专业英语(建筑)-Unit 8

Unit8第八单元Columns:CombinedAxialLoadandBending

柱：轴向力与弯曲的组合教学目标了解柱子中箍筋的布置特点了解相关图的确定和使用了解短柱设计中的注意问题熟悉钢筋混凝土柱子中的专业词汇熟悉科技类文献中的常用句型熟悉tie、spiral、stirrup的区别；limit、restrain、confine、hold的用法；referto、bereferredto、bereferredtoas的区别；afamilyof、aseriesof、aportionof、greatmajorityof的区别。 Acolumnisaverticalstructuralmembertransmittingaxial

compressiveloads（压缩荷载）,withorwithoutmoments.Thecross-sectionaldimensionsofacolumnaregenerally

considerablylessthan（远小于）itsheight.Columnssupportverticalloadsfromthefloorsandroofandtransmittheseloadstothefoundations.

柱是竖向的结构构件，传递轴向压缩荷载和弯矩（或无弯矩）。柱的横截面尺寸通常远远小于其高度。柱子支承着来自楼面和屋面的竖向荷载，并将它们传于地基。

Inconstruction,thereinforcementandconcreteforthebeamsandslabsinafloorareplaced.Oncethisconcretehashardened,thereinforcementandconcreteforthecolumns

over

thatfloorareplaced,

followed（接着）by

thenext-higherfloor（下一个更高楼面）.

施工时，将楼面梁和楼面板的钢筋与混凝土放入。一旦混凝土已经变硬，则将该层柱子的钢筋和混凝土放入，紧接着进行下一个更高楼面的（施工）。 Themore

generalterms（通用的术语）compressionmembersormembers

subjectedto

combinedaxialloadandbendingaresometimesusedto

referto（指、表示）columns,walls,andmembersinconcretetrussesorframes.Thesemaybe

vertical（垂直的）,

inclined（倾斜的）,or

horizontal（水平的）.Acolumnisa

specialcase（特殊的例子）ofa

compressionmemberthatisvertical.

有时采用较通用的术语即受压构件或承受轴向力和弯曲组合的构件来表示柱子、墙和混凝土桁架或框架中的构件。这些构件可以是垂直的、倾斜的或水平的。柱子是受压构件中一种特殊的例子，即垂直的。 Stability

effects（影响）mustbeconsideredinthe

designofcompressionmembers.Ifthemoments

induced（引起）by

slendernesseffects（细长度效应）weakenacolumn

appreciably（明显地）,it

isreferredtoas

aslendercolumnoralongcolumn.The

greatmajorityof（绝大多数的）concretecolumnsare

sufficientlystocky（非常粗短的）thatslendernesscan

beignored.Suchcolumns

arereferredtoasshortcolumns.

在设计受压构件时必须考虑稳定性的影响。如果由于细长度效应引起的弯矩明显地削弱了柱子，它被称为细长柱或长柱。绝大多数的混凝土柱子是非常粗短的，以致可以忽略其细长度。这样的柱子称为短柱。TiedandSpiralColumns

普通箍筋和螺旋箍筋的柱子

Over（超过）95%ofallcolumnsinbuildingsin

nonseismicregions（非地震区）aretiedcolumns.Tiedcolumnsmaybe

square（正方形）,rectangular,Lshaped,circular,oranyother

requiredshape.Occasionallywhenhighstrengthand/orhigh

ductility（延性）arerequired,thebarsareplacedina

circle（圆环）andthetiesarereplacedbyabarbentintoa

helixorspiral（螺旋线）,witha

pitch（间距）of1.375to3.375

in.（英寸）.Suchacolumniscalledaspiralcolumn.Spiralcolumns

aregenerallycircular,althoughsquareor

polygonal（多边形）shapesaresometimesused.Thespiralactstorestrainthe

lateralexpansion（横向扩张）ofthecolumncoreunderaxialloads

causingcrushing（压碎）,andindoingso,

delays（延缓）the

failureofthecore,makingthecolumnmoreductile. 在非地震区域的建筑物中超过95%的柱子是普通箍筋的柱子。普通箍筋的柱子可以是正方形、矩形、L形、圆形或其它任何需要的形状。偶尔当需要高强度和/或高延性时，将钢筋置入一个圆环，普通箍筋由弯成螺旋线的钢筋代替，间距为1.375-3.375英寸。该柱子称为螺旋箍筋柱。螺旋箍筋柱通常是圆形的，尽管有时也用正方形或多边形。螺旋箍筋的作用是约束柱子的核心在导致压碎的轴向荷载作用下的横向扩张，并据此延缓其核心的破坏，使柱子具有更好的延性。 Inseismicregionsthetiesare

heavier（较粗）andmuchmore

closelyspaced（密集）.Spiral

columnsareusedmoreextensivelyinsuchregion.Inaspiralcolumn,thelateralexpansionoftheconcreteinsidethespiral(referredtoasthecore)isrestrainedbythespiral.

在地震区箍筋较粗且密集得多。螺旋箍筋柱较广泛地用于这样的地区（即地震区）。在螺旋箍筋柱中，螺旋箍筋内部的混凝土（称为核心）的横向扩张受到螺旋箍筋的约束。

Inatiedcolumninanonseismicregion,theties

are

spaced

roughly（约）thewidthofthecolumn

apart（间隔为）,andasaresult,providerelatively

littlelateralrestrainttothecore.

Outward（向外的）pressureonthesidesofthetiesduetolateral

expansionofthecore

merely（仅仅）bendsthem

outward,developinga

negligible（可忽略的）

hoopstresseffect（环向应力效应）.Hence

normal（普通）tieshavelittle

effecton

thestrengthofthecore

inatiedcolumn.Theydo,however,acttoreduce

theunsupportedlengthofthelongitudinalbars,

thusreducingthedangerof

buckling（屈曲）of

thosebarsasthebarstressapproachesyield. 在非地震区的普通箍筋柱中，普通箍筋相隔的间距约为柱子的宽度，因此对核心混凝土提供了比较小的横向约束。由于核心（混凝土）的横向扩张导致普通箍筋边上向外的压力仅使普通箍筋向外弯曲，形成一个可忽略的环向应力效应。因此，在普通箍筋柱中，普通的箍筋对核心混凝土的强度几乎没什么影响。但是它们减少了纵向钢筋未被支撑的长度，这样当钢筋的应力接近屈服时可减少这些钢筋发生屈曲的危险。 Whenthe

shell（外壳）spallsoff（剥落）thespiralcolumn,

thecolumndoesnotfailimmediatelybecausethestrengthofthe

corehasbeen

enhanced（加强）bythetriaxialstresses

resultingfrom

theeffectofthespiral

reinforcement（加强）.Asaresult,

thecolumncanundergolargedeformations,eventuallyreachinga

second（另一个）maximumloadwhenthespiralsyieldandthe

columnfinallycollapses.Suchafailureismuchmoreductileand

giveswarningofthe

impending（即将发生的）failure

togetherwith

possibleload

redistribution（重分布）toothermembers.It

shouldbenoted,however,thatthisis

accomplished（实现）onlyatveryhighstrains.Forexample,thestrainsnecessarytoreach

the

second（第二个）maximumload

correspond

to

ashortening

ofabout1in.inan8-ft-highcolumn.Whenspiralcolumnsare

eccentrically（偏心）loaded,thesecondmaximumloadmaybe

lessthantheinitialmaximum,butthedeformationsatfailurearestilllarge,allowingloadredistribution. 当外壳（混凝土）从螺旋箍筋柱上剥落时，柱子并没有立即失效，因为核心（混凝土）的强度由于螺旋箍筋的加强效应形成的三向应力而增强。因此，当螺旋箍筋屈服时柱子能经受大变形，最后达到另一个最大荷载，并最终倒塌。这样的失效更延性，并对即将发生的失效和可能的对其它构件的荷载重分布给予警告。但是应该注意到，这只有在非常大的应变时才能实现。例如，要达到第二个最大荷载，其应变必须相当于8英尺高的柱子缩短约1英寸。当螺旋箍筋柱受到偏心荷载时，第二个最大荷载可能小于初始的最大荷载，但失效时的变形仍然是大的，允许荷载重分布。 Whena

symmetrical（对称的）columnis

subjectedtoa

concentric（中心）axialload,

longitudinalstrainsdevelopuniformly

across（穿过）thesection.Becausethesteelandconcretearebondedtogether,thestrainsintheconcreteandsteelareequal.Foranygivenstrainsitispossibletocomputethestressesintheconcreteandsteelusingthe

stress-straincurves（应力-应变曲线）forthetwomaterials.

当一根对称的柱子承受中心轴向力时，则穿过截面均匀地形成纵向应变。由于钢筋与混凝土粘结在一起，混凝土的应变与钢筋的应变是相等的。对任何已知的应变，通过采用（混凝土与钢筋）两种材料的应力-应变曲线有可能计算出混凝土与钢筋的应力。InteractionDiagrams相关图

Almostallcompressionmembersinconcretestructure

aresubjectedtomoments

inadditionto

axialloads.These

maybeduetotheloadnotbeing

centered（居中）onthe

column,ormay

resultfrom

thecolumnsresisting

aportionof

theunbalancedmomentsattheendsofthebeams

supportedbythecolumns.Thedistanceeisreferredtoas

theeccentricity（偏心距）oftheload.Thesetwocasesare

thesamesincetheeccentricityloadPcanbereplacedbya

loadPactingalongthe

centroidalaxis（形心轴）,plusa

moment,M=Pe,

about

thecentroid.TheloadPandmoment

Marecalculated

withrespectto

thegeometriccentroidal

axisbecausethemomentsandforcesobtainedfrom

structuralanalysis

arereferredto（关系到）thisaxis. 在混凝土结构中，几乎所有的受压构件除了承受轴向力外，还承受弯矩。这可能是由于柱子上的荷载没有居中，或者可能是由柱子抵抗其支撑的梁端的部分不平衡弯矩而引起。距离e称为荷载的偏心距。因为有偏心距的荷载P可以替换成沿着形心轴作用的荷载P加上对形心的弯矩，即M等于Pe，因此这两种情况是相同的。荷载P和弯矩M是相对于几何形心轴来计算的，因为从结构分析得到的弯矩和力关系到该轴。 Althoughitispossibletoderive

afamilyof（一族）equationstoevaluatethestrengthofcolumnssubjectedtocombinedbendingandaxialloads,theseequations

aretedious（冗长）touse.

Forthisreason,interaction

diagramsforcolumnsaregenerallycomputedby

assumingaseriesof

straindistributions,each

correspondingto

aparticularpointontheinteraction

diagram,andcomputingthe

correspondingvalues

（对应值）ofPandM.Onceenoughsuchpointshavebeen

computed,theresultsare

summarized（概括）inan

interactiondiagram.

尽管有可能推导一族公式来估计承受弯曲与轴向力组合的柱子的强度，但是这些公式用起来很冗长。因此，柱子的相关图通常通过假定一系列的应变分布来计算，每一个（应变）相当于相关图上一个特定的点，并计算出对应的P和M的值。一旦这样的点已经计算得足够（多），其结果则被概括在一张相关图中。 Themaximum

compressivestrain（压应变）is

set（设定）at

0.003,correspondingtofailureofthesection.Thelocationofthe

neutralaxis（中性轴）andthestrainin

eachlevelofreinforcement（每层的钢筋）arecomputedfromthestrain

distribution.Thisinformationisthenusedtocomputethesizeofthecompressionstress

block（区）andthestressineachlayerof

reinforcement.Theforcesintheconcreteandthesteellayersarecomputedby

multiplying

thestresses

by

theareasonwhichthey

act.Finally,theaxialforcePniscomputedby

summing（求和）the

individual（各个）forcesintheconcreteandsteel,andthe

momentMniscomputedbysummingthe

moments

oftheseforces

about

thegeometriccentroidofthecrosssection.ThesevaluesofPnandMnrepresentonepointontheinteractiondiagram. 最大的压应变设定在0.003，相当于该截面的失效。中性轴的位置和每层钢筋的应变通过应变的分布来计算。这个信息然后用以计算压应力区的大小和每层钢筋的应力。混凝土与钢筋层中的力通过应力乘以其作用的面积来计算。最后，轴向力Pn通过混凝土与钢筋中的各个力的求和得到，弯矩Mn通过这些力对横截面的几何形心的弯矩求和得到。这些Pn和Mn的值代表着相关图上的某一点。 Generally,designers

haveaccessto（利用）published

interactiondiagramsorcomputer

programs（程序）tocomputeinteractiondiagramsforuseindesign.Occasionally,thisisnottrue,asforexample,inthedesignofhollowbridge

piers（墩）,elevatorshafts,orunusualshapedmembers.In

mostcasesitisadequateto

represent（表示）the

interactiondiagrambyaseriesofstraightlines

joining（加上）theloadandmomentvaluescorrespondingtothe

following（下列）fivestraindistributions:

通常设计者可以利用已经发表的相关图或利用计算机程序来计算用于设计的相关图。有时候这不太正确，例如在设计空心桥墩、电梯井或特殊形状的构件时。在多数情况下，一系列的直线加上相应于下列五种应变分布的力和弯矩值可足以表示出相关图：Auniformcompressivestrainof0.003.Astraindiagramcorrespondingto

incipient（初始的）

cracking,

passingthrough（经过）acompressivestrain

of0.003ononefaceandzerostrainontheother.Thebalancedstraindistributionhavingacompressive

strainof0.003ononefaceandatensilestrainof-y(y=

yieldstrain)inthereinforcement

nextto

theotherface.1.一个为0.003的平均压应变；2.相应于初始开裂的应变图，在一个端面上的压应变为0.003，而在另一个端面上为零应变；3.一个平衡的应变分布，在一个端面上的压应变为0.003，而在靠近另一个端面的钢筋中的拉应变为-y（y等于屈服应变）；

Atensionfailurecasewith0.003compressivestrainononefaceand-3yinthereinforcementontheotherface.Auniformtensilestrainof-yinthesteelwiththeconcretecracked.一个受拉失效的情况，即一个端面上的压应变为0.003，另一个端面的钢筋中的拉应变为-3y；钢筋中一个平均的拉应变为-y

，而混凝土开裂。 Itisdifficulttocalculatethe

puremoment（纯弯矩）casedirectly.Ifthisvalueisrequiredfora

symmetricalsection,itcanbeestimatedas

thelargerof

(1)the

flexuralcapacity（抗弯能力）ignoringthe

reinforcementinthecompressivezone,or(2)the

momentcomputedignoringtheconcreteandassuming

astrainof5y

inthereinforcement

adjacentto

eachface.

很难直接计算纯弯矩的情况。如果一个对称的截面需要该值，可以估计为（下列两个值中的）较大者：（1）忽略了受压区钢筋的抗弯能力；（2）忽略了混凝土、并假定临近每一个端面的钢筋中的应变为5y时计算的弯矩。DesignofShortColumns Ifthecrosssectionisknownanditisnecessarytocomputethecapacity,ananalysisiscarriedout.

Ontheotherhand,iftheloadsandmomentsare

knownanditisnecessarytoselectacrosssectiontoresistthem,theprocedureisreferredtoas

designor

proportioning（确定尺寸）.Adesign

problemissolvedby

guessing（假定）asection,

analyzingwhetheritwillbesatisfactory,

revising（修正）thesection,andreanalyzingit.Ineachcasetheanalysisportionoftheproblemismost

easilycarriedout

usinginteractiondiagrams.短柱的设计 如果已知横截面，且必须计算其能力，则可进行分析。另一方面，如果已知荷载和弯矩，且必须选择一个横截面来抵抗它们，这个过程称为设计或确定尺寸。设计问题是通过假定一个截面，分析它是否满足要求，修正该截面，然后再重新分析它来解决的。在每个情况下，问题的分析部分采用相关图是最容易进行的。 ACICoderequiresa

clear（净）concrete

cover（保护层）ofnotlessthan1.5in.tothetiesorspiralsincolumns.

Morecovermayberequiredfor

fireprotection（防火）in

somecases.Theconcreteforacolumnisplacedinthecore

insidethebarsandmustbeableto

flowout（流动）between

thebars

and

theform.To

facilitate（促进）this,theACI

coderequiresthattheminimumcleardistancebetween

longitudinalbarsshallnotbelessthan

thelargerof

1.5times

thelongitudinalbardiameter,1.5in.or1.333timesthesize

ofthe

coarseaggregate（粗骨料）.Thesecleardistance

limitationalso

applyto

thecleardistancebetween

lapspliced（搭接）barsandadjacentbarsorlapsplices.Becausethe

maximumnumberofbarsoccursatthe

splices（拼接）,the

spacingofbarsatthislocationgenerallygoverns. ACI规范要求混凝土的保护层至柱子中的普通箍筋或螺旋箍筋的净距不少于1.5英寸。在某些情况下，为了防火，可能需要更多的保护层。柱子的混凝土灌入钢筋之间的核心区，且必须能在钢筋和模板之间流动。为了促进流动，ACI规范要求纵向钢筋之间的最小净距离不少于1.5倍的纵向钢筋直径、1.5英寸或1.333倍的粗骨料尺寸中的较大值。这些净距的限制也适用于搭接钢筋与相邻钢筋之间或搭接钢筋之间的净距（要求）。由于最多的钢筋数量发生在拼接处，因此钢筋在该处的间距通常起到控制作用。

Inmostbuildingsinnonseismiczones,thelongitudinalbarsinthecolumnsaresplicedjustaboveeachfloor.The

requirementsforlapsplices

vary（变化）dependingon

thestateofstressinthebarat

ultimateload（极限荷载）.

Generally,allthebarsinacolumnwillhavethesamelength

orsplice

regardlessof

whethertheyareonthetensionor

compressionface.Thisisdonetoreducethe

chance（可能性）of

field（现场）errors.

在非地震区的多数建筑中，柱子中的纵向钢筋刚好在每层楼面的上方拼接。搭接的要求随钢筋在极限荷载下的应力状态而变化。通常，柱子中的所有钢筋具有相同的长度或接头，不管它们是处于受拉面还是受压面。这样做是为了减少现场错误的可能性。 （1）restrain

thelongitudinalbars

from

buckling

out

through

thesurfaceofthecolumn. ACICodegiveslimitsonthesize,spacing,andthe

arrangement（布置）ofthetiessothattheyare

adequatetorestrainthebars.TheminimumtiesizeisaNo.3barforlongitudinalbars

upto

（在..以内）No.10,andaNo.4barforlargerlongitudinalbars,orfor

bundledbars（束筋）.Theverticalspacingof

tiesshallnotexceed16longitudinalbardiameterstolimittheunsupportedlengthofthesebars,andshallnotexceed48tiediameterstoensurethatthecross-sectionalareaofthetiesisadequatetodeveloptheforcesneededtorestrainbucklingofthelongitudinalbars.Themaximu