第六讲--纵向受力构件分解.ppt

4纵向受力构件 建筑工程中 纵向受力构件是最重要且常见的受力构件 下面以表格形式介绍其类型 及变形特点 纵向受力构件类型 注 e0为偏心距 本章内容 1纵向受力构件的内力2钢筋混凝土受压构件3钢柱 1纵向受力构件的内力 当构件受到轴心压力时 其变形放大如右图 a 中 l b所示 根据平衡概念可知任意截面m m的内力N F 如右图 b 所示 我们只介绍轴压和偏压的内力 轴拉和偏拉类同 1 1轴心受压的变形及内力 如果考虑构件自重 则任意截面的内力 轴力 为外力F加上截面以上构件的自重 即为 N x F Fw x 其受力分析及内力图如右图所示 注 轴向拉 压 杆的内力称为轴力 实际工程中大部分的纵向受力构件为偏心受力构件 主要是偏心受压构件 例如厂房中的排架柱 框架柱 承受非节点荷载的屋架上弦杆等 1 2偏心受压构件 偏心受力构件是轴向变形和弯曲变形的组合变形构件 它同时承受轴力和弯矩 把偏压F等效为轴压F 和受弯M时 F F M F e0内力计算时应将其组合变形分解为基本变形 单独计算在轴向荷载 弯矩作用下的各截面的轴向内力 弯矩 并分别绘制相应的轴力图 弯矩图 即得构件的内力图 例1 已知某柱 梁传给柱顶的竖向荷载为F1 柱顶承受弯矩为M 承受水平荷载为F 该柱的自重为FW 求该柱的内力并绘出内力图 解 1 将组合变形分解为基本变形该柱为组合变形柱 同时承受竖向荷载F1及FW 弯矩M及水平荷载F 将其分解为三个基本变形 如下页图 c d e 2 绘制内力图柱顶轴力为F1 柱底轴力为F1 FW 其两点连线即为该柱轴力图 即N图 柱两端弯矩均为M 左侧受拉 取正 其两点连线即为弯矩图 即M图 柱两端剪力均为V F 使脱离体顺时针转动 取正 其两点连线即为剪力图 即V图 2 钢筋混凝土受压构件 钢筋混凝土受压构件在工业及民用建筑中应用十分广泛 首先介绍轴压柱的常见类型 尺寸 一般构造要求及承载力计算 普通箍筋柱 破坏时 混凝土处于单向受压状态 常用截面形式为矩形或正方形 螺旋箍筋柱 破坏时 混凝土处于三向受压状态 螺旋箍筋也称间接钢筋 螺旋箍筋柱常用的截面形式为圆形或多边形 2 1常见类型 普通箍筋柱 箍筋为构造钢筋 螺旋箍筋柱 箍筋为受力钢筋 矩形截面尺寸不宜小于250mm 250mm 为了避免柱长细比过大 承载力降低过多 常取l0 b 30 l0 h 25 b h分别表示截面的短边和长边 l0表示柱子的计算长度 它与柱子两端的约束能力大小有关 2 2截面尺寸 混凝土宜采用C20或更高强度等级 钢筋宜用HRB335 HRB400或RRB400级 柱中纵向受力钢筋直径不宜小于12mm 全部纵向钢筋的配筋率不宜大于5 柱中纵向钢筋的净距不应小于50mm 且不宜大于300mm 圆柱中纵向钢筋不宜少于8根 不应小于6根 且宜延周边均匀布置 箍筋直径不应小于d 4 且不应小于6mm d为纵向钢筋的最大直径 箍筋间距不应大于400mm 及构件截面的短边尺寸 且不应大于15d d为纵向钢筋的最小直径 2 3一般构造要求 根据长细比的不同 可将轴心受压柱分为长柱和短柱 其破坏形态也不同 注 长细比为柱子的计算长度l0与截面宽度b 直径d 之比 L0 b 8或l0 d 7时为短柱 否则为长柱 2 4钢筋混凝土轴心受压构件承载力计算 2 4 1钢筋混凝土轴心受压柱的破坏特征 下图为短柱轴压破坏的应力 荷载曲线示意图和破坏示意图 为避免混凝土被压碎时钢筋未屈服 普通箍筋柱中不应使用高强钢筋作为受力钢筋 应力 荷载曲线示意图 短柱破坏示意图 长柱的破坏形式有两种 长细比较大时 破坏是由于压缩变形和弯曲变形过大 导致材料强度不足而破坏 属于材料破坏 长细比很大时 主要是纵向弯曲过大 而导致材料未达到设计强度之前而失稳破坏 长柱的破坏荷载低于其他条件相同的短柱破坏荷载 长细比越大 承载能力降低越多 长柱的破坏示意图 钢筋混凝土轴心受压柱正截面承载力计算公式为 N Nu 0 9 fcA fy As 上式的适用条件为0 6 As A 3 当 3 时 公式中的A用A As 代替 max不能超过5 上式中的 按下表取值 2 4 2钢筋混凝土轴心受压柱正截面承载力计算公式及适用条件 钢筋混凝土轴心受压构件稳定系数 1 截面设计已知轴向压力设计值N 材料强度设计值fy 及fc 构件的计算长度l0 截面尺寸b h 求纵向受压钢筋的截面面积As 计算步骤如下 第一步 求稳定系数 由l0 b或l0 d查稳定系数表 第二步 求As 假设 3 得 公式的应用 第三步 验算适用条件若0 6 As A 3 此时As 就是所需的截面面积 若计算结果为3 As A 5 时 则按下式重新计算As 第四步 选配钢筋 例2 某轴心受压柱截面尺寸b h 350mm 350mm 计算长度l0 7000mm 混凝土强度等级为C20 fc 9 6N mm2 钢筋为HRB335级 fy 300N mm2 若该柱承受轴向压力设计值N 1500kN 求所需纵向受压钢筋的截面面积 解 1 求轴心受压构件稳定系数 由l0 b 7000 350 20 8 查表得 0 75 2 求As As 3487mm2 3 验算适用条件 As A 2 8 0 6 并且小于3 与假设一致 选用4 25 4 22 As 3484mm2 误差小于5 可以 配筋如图所示 2 截面复核已知截面尺寸b h 纵向受压钢筋的截面面积As 钢筋和混凝土的强度等级 柱子的计算高度l0 作用在柱子上的轴向压力设计值N 试验算柱子正截面承载力是否满足要求 第一步 计算柱子承受的最大轴向压力设计值Nu若 As bh 0 6 并且 3 Nu 0 9 fcA fy As 若 As bh 3 而 5 Nu 0 9 fc A As fy As 第二步 判断承载力是否满足要求若N Nu 柱子正截面承载力满足要求 否则 柱子正截面承载力不满足要求 偏心受压构件破坏类型 2 5钢筋混凝土偏心受压构件 随着偏心距的增大 受压区高度越来越小 受拉区高度越来越大 从受压区先破坏到受拉区钢筋先破坏 它们之间一定存在这样一种破坏 拉区钢筋刚达到屈服强度的同时 压区钢筋和混凝土也破坏 这种破坏叫界限破坏 它相当于适筋的双筋梁 所以界限破坏时 界限相对受压区高度同受弯构件同界限相对受压区高度 b意义完全相同 即当 b时为大偏心受压 当 b时为小偏心受压 2 5 1大 小偏压的界限 1 对于大偏心受压 拉区纵向钢筋先达到屈服强度后 还可以继续加荷 直到压区混凝土压碎 所以也叫受拉破坏 这种破坏具有明显预兆 属于延性破坏 这种构件抗震性能较好 宜优先采用 2 对于小偏心受压 靠近纵向力作用一侧截面受压大 该侧受压钢筋和受压混凝土先压碎 另一侧钢筋可能受拉也可能受压 但应力很小 所以也叫受压破坏 这种破坏无明显预兆 属于脆性破坏 这种构件抗震性能很差 设计时要避免 2 5 1结论 3钢柱 柱常见的截面形式如表8所示 格构柱是由各个单肢 型钢或钢管 通过缀材以角焊缝形式相连 格构柱按缀材材料分为缀条 缀材主要单边角钢 柱 图15 a b 及缀板柱 图15 c 按柱肢数量分为双肢柱 三肢柱 四肢柱 见表4 8中格构柱 图15为双肢格构柱 截面有两个主轴 一根主轴横穿缀材 称为虚轴 另一根主轴横穿两个肢 称为实轴 3 1截面形式 表8钢柱截面形式 图15格构柱的组成 a 无横杆的缀条柱 b 有横杆的缀条柱 c 缀板柱 对于细长轴压柱 随着轴向压力的增加 远在钢材未达到屈服强度之前就因构件屈曲而破坏 这种破坏叫整体失稳 它是轴心受压构件的主要破坏形式 若整体稳定不满足要求时 应采取以下措施 1 增加截面面积 2 在相同用量的前提下 选用合理的截面形式 尽量采用宽肢薄壁的截面来提高整体稳定系数 3 2轴心受压构件的稳定性 3 2 1整体稳定性 3 尽量减少构件的计算长度 增加侧向支承点 提高结构的刚度 以达到提高整体稳定性的作用 4 当柱子很高时 最有效措施是采用格构柱 为了提高实腹式轴心受压构件的整体稳定性 设计时往往采用宽肢薄壁截面 以提高截面的回转半径 但板件太薄 会导致板件在丧失强度之前和丧失整体稳定之前而产生凹凸鼓屈变形 这种现象称为局部失稳 对于型钢柱 由于壁厚 局部稳定一般满足 钢结构规范 通过限制轴心受压实腹柱翼缘宽厚比及腹板高厚比来防止局部失稳 见表9 3 2 2实腹式组合