混凝土结构规范受压计算

桥梁工程系－杨剑5受压构件计算桥梁工程系－杨剑本章主要内容轴心受压构件的受力性能、设计计算及构造；偏心受压构件的受力性能、设计计算及构造；桥梁工程系－杨剑5.1概述桥梁工程系－杨剑受压构件－以承受压力为主的构件，工程上通常称其为柱。受压构件在结构中具有重要作用，一旦产生破坏，往往导致整个结构的损坏，甚至倒塌。一般工程结构中的垂直承重构件多属于受压构件，如桥梁工程的桥墩、桥台、索塔；房屋结构中的墙、柱，拱桥的主拱圈也是以受压为主，因此亦按受压构件计算。桥梁工程系－杨剑桥梁工程系－杨剑瑞士萨尔基那山谷桥桥梁工程系－杨剑伦敦塔桥桥梁工程系－杨剑米洛大桥桥梁工程系－杨剑桥梁工程系－杨剑桥梁工程系－杨剑桥梁工程系－杨剑桥梁工程系－杨剑桥梁工程系－杨剑桥梁工程系－杨剑受压构件的分类根据纵向压力N作用位置的不同，受压构件可分为：受压构件偏心受压构件轴心受压构件单向偏心受压构件双向偏心受压构件{{桥梁工程系－杨剑轴心受压单向偏心受压双向偏心受压桥梁工程系－杨剑NNM=Ne0e0桥梁工程系－杨剑轴心受压构件—纵向压力N通过构件截面形心轴线时。偏心受压构件—纵向压力N不作用于构件截面的形心或构件截面同时承受轴向压力N及弯矩M的共同作用。桥梁工程系－杨剑轴压构件、偏压构件和受弯构件的联系NM=0MN=0NM=Ne0Ne0e0=0e0=∞轴压构件偏压构件受弯构件桥梁工程系－杨剑理想的轴心受压构件在实际结构中并不存在：实际上纵向压力N与构件截面的形心或多或少地存在偏心；构件亦不可能是理想的直杆，总是具有或多或少的初始弯曲；混凝土材料的非均匀性、配筋数量及位置的不对称以及构件的施工误差等。所有这些均导致实际结构的受压构件总是处于偏心受压状态。但是，如果偏心距很小，在实际结构中能容许略去不计时，可近似地将其按轴心受压构件来考虑，否则将其视为偏心受压构件进行分析。桥梁工程系－杨剑6.2轴心受压构件承载力桥梁工程系－杨剑一.实际结构中的轴心受压构件◆在实际结构中，理想的轴心受压构件几乎是不存在的。◆通常由于施工制造的误差、荷载作用位置的偏差、混凝土的不均匀性等原因，往往存在一定的初始偏心距。◆但有些构件，如以恒载为主的等跨多层房屋的内柱、桁架中的受压腹杆等，主要承受轴向压力，可近似按轴心受压构件计算。桥梁工程系－杨剑二.轴心受压构件的配筋及分类配筋：纵筋＋箍筋箍筋：普通钢筋、螺旋箍筋（焊接环箍）根据所采用的箍筋不同：轴心受压构件螺旋箍筋柱普通箍筋柱{桥梁工程系－杨剑普通箍筋螺旋箍筋或焊接环箍普通箍筋柱螺旋箍筋柱桥梁工程系－杨剑普通钢箍柱：箍筋的作用？纵筋的作用？螺旋钢箍柱：箍筋的形状为圆形，且间距较密，其作用？普通箍筋柱螺旋箍筋柱桥梁工程系－杨剑纵筋的作用：◆协助混凝土受压受压钢筋最小配筋率：0.5%(单侧0.2%)◆承担弯矩作用◆减小持续压应力下混凝土收缩和徐变的影响。收缩和徐变能把柱截面中的压力由混凝土向钢筋转移，从而使钢筋压应力不断增长。压应力的增长幅度随配筋率的减小而增大。如果不给配筋率规定一个下限，钢筋中的压应力就可能在持续使用荷载下增长到屈服应力水准。桥梁工程系－杨剑箍筋作用：固定纵筋位置而形成钢筋骨架；约束核心混凝土，特别是较密的螺旋箍筋的配置，对核心混凝土的约束更强，使核心混凝土处于三向受压状态。桥梁工程系－杨剑桥梁工程系－杨剑桥梁工程系－杨剑三.配置螺旋箍筋后柱的受力性能变化Nc普通箍筋混凝土柱螺旋箍筋混凝土柱标距NcNc螺旋箍筋的约束使柱的承载力提高荷载不大时螺旋箍柱和普通箍柱的性能几乎相同保护层剥落使柱的承载力降低桥梁工程系－杨剑四.普通箍筋柱的受力性能及设计计算1.长细比的影响0000000000///28/8/728/100/30/30//lrlbldlrlbldlrlbldlrrIA受压构件的长细比:式中：构件的；构件截面的回转半径，对于矩形和圆形截面，构件的长细比可分别用和来表示。根据长细比的不同，柱可分为，短柱：或或；长柱：或＝计算长度短柱、长柱和细长柱或；细长000/100/30/30lrlbld随着构件长细比的增加，构件的承载能力降低，对于细长柱，构件可能柱：发生或或。失稳破坏。桥梁工程系－杨剑2.短柱的受力破坏特征短柱的受力过程可分为弹性、弹塑性以及破坏三个阶段：N很小时，弹性受力阶段；N较大时，弹塑性受力阶段：混凝土出现塑性变形，构件内产生应力重新分布，纵向裂缝产生；N很大时，破坏阶段：纵向裂缝加宽，钢筋先压屈后混凝土达到其极限压应变压碎而破坏。桥梁工程系－杨剑在轴向压力N的作用下，截面的应变分布基本均匀，因钢筋与混凝土之间有良好的粘结，故二者的应变相等。混凝土压碎时达到其棱柱体抗压强度，破坏时混凝土的极限压应变可取值为0.002，则相应的钢筋压应力为400MPa。由此可知，当受压钢筋的屈服强度≤400MPa时，可以达到屈服，而对于屈服强度≥400MPa的钢筋，混凝土压碎破坏时其应力亦只能达到400MPa。桥梁工程系－杨剑3.长柱的受力破坏特征长柱的承载力总是小于相同条件下短柱的承载力；长细比不很大的长柱，破坏还属材料破坏；长细比很大的细长柱有可能发生失稳破坏。引入稳定系数来考虑长细比对构件承载力的影响：稳定系数：＝长柱承载能力/短柱承载能力与构件的长细比有关。桥梁工程系－杨剑轴心受压短柱的破坏NNNl/4l/4轴心受压长柱的破坏桥梁工程系－杨剑桥梁工程系－杨剑Ndfsd’As’fcdhAs’b计算简图4.承载能力计算00.9()ducssrNNfAfA折减系数0.9是考虑初始偏心的影响，以及主要承受恒载作用的轴压受压柱的可靠性。A＝bh，当As’≥0.03bh时，取A=Ac=bh-As’。最小配筋率：As’/bh≥0.5%最大配筋率：As’/bh≤5%，一般≤3％通常采用的配筋率：（1~2)%桥梁工程系－杨剑四.螺旋箍筋柱的受力性能及承载力1.受力特征当混凝土的轴向压力较大时（0.7fc左右）混凝土微裂缝开始迅速发展，导致混凝土侧向变形明显增大；配置足量的螺旋箍筋或焊接圆环箍筋能约束其侧向变形，对混凝土产生间接的被动侧向压力，箍筋则产生环向拉力；当荷载逐步加大到混凝土压应变超过无约束时的极限压应变后，箍筋外部的混凝土将被压坏开始剥落，而箍筋以内即核心部分的混凝土则能继续承载；当箍筋达到抗拉屈服强度而失去约束混凝土侧向变形的能力时，核心混凝土才会被压碎而导致整个构件破坏。桥梁工程系－杨剑保护层剥落桥梁工程系－杨剑s2fyAss1fyAss1s2sdcors(a)(b)(c)2.核心混凝土的受力由于密配螺旋箍筋的约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态。桥梁工程系－杨剑混凝土圆柱体三向受压状态的纵向抗压强度124cfss桥梁工程系－杨剑s2fyAss1fyAss1s2sdcors(a)(b)(c)212coryvsssdfAs122yvsscorfAsds118yvssccorfAfsds214sscf3.核心混凝土的环向压应力及三向抗压强度桥梁工程系－杨剑s2fyAss1fyAss1s2sdcors(a)(b)(c)10corssssdAsA10corssssdAAs4.间接钢筋的换算截面面积按体积相等的原则确定。10222yvssyvsscorcorfAfAsdAs桥梁工程系－杨剑达到极限状态时，保护层已剥落，故只考虑核心混凝土。02uccorssyvssNfAfAfA计算简图5.承载能力计算Ndfsd’As’1sAcor1ucorssNAfAs01224ysscccorfAffAss桥梁工程系－杨剑000.9(2)duccorssyvssrNNfAfAfA螺旋箍筋对承载力的影响系数：当fcu,k≤50MPa时，取1.0；当fcu,k=80MPa时，取0.85；当50MPa≤fcu,k≤80MPa时，其间直线插值。《规范》设计公式桥梁工程系－杨剑《规范》规定：按螺旋箍筋计算的承载力不应小于按普通箍筋柱受压承载力。按螺旋箍筋计算的承载力不应大于按普通箍筋柱受压承载力的50%。对长细比l0/d大于12的柱不考虑螺旋箍筋的约束作用。螺旋箍筋的换算面积Ass0不得小于全部纵筋A‘s面积的25%。螺旋箍筋的间距s不应大于dcor/5，且不大于80mm，同时为方便施工，s也不应小于40mm。桥梁工程系－杨剑6.3偏心受压构件承载力桥梁工程系－杨剑NM=0MN=0NM=Ne0Ne0e0=0e0=∞轴压构件偏压构件受弯构件轴压构件、偏压构件和受弯构件间的联系桥梁工程系－杨剑从截面受力性能分析，偏心受压可视为构件由轴心受压向受弯构件之间的过渡，当M或很小而接近于0时，相当于轴心受压，当M很大而N很小接近于零时就相当于受弯构件，因此，构件截面的受力特征亦将由轴心受压逐步向受弯状态过渡。在线弹性材料力学分析中，这三种状态的截面受力特征形成连续过渡：但在钢筋混凝土结构中，当考虑材料的受力特征以及构件受力的几何非线性影响后，这三种受力构件的受力特征有所不同但又相互联系。NMyAIs桥梁工程系－杨剑6.3.1偏压构件的受力特征偏心受压构件M=Ne0NAsAs’Ne0AsAsAsAs’h0asas’b偏心受压构件的受力性能和破坏形态界于轴心受压构件和受弯构件之间。桥梁工程系－杨剑一.受力破坏特征偏心受压构件的破坏形态与偏心距e0和纵向钢筋配筋率有关。随纵向压力N的相对偏心距e0/h0和配筋量的变化，偏压构件可能发生受拉破坏（第一类偏压、大偏压破坏）和受压破坏（第二类偏压破坏、小偏压破坏）两种破坏形态。桥梁工程系－杨剑1.受拉破坏M较大、N较小、相对偏心距e0/h0较大且As配置合适时会发生受拉破坏。fyAsf'yA'sNMfyAsf'yA'sNe0桥梁工程系－杨剑◆截面受拉侧混凝土较早出现裂缝，As的应力随荷载增加发展较快，首先达到屈服。◆此后，裂缝迅速开展，受压区高度减小。◆最后受压侧钢筋A's受压屈服，压区混凝土压碎而破坏。◆这种破坏具有明显预兆，变形能力较大，破坏特征与配有受压钢筋的适筋梁相似，承载力主要取决于受拉侧钢筋。◆形成这种破坏的条件是：偏心距e0较大，且受拉侧纵向钢筋配筋率合适，通常亦称为大偏心受压。桥梁工程系－杨剑2.受压破坏产生受压破坏的条件有两种情况：⑴当相对偏心距e0/h0较小；或⑵虽然相对偏心距e0/h0较大，但受拉侧纵向钢筋As配置过多时。ssAsf'yA'sNssAsf'yA'sNAs太多e0太小桥梁工程系－杨剑◆截面受压侧混凝土和钢筋As’的受力较大，而受拉侧钢筋As应力较小，当相对偏心距e0/h0很小时，As侧还可能出现受压情况。◆截面最后是由于受压区混凝土首先压碎而达到破坏，破坏时受压区高度较大，钢筋As不管是受拉还是受压均不能达到屈服，破坏具有脆性性质。承载力主要取决于压区混凝土和受压侧钢筋.◆第二种情况在设计时应予避免，因此受压破坏一般为偏心距较小的情况，故常称为小偏心受压。桥梁工程系－杨剑从上述的破坏形态可以看到，不论是受拉破坏还是受压破坏最后都是由于受压区混凝土被压碎而造成的，但二者又有本质的区别，受拉破坏始于受拉钢筋屈服，破坏时远离N一侧的纵筋屈服，而受压破坏在破坏时远离N一侧的纵筋无能是受压还是受拉一般均不能屈服。此外，当截面的高宽比较大且构件的长细比亦较大时，在弯矩作用平面内发生偏压破坏之前，构件有可能发生出平面外的弯曲破坏，故偏压构件除计算弯矩作用平面内的承载能力外，尚需验算弯矩作用平面以外的承载力，平面外的承载力按长细比为l0/b的轴压构件进行验算。桥梁工程系－杨剑受拉破坏受压破坏桥梁工程系－杨剑二.受拉破坏及受压破坏的界限（大小两种偏压的判断）根本判断大、小偏压破坏的本质区别是较大受压边缘混凝土压碎而破坏时，受拉钢筋是否屈服，这与受弯构件适筋与超筋破坏的区别一致，且受压构件在其受力破坏过程中，平截面假定亦能较