混凝土结构：2-1轴心受压柱设计.ppt

项目二钢筋混凝土柱设计 任务一 轴心受压柱的设计 柱是以承受轴向压力为主的受压构件 在建筑结构中 柱支承水平结构构成空间 并逐层传递上部结构荷载至基础 柱在水工混凝土结构中应用非常广泛 如水闸工作桥立柱 渡槽的支承刚架立柱 水电站厂房立柱等 另外 闸墩 桥墩等也都属于柱 根据轴向压力作用位置不同 受压柱可以分为轴心受压柱和偏心受压柱两种类型 1 当轴向压力通过柱截面重心时 称为轴心受压柱 当轴向压力与柱截面重心有一个偏心矩e0时 称为偏心受压柱 2 当柱截面上同时作用有通过截面重心的轴向压力N和弯矩M时 因为轴向压力N和弯矩M可以换算成具有偏心矩e0 M N的偏心轴向压力 所以也称为偏心受压柱 如图3 3所示 实际工程中 真正的轴心受压柱是不存在的 因为实际的荷载合力对构件截面重心来说总是或多或少存在着偏心 例如 混凝土浇注不均匀 构件尺寸的施工误差 钢筋的不对称布置 装配式构件安装定位的不准确 都会导致轴向力产生偏心 当偏心矩小到在设计中可忽略不计时 如等跨柱网的内柱 只承受节点荷载的桁架压杆 码头中的桩等结构 则可近似按轴心受压柱计算 钢筋混凝土柱的构造 一 截面形式和尺寸 三 纵向钢筋 二 混凝土 四 箍筋 一 截面形式和尺寸 1 截面形式 1 轴心受压构件一般采用方形或圆形截面 2 偏心受压构件常采用矩形截面 截面长边布置在弯矩作用方向 长边与短边的比值一般为1 5 2 5 偏心受压构件可采用工字形 T形等形状的截面 柱截面尺寸与长度相比不宜太小 水工建筑中 现浇立柱的边长不宜小于300mm 否则施工缺陷所引起的影响就较为严重 水平浇筑的装配式柱则不受此限制 为了施工支模方便 截面尺寸一般采用整数 柱截面边长在800mm及以下时 以50mm为模数递增 800mm以上时 以100mm为模数递增 二 混凝土 柱的受压承载力主要取决于混凝土的强度 采用强度等级较高的混凝土 可减小构件截面尺寸并节省钢材 比较经济 柱常用的混凝土强度等级是C25或更高强度等级的混凝土 若截面尺寸不是由强度条件确定时 如闸墩 也可采用C15混凝土 三 纵向钢筋 1 强度 2 配筋率 3 根数与直径 4 布置与间距 柱内纵向受力钢筋与混凝土共同承担轴向压力和弯矩 柱内配置的纵向受力钢筋常用HRB335级 HRB400级或RRB400级 对受压钢筋来说 不宜采用高强度钢筋 1 强度 受压构件的纵向钢筋 其数量不能过少 否则构件破坏时呈脆性 这对抗震不利 2 配筋率 钢筋混凝土柱基本最小配筋率 min 纵向钢筋也不宜过多 配筋过多既不经济 也不便于施工 柱中全部纵向受力钢筋的经济配筋率在0 8 2 范围内 若荷载较大及截面尺寸受限制时 配筋率可适当提高 但全部纵向钢筋配筋率不宜超过5 纵向钢筋 3 根数与直径 方形和矩形柱中纵向钢筋的根数不得少于4根 每边不得少于2根 圆形柱中纵向钢筋宜沿周边均匀布置 根数不宜少于8根 且不应少于6根 纵向受力钢筋直径d不宜小于12mm 过小则钢筋骨架柔性大 施工不便 工程中通常在12 32mm范围内选择 4 布置与间距 轴心受压柱的纵向受力钢筋应沿周边均匀布置 偏心受压柱的纵向受力钢筋则沿垂直于弯矩作用平面的两个边布置 当偏心受压柱的截面长边h 600mm时 沿平行于弯矩作用平面的两个侧面应设置直径为10 16mm的纵向构造钢筋 其间距不应大于400mm 并相应设置复合箍筋或连系拉筋 轴心受压柱和偏心受压柱中的纵向受力钢筋 其间距 中矩 不应大于300mm 纵向钢筋的净距不应小于50mm 如图3 4所示 水平浇筑的预制柱 纵筋最小静距要求与梁相同 纵向钢筋的混凝土保护层厚度的要求与梁相同 四箍筋 1 作用 级别与形状 2 直径 3 间距 4 复合箍筋 柱中的箍筋 1 保证纵向钢筋的位置正确 2 防止纵向钢筋受压时向外弯凸和混凝土保护层横向胀裂剥落 3 可以抵抗剪力 从而提高柱的承载能力和延性 1 作用 级别与形状 柱的箍筋一般采用HPB235级钢筋 HRB335级钢筋 也可采用HRB400级钢筋 且应做成封闭式 并与纵筋绑扎或焊接形成整体骨架 对于热轧钢筋 箍筋直径不应小于0 25倍纵向钢筋的最大直径 且不应小于6mm 2 直径 箍筋的间距 中距 不应大于构件截面的短边尺寸 且不应大于400mm 同时在绑扎骨架中不宜大于15d 在焊接骨架中不宜大于20d 其中 d为纵向钢筋的最小直径 如图3 4所示 3 间距 1 当柱内纵向钢筋采用绑扎搭接时 搭接长度范围内的箍筋应加密 2 当钢筋受拉时 其箍筋间距s 5d 且s 100mm 当钢筋受压时 箍筋间距s 10d 且s 200mm 3 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 4 当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率超过3 时 箍筋直径d 8mm 间距s 10d d为纵向钢筋的最小直径 且s 200mm 而且应采用焊接封闭式箍筋 4 复合箍筋 当柱截面短边尺寸大于400mm 且各边纵向钢筋多于3根时 当柱截面短边尺寸不大于400mm 但各边纵向钢筋多于4根时 应设置复合箍筋 以防止位于中间的纵向钢筋向外弯凸 复合箍筋布置原则是尽可能使每根纵向钢筋均处于箍筋的转角处 若纵向钢筋根数较多 允许纵向钢筋隔一根位于箍筋的转角处 轴心受压柱的复合箍筋布置如图3 5所示 偏心受压柱的复合箍筋布置如图3 6所示 轴心受压柱的设计 试验分析 一 普通箍筋柱的计算 二 一 试验分析 短柱破坏试验 长柱破坏试验 一 二 轴心受压柱按照箍筋配置方式不同 可分为普通箍筋柱和螺旋箍筋柱 本节仅学习普通箍筋柱 柱承载力计算理论也是建立在试验基础之上 试验表明 构件的长细比对构件承载力影响较大 轴心受压柱的长细比是指柱计算长度l0与截面最小回转半径i或矩形截面的短边尺寸b之比 当l0 i 28或l0 b 8 为短柱 当l0 i 28或l0 b 8 为长柱 一 短柱破坏试验 破坏阶段当轴向加载达到柱子破坏荷载的90 时 柱子出现与荷载方向平行的纵向裂缝 砼保护层剥落 最后 箍筋间的纵向钢筋向外弯凸 砼被压碎而破坏 破坏时 砼的应力达到轴心抗压强度fc 钢筋应力也达到受压屈服强度fy 长柱在轴向压力作用下 不仅发生压缩变形同时还发生纵向弯曲 凸侧由受压 在荷载不大时 全截面受压 但内凹一侧的压应力比外凸一侧的压应力大 随着荷载增加突然变为受拉 出现受拉裂缝 凹侧砼被压碎 纵向钢筋受压向外弯曲 右图 轴心受压长柱的破坏形态 二 长柱破坏试验 试验表明 影响 值的主要因素是柱的长细比 当l0 b 8时 为短柱 可不考虑纵向弯曲的 取 1 0 当l0 b 8时 为长柱 值随l0 b的增大而减小 值与l0 b的关系见下页表3 1 必须指出 采用过分细长的柱子是不合理的 因为柱子越细长 受压后越容易发生纵向弯曲而导致失稳 承载力降低越多 材料强度不能充分利用 因此 对一般建筑物中的柱 常限制长细比l0 b 30及l0 h 25 b为截面短边尺寸 h为长边尺寸 表3 1钢筋混凝土轴心受压柱的稳定系数 注 表中l0 构件计算长度 按表3 2计算 b 矩形截面的短边尺寸 截面最小回转半径 柱的计算长度l0与构件的两端支承情况有关 可由表3 2查得 在实际工程中 支座情况并非理想的固定或不移动铰支座 应根据具体情况具体分析 表3 2构件的计算长度l0 二 普通箍筋柱的计算 一 计算公式 二 截面设计 三 承载力复核 一 计算公式 根据上述受力分析 轴心受压柱正截面受压承载力计算简图如图3 9所示 根据计算简图和内力平衡条件 并满足承载能力极限状态设计表达式的要求 可得轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力计算公式 KN fcA fy As 式中K 承载力安全系数 由表1 7查得 N 轴向压力计算值 钢筋砼轴心受压柱稳定系数 由表3 1查得 fc 混凝土轴心抗压强度设计值 A 构件截面面积 当纵向钢筋配筋率 As A 3 时 式中A应改用混凝土净截面面积 An A As As 全部纵向受压钢筋的截面面积 二 截面设计 柱的截面尺寸可由构造要求或参照同类结构确定 然后根据构件的长细比由表3 1查出 值 再用公式 3 1 计算钢筋截面面积 3 2 计算出钢筋截面面积As 后 应验算配筋率 是否合适 柱子的合适配筋率在0 8 2 范围内 如果 过小或过大 说明截面尺寸选择不当 需要重新选择与计算 截面设计步骤见图3 9b 三 承载力复核 承载力复核时 构件的计算长度 截面尺寸 材料强度 纵向钢筋截面面积均为已知 先检查配筋率是否满足经济配筋率的要求 然后根据构件的长细比由表3 1查出 值 再根据式 3 1 进行复核 若式 3 1 得到满足 则截面承载力足够 反之 截面承载力不够 某2级建筑物中的现浇轴心受压柱 柱底固定 顶部为不移动铰接 柱高l 5 6m 柱底截面承受的轴心压力计算值N 1700kN 采用C20混凝土及HRB335级钢筋 试设计截面并配筋 案例3 1 解 查表得 K 1 25 fc 9 6N mm2 fy 300N mm2 拟定截面尺寸为40