y 400N/mm2，不宜选高强度钢筋作为压筋 不得采用冷拉钢筋作压筋 常用：HRB335, HRB400 6.1.2 受压构件的材料和截面 Date5 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 构件截面 v常用截面 轴心受压正方形为主 偏心受压矩形为主 预制柱可采用 I 形截面 异形柱采用较少（有应用） v尺寸要求 最小边长300mm；800mm以下取50mm为模 数，800mm以上取100mm为模数 满足条件 Date6 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 纵向受力钢筋 v轴心受压纵向受力钢筋的作用 协助混凝土受压，减小构件截面尺寸 承受可能的弯矩，及收缩、温变拉应力 防止脆性破坏 v纵筋构造要求 直径d 12mm，常用12 32 mm 矩形截面纵筋不少于 4 根，圆柱不宜少于8 根，不应少于6 根。 6.1.3 受压构件配筋构造 Date7 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 钢筋净距不应小于50mm，不宜大于300mm 偏压h600mm时，设置 1016mm的构造钢筋， 间距不超过300mm。 配筋率 最小配筋率：全纵筋0.6% 一侧纵筋0.2% 最大配筋率：全部纵筋不超过5% 受压钢筋配筋率一般不超过3% Date8 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v偏心受压纵筋配置方式 对称配筋 构造简单 施工方便 不易出错 用钢量大 非对称配筋 构造复杂 容易出错 用钢量小 对称配筋广为流行对称配筋广为流行 Date9 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 受压构件箍筋 v箍筋的作用 保证纵筋的正确位置 防止纵向钢筋压曲 v基本构造要求 封闭形式。直径纵筋最大直径/4，且 6mm 间距s400mm，且b、 15倍纵筋最小直径 全部纵筋配筋率超过3%时 箍筋直径不应小于8mm 间距不应大于10倍纵筋最小直径、且不应大于 200mm。 Date10 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 设置复合箍筋 （1）b400mm，各边受力钢筋3 根 （2）b400mm，各边受力钢筋4 根 防止中间钢筋压屈 纵向有构造钢筋，可设复合箍筋或拉筋 Date11 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 Date12 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v复杂截面箍筋 采用复合箍筋 内折角不可采用 箍筋合力向外 砼保护层崩裂 Date13 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v纵筋搭接长度范围内的箍筋 直径不小于搭接钢筋最大直径的0.25倍 纵筋受拉时，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 纵筋受压时，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 当受压钢筋直径d 25mm时，尚应在搭接 接头两个端面外100mm范围内各设置两 个箍筋。 Date14 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 6.2 混凝土轴心受压构件 正截面承载力计算 混凝土轴心受压构件分类 v箍筋配置方式 普通箍筋柱 螺旋箍筋柱 焊接环筋柱 6.2.1 轴心受压构件的破坏特征 螺旋箍筋和 焊接环筋称 为间接钢筋 Date15 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v按长细比分类 构件长细比 构件分类构件分类 短柱短柱 长柱长柱 对于矩形截面对于矩形截面 Date16 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 轴心受压构件的破坏特征 v短柱破坏 应变分布 可能存在的初偏心对承载力无明显影响 钢筋和混凝土之间压应变相等 钢筋受力 钢筋可能屈服，可能不屈服 破坏的控制 短柱四周出现明显的纵向裂缝 纵筋屈曲 混凝土压碎 Date17 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v长柱破坏 不能忽略的影响 荷载初始偏心产生附加弯矩 附加弯矩产生水平挠度加大偏心 破坏特点 在轴力和弯矩共同作用下发生破坏 破坏荷载低于同条件下短柱的 破坏荷载 稳定系数考虑此影响（表6-1） 近似计 算公式 Date18 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 基本公式 v抗压组成 混凝土抗压 纵筋抗压 v承载力公式 考虑稳定系数 考虑与偏压柱的可靠性衔接 配筋率配筋率大于大于3%3% 时，取净面积。时，取净面积。 6.2.2 普通箍筋柱正截面 承载力计算 Date19 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 计算方法（公式应用） v截面设计 已知：构件截面，轴向力设计值 计算长度，材料强度等级 计算：纵筋面积 v承载力复核 全部条件已知 先验算配筋率 后确定稳定系数 最后验算不等式是否成立 Date20 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v例题6-1 某柱计算长度5 m，截面300mm300mm， HRB335级纵向钢筋， C30混凝土，承受 轴心压力设计值为N=1400 kN。试选配纵 向受力钢筋。 v解 Date21 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 取取 mm2 选配选配 425As = 1 964 mm2 配筋率配筋率 300 Date22 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v例题6-2 某混凝土柱，计算长度4.5m，截面尺寸 400mm400mm，C35混凝土，纵向配筋 8 22（As=3041 mm2）。承受轴心压力 设计值 N=3000 kN，试验算承载力。 v解 先先验算配筋率验算配筋率 满足要求（配筋合理）满足要求（配筋合理） Date23 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 承载力验算承载力验算 kN N = 3000 kN承载力满足要求！承载力满足要求！ N 查表6-1（插值法） Date24 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 试验现象 v压力较低时螺旋箍筋受力不明显 v压力到纵筋屈服时 混凝土纵向裂缝发展 砼横向变形对箍筋径 向形成压力，约束砼 压应变超过极限压应变 外表混凝土剥落 内核混凝土三向受力 6.2.3 螺旋箍筋柱正截面承载力 Date25 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 截面承载力 v试验研究成果 约束混凝土轴心抗压强度 螺旋箍脱离体平衡螺旋箍脱离体平衡 轴心抗压强度轴心抗压强度 Date26 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 极限承载力 间接钢筋换算面积间接钢筋换算面积 Date27 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v承载力规范公式 考虑高强度混凝土受间接钢筋约束程度的 降低 考虑与偏心受压构件保持一致的可靠度 当当 C50C50， =1.0=1.0 当当= =C80C80， =0.85=0.85 其间按线性内插其间按线性内插 法确定法确定 Date28 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v公式应用的注意点 为了防止混凝土保护层过早剥落，上式算出 的承载力不应超过同样材料和截面的普通箍 筋受压柱的1.5倍 长细比较大时，间接钢筋因受偏心影响难以 发挥其提高核芯混凝土抗压强度的作用，故 规定只在 l0/d12的轴心受压构件中采用 当外围混凝土较厚时，或当间接钢筋的换算 面积Asso 小于全部纵筋面积的25%时，不考 虑间接钢筋的影响，直接按普通箍筋柱的公 式计算。 Date29 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 构造要求 v截面形式 圆形 正多边形（如正八边形） v钢筋构造 螺距（环形箍筋的间距）s不应大于80mm 及dcor/5，同时不应小于40mm 纵向钢筋不宜少于8 根，并沿截面周边均 匀布置 按构造要求选定纵筋，由公式和 构造确定箍筋间距 或先确定箍筋，后计算确定纵筋 Date30 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v例题6-3 C30混凝土圆形截面柱直径450mm，计算长 度4.5m，承受轴心压力设计值N=2970kN。 纵筋采用HRB400，箍筋采用HPB235。试 分别普通箍筋柱和螺旋箍筋柱进行配筋。 v解： 1. 按普通箍筋柱配筋 Date31 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 mm2 纵筋可配： 922 mm2 箍筋采用：6300间距纵筋公称直径22mm 螺旋箍筋采用8mm2 Date33 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 间接钢筋换算面积 mm2 mm2 mm2 mm Date34 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 螺旋箍筋间距 mm 取 s=50 mm s=50 mm40mm s=50 mm b ，小偏心受压破坏（脆性破坏） Date40 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 6.3.2 长柱纵向弯曲的影响 初始偏心和柱的长细比分类 v初始偏心距 荷载偏心距： e0 = M/N 附加偏心距：荷载作用位置的不定性 混凝土质量的不均匀性 施工偏差 ea = max(20, h/30) mm 初始偏心距：ei = e0 + ea Date41 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 柱按长细比分类 长细比和l0/h一一对应，故柱可按l0/h分类 v短柱（l0/h5） 纵向弯曲变形小 破坏属于“材料破坏” v长柱（ 530） 失稳破坏，性质不同于长柱与短柱 Date42 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 长柱的压弯效应 v二阶弯矩 初始偏心距 ei 引起挠曲 挠曲引起弯矩Naf 弯矩又引起挠曲 v处理方法 偏心增大系数法处理 偏心距增大系数 Date43 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 两端铰支构件挠曲线近似为正弦曲线 小变形条件下挠曲线曲率 和曲线 坐标 y 的关系为 所以 Date44 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 曲率和应变之间的关系 h0 c s 界限破坏时，混凝土受压区边缘 压应变c=1.25cu=1.250.0033 考虑柱在长期荷载作用下，混凝 土徐变引起的应变增大系数 界限破坏时，钢筋拉应变s =y=fy /Es0.0017 Date45 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 破坏时最大曲率在柱中点（y=af） 小偏心受压构件，破坏时的曲率小于界限破 坏曲率，引进曲率修正系数1 11.0时，取1=1.0 Date46 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 极限曲率随构件长细比的增大而减小，引进长细 比对截面曲率的影响系数2 l0/h1.01.0时，取时，取 1 1 =1.0=1.0 l l 0 0 / /h h30：专 门方法确定 Date48 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 基本假定 v平截面假定 v不考虑混凝土的受拉作用 v压区混凝土采用 等效矩形应力图 6.3.3 对称配筋矩形截面偏心受 压构件正截面承载力计算 Date49 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 大偏心受压 v基本公式 几何尺寸方面 Date50 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 平衡条件 对称配筋（取等号）对称配筋（取等号） Date51 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v适用条件 保证构件破坏时，拉筋应力达到抗拉强度设 计值 保证构件破坏时，压筋应力达到抗压强度设保证构件破坏时，压筋应力达到抗压强度设 计值计值 若不若不满足此条件，表示压筋应力达满足此条件，表示压筋应力达 不到抗压强度设计值。不到抗压强度设计值。 可取可取x x=2=2a a s s ，对压筋合力中心取矩对压筋合力中心取矩 对称配筋对称配筋 Date52 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 小偏心受压 v基本公式 v配筋计算 计算相对受压区高度（近似）计算相对受压区高度（近似） Date53 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 对称配筋截面设计 v配筋计算步骤 计算初始偏心距 计算偏心距增大系数 判断偏心受压类型（计算x） 计算钢筋面积并验算配筋率 v弯矩平面外按轴心受压验算 计算受压区高度计算受压区高度 配筋计算（对称配筋）配筋计算（对称配筋） Date54 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 2=1.15-0.01l0/h1.0 Date55 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v例题6-4 偏压柱l0=3000mm，bh=300mm400mm， C20混凝土、HRB335级钢筋。内力设计值 N=260kN，M=150kN.m。对称配筋，取 as=as=40mm，试配纵筋。 v解 初始偏心距初始偏心距e e i i mmm mm mm Date56 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 偏心距增大系数偏心距增大系数 5 5 长柱长柱 取取 1 1 =1.0=1.0 取取 2 2 =1.0=1.0 h0=h-as = 400-40 = 360 mm Date57 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 判断偏压类型判断偏压类型 mm mm大偏心受压大偏心受压 配筋计算配筋计算 mm mm Date58 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 mm2 验算配筋率验算配筋率 一侧纵筋一侧纵筋 全部纵筋全部纵筋 满足要求满足要求 垂直于弯矩作用平面按轴心受压验算承载力垂直于弯矩作用平面按轴心受压验算承载力 Date59 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 N kN N =260 kN 配筋结果配筋结果 每侧配置每侧配置 420 mm2 Date60 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v例题6-5 偏压柱l0=7.2m，bh=400mm600mm， C25混凝土、HRB335级钢筋。内力设计 值N=1000kN，M=440kN.m。对称配筋， 取as=as=40mm，试配纵筋。 v解 初始偏心距初始偏心距e e i i mm mm mm Date61 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 偏心距增大系数偏心距增大系数 5 5 长柱长柱 取取 1 1 =1.0=1.0 取取 2 2 =1.0=1.0 h0=600-40=560mm Date62 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 判断偏压类型判断偏压类型 mm mm大偏心受压大偏心受压 配筋计算配筋计算 mm mm Date63 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 mm2 验算配筋率验算配筋率 一侧纵筋一侧纵筋 全部纵筋全部纵筋 满足要求满足要求 垂直于弯矩作用平面按轴心受压验算承载力垂直于弯矩作用平面按轴心受压验算承载力 Date64 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 N kN N =1000 kN 配筋结果配筋结果 每侧配置每侧配置 225 mm2 +322 查表6-1 Date65 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v例题6-6 偏压柱l0=7.5m，bh=400mm500mm， C30混凝土、HRB400级钢筋。内力设计 值N=2500kN，M=167.5kN.m。对称配筋 ，取as=as=40mm，试配纵筋。 v解 初始偏心距初始偏心距e e i i mm mm mm Date66 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 偏心距增大系数偏心距增大系数 5 5 长柱长柱 2 2 =1.0=1.0 h0=500-40=460mm Date67 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 判断偏压类型判断偏压类型 mm mm小偏心受压小偏心受压 配筋计算配筋计算 mm Date68 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 mm mm2 验算配筋率验算配筋率 一侧纵筋一侧纵筋 Date69 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 全部纵筋全部纵筋 满足要求满足要求 垂直于弯矩作用平面垂直于弯矩作用平面 按轴心受压验算承载力按轴心受压验算承载力 HRB400级钢筋，全 部纵筋配筋率不少于 0.5%。见附表10注1 Date70 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 N kN N =2500 kN 配筋结果配筋结果 每侧配置每侧配置 mm2 425 Date71 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 对称配筋承载力验算（复核） v已知轴向力N、求偏心受压柱所能承 担的弯矩M 确定长柱修正系数 1和 2 计算受压区高度x（判断偏心受压类型） bh0，大偏心受压 bh0，小偏心受压 按小偏心受压的 公式重新求解x Date72 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 计算初始偏心距 2asx bh0时的大偏心受压和小偏心受压情形 短柱 长柱 Date73 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 x0.3h0，可能小偏心受压、也可能大 偏心受压 通常按大偏心受压计算 计算过程中，如不符合大偏心受压条件， 则转为按小偏心受压计算 Date80 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 大偏心受压截面设计 v求As和As 取 x=bh0 由力矩平衡条件解得 若Asbh0 时，（1）说明所假定的压筋面积过少， 应按全部钢筋未知，计算纵筋；（2）若设定压筋 并不少，则应按小偏心受压计算。 Date82 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 小偏心受压截面设计 小偏心受压构件，远侧钢筋AS一般不屈服，取 由基本方程消去AS项： 远侧钢筋应力： 联立求解x和s s若不在-fy, fy范围内， 应取边界值，并据此重新 确定x 近侧钢筋面积： Date83 建筑结构设计原理建筑结构设计原理 v例题6-8 矩形截面柱bh=300mm500mm，计算长度 l0=4800mm，轴向压力设计值N=300kN，弯 矩设计值M=180kN.m。混凝土强