西南科技大学结构力学(6)剖析讲课教案

1、西南科技大学结构力学(6)剖析5.1 概述受压构件分为轴心受压构件和偏心受压构件。轴心受压构件：轴向力作用在构件截面的形心上。偏心受压构件：轴向力不作用在构件截面的形心上（有弯矩和轴力共同作用的构件）。NNN(a)轴心受压 (b)单向偏心受压M 实际工程中真正的轴心受压构件是没有的。由实际工程中真正的轴心受压构件是没有的。由于施工的偏差及混凝土的不均匀性和钢筋的不对称于施工的偏差及混凝土的不均匀性和钢筋的不对称性性,都将使构件产生初始偏心距都将使构件产生初始偏心距,所以即时设计时理所以即时设计时理论计算是轴心受压构件论计算是轴心受压构件, 也不一定为轴心受压构件也不一定为轴心受压构件,但对于一

2、些偏心距较小的构件但对于一些偏心距较小的构件,可按轴心受压构件计可按轴心受压构件计算。算。 受压构件在实际工程中应用比较广泛受压构件在实际工程中应用比较广泛,下面看几张下面看几张图片实例。图片实例。说明说明New Antioch Bridge. This high-level bridge completed in 1979 replaced an older truss-type lift bridge crossing the main shipping channel. The bridge consists of continuous spans of variable depth i

3、n Cor-Ten steel. Maximum span is 460 ft, and maximum height of roadway above water level is 135 ft. (California)Elevated highway. Taken during construction. Designed as concrete box girders, these bridges were cast in place and post-tensioned. (Vienna, Austria)Highway interchange structure. Spans ar

4、e all multi-cell reinforced concrete box girders. Being stiff in torsion, these sections can be supported on a single line of columns, as well as on double columns or bents. (Oakland, California)Elevated highway, San Pablo Bay, California. The 2-story concrete frames supporting the roadway are loade

5、d on the top beam by highway loading, and transversely by inertia forces due to earthquake. (San Francisco Bay Area)混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理6.受压构件受压构件工业和民用建筑中的单层厂房和多层框架柱偏心受压构件偏心受压构件拱和屋架上弦杆，以及水塔、烟囱的筒壁等属于偏心受压构件偏心受压构件受压构件的配筋构造要求 5.2.1 截面形状和尺寸截面形状和尺寸采用矩形截面，单层工业厂房的预制柱常采采用矩形截面，单层工业厂房的预制柱常采用工字形截面。用工字形截面。 桥墩、桩和公共

6、建筑中的柱主要采用圆形截面。桥墩、桩和公共建筑中的柱主要采用圆形截面。 柱的截面尺寸不宜过小，不宜小于柱的截面尺寸不宜过小，不宜小于250*250。一般。一般应控制在应控制在l0/b30及及l0/h25。 当柱截面的边长在当柱截面的边长在800mm以下时，一般以以下时，一般以50mm为模数，边长在为模数，边长在800mm以上时，以以上时，以100mm为模数。为模数。 I形截面，翼缘厚度不宜小于形截面，翼缘厚度不宜小于120mm ，腹板厚度，腹板厚度不宜小于不宜小于100mm。5.2 受压构件构造要求5.2.2 材料强度材料强度 混凝土混凝土：受压构件的承载力主要取决于混凝土受压构件的承载力主要

7、取决于混凝土强度，一般应采用强度等级较高的混凝土。目强度，一般应采用强度等级较高的混凝土。目前我国一般结构中柱的混凝土强度等级常用前我国一般结构中柱的混凝土强度等级常用C30C40，在高层建筑中，在高层建筑中，C50C60级混凝级混凝土也经常使用。土也经常使用。钢筋钢筋：纵向受力钢筋通常采用纵向受力钢筋通常采用HRB400、 RRB400和和HRB500级钢筋。级钢筋。 箍筋通常采用箍筋通常采用HRB335、 HRB400和和HPB300级钢筋。级钢筋。受压构件的配筋构造要求纵向钢筋配筋率过小时，纵筋对柱的承载力影响很小，接近纵向钢筋配筋率过小时，纵筋对柱的承载力影响很小，接近于素混凝土柱，纵

8、筋不能起到防止混凝土受压脆性破坏的缓冲于素混凝土柱，纵筋不能起到防止混凝土受压脆性破坏的缓冲作用。同时考虑到实际结构中存在偶然附加弯矩的作用（垂直作用。同时考虑到实际结构中存在偶然附加弯矩的作用（垂直于弯矩作用平面），以及收缩和温度变化产生的拉应力，对受于弯矩作用平面），以及收缩和温度变化产生的拉应力，对受压构件的最小配筋率应有所限制。压构件的最小配筋率应有所限制。 规范规范规定，轴心受压构件、偏心受压构件全部纵向钢筋规定，轴心受压构件、偏心受压构件全部纵向钢筋的配筋率不应小于的配筋率不应小于附表附表4-5规定；规定；同时一侧受压钢筋的配筋率同时一侧受压钢筋的配筋率不应小于不应小于0.2%，受

9、拉钢筋最小配筋率的要求同受弯构件。受拉钢筋最小配筋率的要求同受弯构件。另一方面，考虑到施工布筋不致过多影响混凝土的浇筑质量，另一方面，考虑到施工布筋不致过多影响混凝土的浇筑质量，全部纵筋配筋率不宜超过全部纵筋配筋率不宜超过5%。全部纵向钢筋的配筋率按全部纵向钢筋的配筋率按r r =(As+As)/A计算，一侧受压钢筋的配筋率按计算，一侧受压钢筋的配筋率按r r =As/A计算，其计算，其中中A为构件全截面面积。为构件全截面面积。5.2.3 纵向钢筋纵向钢筋受压构件的配筋构造要求 柱中纵向受力钢筋的的直径柱中纵向受力钢筋的的直径d不宜小于不宜小于12mm，且选配钢筋时，且选配钢筋时宜根数少而粗，

10、但对矩形截面根数不得少于宜根数少而粗，但对矩形截面根数不得少于4根，圆形截面根数根，圆形截面根数不宜少于不宜少于8根，不应少于根，不应少于6根，且应沿周边均匀布置。根，且应沿周边均匀布置。纵向钢筋的保护层厚度要求见表，且不小于钢筋直径纵向钢筋的保护层厚度要求见表，且不小于钢筋直径d。当柱为竖向浇筑混凝土时，纵筋的净距不小于当柱为竖向浇筑混凝土时，纵筋的净距不小于50mm；对水平浇筑的预制柱，其纵向钢筋的最小应按梁的规定取值。对水平浇筑的预制柱，其纵向钢筋的最小应按梁的规定取值。截面各边纵筋的中距不应大于截面各边纵筋的中距不应大于300mm。当。当h600mm时，在柱时，在柱侧面应设置直径侧面应

11、设置直径1016mm的纵向构造钢筋，并相应设置复合箍的纵向构造钢筋，并相应设置复合箍筋或拉筋。筋或拉筋。受压构件的配筋构造要求350350350400b400b400b600h1000600 h1000600 h15001000 h箍筋复合箍筋复合箍筋拉筋受压构件的配筋构造要求5.2.4箍箍 筋筋受压构件中箍筋应采用封闭式，其直径不应小于受压构件中箍筋应采用封闭式，其直径不应小于d/4，且不，且不小于小于6mm，此处，此处d为纵筋的最大直径。为纵筋的最大直径。箍筋间距不应大于箍筋间距不应大于400mm，也不应大于截面短边尺寸；对绑，也不应大于截面短边尺寸；对绑扎钢筋骨架，箍筋间距不应大于扎钢筋

12、骨架，箍筋间距不应大于15d；对焊接钢筋骨架不应大；对焊接钢筋骨架不应大于于20d，此处，此处d为纵筋的最小直径。为纵筋的最小直径。当柱中全部纵筋的配筋率超过当柱中全部纵筋的配筋率超过3%，箍筋直径不宜小于，箍筋直径不宜小于8mm，且箍筋末端应应作成且箍筋末端应应作成135的弯钩，弯钩末端平直段长度不应的弯钩，弯钩末端平直段长度不应小于小于10箍筋直径，或焊成封闭式；此时，箍筋间距不应大于箍筋直径，或焊成封闭式；此时，箍筋间距不应大于10纵筋最小直径，也不应大于纵筋最小直径，也不应大于200mm。当柱截面短边大于当柱截面短边大于400mm，且各边纵筋配置根数超过多于，且各边纵筋配置根数超过多于

13、3根时，或当柱截面短边未大于根时，或当柱截面短边未大于400mm，但各边纵筋配置根数超，但各边纵筋配置根数超过多于过多于4根时，应设置复合箍筋。根时，应设置复合箍筋。对截面形状复杂的柱，不得采用具有内折角的箍筋，以避免对截面形状复杂的柱，不得采用具有内折角的箍筋，以避免箍筋受拉时使折角处混凝土破损。箍筋受拉时使折角处混凝土破损。第六章 受压构件承载力计算第六章 受压构件承载力计算内折角不应采用内折角不应采用复杂截面的箍筋形式5.3 轴心受压构件的截面承载力计算 Behavior of Axial Compressive Member一、配有纵筋和普通箍筋柱的承载力计算一、配有纵筋和普通箍筋柱的

14、承载力计算 二、配有纵筋和螺旋式二、配有纵筋和螺旋式(或焊接环式或焊接环式)箍筋柱箍筋柱的承载力计算（螺旋箍筋柱）的承载力计算（螺旋箍筋柱）第六章 受压构件承载力计算5.3.1 轴心受压普通箍筋柱的正截面承载力计算轴心受压普通箍筋柱的正截面承载力计算 纵筋作用纵筋作用：纵筋帮助混凝土：纵筋帮助混凝土承受压力，以减小构件的截承受压力，以减小构件的截面尺寸；防止构件突然脆裂面尺寸；防止构件突然脆裂破坏及增强构件的延性；以破坏及增强构件的延性；以及减小混凝土的徐变变形。及减小混凝土的徐变变形。箍筋作用：箍筋作用：箍筋能与纵筋形箍筋能与纵筋形成骨架；防止纵筋受力后外成骨架；防止纵筋受力后外凸；提高混凝

15、土的强度凸；提高混凝土的强度。1受力分析和破坏特征受力分析和破坏特征 矩形截面轴心受压矩形截面轴心受压短柱短柱 在轴心荷载作用下整个截面的应变基本在轴心荷载作用下整个截面的应变基本上是均匀分布的。上是均匀分布的。当外力较小时压缩变形的增加与外力的当外力较小时压缩变形的增加与外力的增长成正比，但外力稍大后，变形增加增长成正比，但外力稍大后，变形增加的速度快于外力增长的速度，配置纵筋的速度快于外力增长的速度，配置纵筋数量越少，这个现象越为明显数量越少，这个现象越为明显。随着外力的继续增加，柱中开始出现随着外力的继续增加，柱中开始出现微细裂缝，在临近破坏荷载时，柱四微细裂缝，在临近破坏荷载时，柱四周

16、出现明显的纵向裂缝，箍筋间的纵周出现明显的纵向裂缝，箍筋间的纵筋发生压屈，向外凸出，混凝土被压筋发生压屈，向外凸出，混凝土被压碎而整个柱破坏碎而整个柱破坏N初始受力试验表明，在整个加载过程中，由于钢筋和混凝土之间存在试验表明，在整个加载过程中，由于钢筋和混凝土之间存在着粘结力，两者压应变基本一致着粘结力，两者压应变基本一致 钢筋与混凝土的应力钢筋与混凝土的应力变形条件：es =ec =e物理关系物理关系：平衡条件：ssccAANyyssyyssfEfEeeeee fy ey1Esuccffeeeeeeeee00200 0 2钢筋：钢筋：混凝土：混凝土：根据变形条件：根据变形条件：e es =e

17、 ec =e e，确定钢筋及混凝土的确定钢筋及混凝土的 应力及其关系应力及其关系建立混凝土与钢筋间的应力关系cccEecelccEEEeeeccEsessEccEssEccssEEcEcEseEc= tan csEEE根据平衡条件确定混凝土应力与根据平衡条件确定混凝土应力与N的关系的关系 受压钢筋配筋率平衡条件：sscAANcssEcAAcEscssEAAA)1 (AAsrcsEAr)1 ()/1(rEcAN混凝土与N的关系根据平衡条件确定钢筋应力与根据平衡条件确定钢筋应力与N的关系的关系cEsrEEAN)/1()(rEEAN钢筋应力与钢筋应力与N的关系：的关系：)/1(rEsANAAsrrsAA)(rrEsEAN)/1(rEssAN,E是常数，而是常数，而是一个随着混凝土是一个随着混凝土压应力的增长而不断降低的变数压应力的增长而不断降低的变数)/1(rEcAN混凝土与混凝土与N的关系的关系钢筋应力与钢筋应力与N的关系的关系)/1(rEssANcelccEEEeeeAAsrcsEEE荷载荷载很小时很小时(弹性阶段弹性阶段)，N与混凝土和钢筋的应力的与混凝土和钢筋的应力的关系基本上是关系基本上是线性关系线性关系。此时此时 钢筋应力与混凝土应钢筋应力与混凝土应力成正比力成正比。 随着荷载的增加，混凝土随着荷载的增加，混凝土的塑性变形有所发展