受力性能及破坏形态.ppt

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1、,第四部分:构件的受力性能及破坏形态,1、受弯构件正截面的受力性能 及破坏形态 2、受弯构件斜截面的破坏形态 3、受压构件的破坏形态 4、受拉构件的破坏形态 5、受扭构件的破坏形态,梁的受弯性能(Flexural Behavior of RC Beam),梁的受弯性能(Flexural Behavior of RC Beam),对于配筋合适的RC梁，破坏阶段（III）承载力基本保持不变，变形可以持续很长，表明在完全破坏以前具有很好的变形能力，有明显的预兆，这种破坏称为“延性破坏”,a状态：计算Mcr的依据,a状态：计算Mcr的依据,阶段：计算裂缝、刚度的依据,a状态：计算Mcr的依据（gist

2、）,阶段：计算裂缝、刚度的依据,a状态：计算My的依据,a状态：计算Mu的依据,a状态：计算Mcr的依据,阶段：计算裂缝、刚度的依据,a状态：计算My的依据,ecu=0.003 0.005，超过该应变值，压区混凝土即开始压坏，梁达到极限承载力。该应变值的计算极限弯矩Mu的标志。,受力特点：,配筋率的影响,钢筋混凝土构件是由钢筋和混凝土两种材料，随着它们的配比变化，将对其受力性能和破坏形态有很大影响。,配筋率,配筋率r 增大 屈服弯矩My增大,MyMu， ececu的过程缩短 第阶段的变形能力减小,当r = rb时，My=Mu,“a状态”与“a状态”重合 钢筋屈服与压区混凝土的压坏同时达到(Ba

3、lance)，无第阶段，梁在My后基本没有变形能力。,界限破坏 Balanced Failure 界限弯矩Mb Balanced moment 界限配筋率rb Balanced Reinforcement Ratio,如果r r b，则在钢筋没有达到屈服前，压区混凝土就会压坏，表现为没有明显预兆的混凝土受压脆性破坏的特征。这种梁称为“超筋梁(Over reinforced) ”。,界限破坏 Balanced Failure 界限弯矩Mb Balanced moment 界限配筋率rb Balanced Reinforcement Ratio,如果r r b，则在钢筋没有达到屈服前，压区混凝土就

4、会压坏，表现为没有明显预兆的混凝土受压脆性破坏的特征。这种梁称为“超筋梁over reinforced ”。,超筋梁的承载力Mu取决于混凝土的压坏，与钢筋强度无关，比界限弯矩Mb仅有很少提高，且钢筋受拉强度未得到充分发挥，破坏又没有明显的预兆。因此，在工程中应避免采用。, 当配筋率小于一定值时，钢筋就会在梁开裂瞬间达到屈服强度， 即“a状态”与“a状态”重合，无第阶段受力过程。 此时的配筋率称为最小配筋率rmin 这种破坏取决于混凝土的抗拉强度，混凝土的受压强度未得到充分发挥，极限弯矩很小。 当r rmin，钢筋有可能在梁一开裂时就进入强化，甚至拉断， 梁的破坏与素混凝土梁类似，属于受拉脆性破

5、坏特征。,Mcr=Mu, 少筋梁的这种受拉脆性破坏比超筋梁受压脆性破坏更为突然，很不安全，而且也很不经济，因此在建筑结构中不容许采用。,相对界限受压区高度仅与材料性能有关，而与截面尺寸无关,相对界限受压区高度,一、三个破坏阶段的名称、阶段的计算依据、阶段末弯矩特点、应力特点。 二、破坏类型、影响因素、特点、破坏性质、防止措施。 三、为什么不允许出现少筋梁和超筋梁？,受弯构件斜截面破坏形态,在受弯构件的剪弯区段，在M、V作用下，有可能发生斜截面破坏。 斜截面破坏： 斜截面受剪破坏通过抗剪计算来满足受剪承载力要求； 斜截面受弯破坏通过满足构造要求来保证受弯承载力要求。,1 斜裂缝的形成,当主拉应力

6、超过混凝土复合受力下的抗拉强度时，就会出现与主拉应力迹线大致垂直的裂缝。 抵抗主拉应力 的钢筋： 弯起钢筋 箍筋,腹筋,斜裂缝的类型 （1）弯剪斜裂缝 特点：裂缝下宽上窄 （2）腹剪斜裂缝,特点：裂缝中间宽两头窄,2 剪跨比的定义,广义剪跨比： 集中荷载下的简支梁， 计算剪跨比为：,3无腹筋梁斜截面受剪破坏的主要形态,斜拉破坏、剪压破坏、斜压破坏,斜拉破坏,剪压破坏,斜压破坏,（1）斜拉破坏 发生条件：剪跨比较大， a/h03,破坏特点：首先在梁的底部出现垂直的弯曲裂缝；随即，其中一条弯曲裂缝很快地斜向伸展到梁顶的集中荷载作用点处，形成所谓的临界斜裂缝，将梁劈裂为两部分而破坏，同时，沿纵筋往往

7、伴随产生水平撕裂裂缝 。,抗剪承载力取决于混凝土 的抗拉强度,(2)剪压破坏 发生条件：剪跨比适中1a/h03 破坏特点：首先在剪跨区出现数条短的弯剪斜裂缝，其中一条延伸最长、开展较宽的裂缝成为临界斜裂缝；临界斜裂缝向荷载作用点延伸，使混凝土受压区高度不断减小，导致剪压区混凝土达到复合应力状态下的极限强度而破坏 。 抗剪承载力主要取决于混凝土在复合应力下的抗压强度,（3）斜压破坏 发生条件：剪跨比很小 a/h01,破坏特征：在梁腹中垂直于主拉应力方向，先后出现若干条大致相互平行的腹剪斜裂缝，梁的腹部被分割成若干斜向的受压短柱。随着荷载的增大，混凝土短柱沿斜向最终被压酥破坏 。,抗剪承载力取决于

8、混凝土的抗压强度,受剪破坏均属于脆性破坏，其中斜拉破坏最明显，斜压破坏次之，剪压破坏稍好。,二、破坏形态,影响有腹筋梁破坏形态的主要因素有剪跨比l,和配箍率rsv,（1）剪跨比,一、影响斜截面受剪承载力的因素,（2）混凝土强度,（3）加载方式,（4）纵筋配筋率 （5）截面形式 （6）尺寸效应 （7）梁的连续性,四、箍筋的作用, 斜裂缝出现后，拉应力由箍筋承担，增强了梁的剪力传递能力； 箍筋控制了斜裂缝的开展，增加了剪压区的面积，使Vc增加，骨料咬合力Va也增加； 吊住纵筋，延缓了撕裂裂缝的开展，增强了纵筋销栓作用Vd； 箍筋参与斜截面的受弯，使斜裂缝出现后纵筋应力ss 的增量减小； 配置箍筋对

9、斜裂缝开裂荷载没有影响，也不能提高斜压破坏的承载力，即对小剪跨比情况，箍筋的上述作用很小；对大剪跨比情况，箍筋配置如果超过某一限值，则产生斜压杆压坏，继续增加箍筋没有作用。,二、截面限制条件, 当配箍率超过一定值后，则在箍筋屈服前，斜压杆混凝土已压坏，故可取斜压破坏作为受剪承载力的上限。 斜压破坏取决于混凝土的抗压强度和截面尺寸。 规范是通过控制受剪截面剪力设计值不大于斜压破坏时的受剪承载力来防止由于配箍率而过高产生斜压破坏,二、截面限制条件, 当配箍率超过一定值后，则在箍筋屈服前，斜压杆混凝土已压坏，故可取斜压破坏作为受剪承载力的上限。 斜压破坏取决于混凝土的抗压强度和截面尺寸。 规范是通过

10、控制受剪截面剪力设计值不大于斜压破坏时的受剪承载力来防止由于配箍率而过高产生斜压破坏 受剪截面应符合下列截面限制条件，,三、最小配箍率及配筋构造, 当配箍率小于一定值时，斜裂缝出现后，箍筋因不能承担斜裂缝截面混凝土退出工作释放出来的拉应力，而很快达到屈服，其受剪承载力与无腹筋梁基本相同。 当剪跨比较大时，可能产生斜拉破坏。,受压构件承载力计算,概述 主要以承受轴向压力为主,通常还有弯矩和剪力作用,轴心受压构件,纵筋的主要作用: 帮助混凝土受压,箍筋的主要作用: 防止纵向受力钢筋压屈,偏心受压构件,纵筋的主要作用：,一部分纵筋帮助混凝土受压,另一部分纵筋抵抗由偏心压 力产生的弯矩,箍筋的主要作用

11、: 抵抗剪力,轴心受压构件,普通箍筋柱,1.短柱的受力特点和破坏形态 钢筋混凝土短柱破坏时 压应变在0.00250.0035 之间，规范取为0.002 相应地，纵筋的应力为,用,表示钢筋的抗压强度设计值，见附表2,2细长轴心受压构件的承载力降低现象,初始偏心距,附加弯矩和侧向挠度,加大了原来的初始偏心距,构件承载力降低,轴心受压长柱,稳定系数,稳定系数j 主要与柱的长细比 l0/i 有关,1.受力特点及破坏特征,压力和弯矩共同作用下的截面受力性能,压弯构件 偏心受压构件,偏心距e0=0时？ 当e0时，即N=0，？ 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。,第六章 受压构件,

12、一、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 1、受拉破坏 tensile failure,第六章 受压构件,偏心距e0较大,As配筋合适,一、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 1、受拉破坏 tensile failure,第六章 受压构件, 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As 受压屈服，压区混凝土压碎而达到破坏。 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

13、e0较大，且受拉侧纵向钢筋配筋率合适，通常称为大偏心受压。,2、受压破坏compressive failure 产生受压破坏的条件有两种情况： 当相对偏心距e0较小,第六章 受压构件,或虽然相对偏心距e0/h0较大，但受拉侧纵向钢筋配置较多时,As太多,第六章 受压构件,6.2 轴心受压构件的承载力计算, 截面受压侧混凝土和钢筋的受力较大， 而受拉侧钢筋应力较小， 当相对偏心距e0很小时，受拉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， 承载力主要取决于压区混凝土和受压侧钢筋，破坏时受压区高度较大，受拉侧钢筋未达到受拉屈服，破坏具有脆性性质。 第二种情况在设计应予避免

14、，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。,2、受压破坏compressive failure 产生受压破坏的条件有两种情况： 当相对偏心距e0/h0较小,或虽然相对偏心距e0/h0较大，但受拉侧纵向钢筋配置较多时,第六章 受压构件,受拉破坏和受压破坏的界限 即受拉钢筋屈服与受压区混凝土边缘极限压应变ecu同时达到 与适筋梁和超筋梁的界限情况类似。 因此，相对界限受压区高度仍为，,第六章 受压构件,当x xb时,当x xb时,第六章 受压构件,受拉破坏(大偏心受压),受压破坏(小偏心受压),第六章 受压构件,附加偏心距和偏心距增大系数,由于施工误差、计算偏差及材料的不均匀等原因

15、，实际工程中不存在理想的轴心受压构件。为考虑这些因素的不利影响，引入附加偏心距ea(Odditional eccentricity)，即在正截面压弯承载力计算中，偏心距取计算偏心距e0=M/N与附加偏心距ea之和，称为初始偏心距ei (initial eccentricity)，,参考以往工程经验和国外规范，附加偏心距ea取20mm与h/30 两者中的较大值，此处h是指偏心方向的截面尺寸。,一、附加偏心距,二、偏心距增大系数, 由于侧向挠曲变形，轴向力将产生二阶效应，引起附加弯矩 对于长细比较大的构件，二阶效应引起附加弯矩不能忽略。 图示典型偏心受压柱，跨中侧向挠度为 f 。 对跨中截面，轴力

16、N的偏心距为ei + f ，即跨中截面的弯矩为 M =N ( ei + f )。 在截面和初始偏心距相同的情况下，柱的长细比l0/h不同，侧向挠度 f 的大小不同，影响程度会有很大差别，将产生不同的破坏类型。,第六章 受压构件, 对于长细比l0/h8的短柱 侧向挠度 f 与初始偏心距ei相比很小, 柱跨中弯矩M=N(ei+f ) 随轴力N的增加基本呈线性增长， 直至达到截面承载力极限状态产生破坏。 对短柱可忽略挠度f影响。,第六章 受压构件, 长细比l0/h =830的中长柱 f 与ei相比已不能忽略。 f 随轴力增大而增大，柱跨中弯矩M = N ( ei + f ) 的增长速度大于轴力N的增

17、长速度， 即M随N 的增加呈明显的非线性增长, 虽然最终在M和N的共同作用下达到截面承载力极限状态，但轴向承载力明显低于同样截面和初始偏心距情况下的短柱。 因此，对于中长柱，在设计中应考虑附加挠度 f 对弯矩增大的影响。,第六章 受压构件,第六章 受压构件,长细比l0/h 30的长柱 侧向挠度 f 的影响已很大 在未达到截面承载力极限状态之前，侧向挠度 f 已呈不稳定发展 即柱的轴向荷载最大值发生在荷载增长曲线与截面承载力Nu-Mu相关曲线相交之前 这种破坏为失稳破坏，应进行专门计算,偏心距增大系数,第六章 受压构件,l0,四、Nu-Mu相关曲线 interaction relation of

18、 N and M,对于给定的截面、材料强度和配筋，达到正截面承载力极限状态时，其压力和弯矩是相互关联的，可用一条Nu-Mu相关曲线表示。,第六章 受压构件,Nu-Mu相关曲线反映了在压力和弯矩共同作用下正截面承载力的规律，具有以下一些特点：,相关曲线上的任一点代表截面处于正截面承载力极限状态时的一种内力组合。 如一组内力（N，M）在曲线内侧说明截面未达到极限状态，是安全的； 如（N，M）在曲线外侧，则表明截面承载力不足；,第六章 受压构件,当弯矩为零时，轴向承载力达到最大，即为轴心受压承载力N0（A点）； 当轴力为零时，为受纯弯承载力M0（C点）；,截面受弯承载力Mu与作用的轴压力N大小有关；

19、 当轴压力较小时，Mu随N的增加而增加（CB段）； 当轴压力较大时，Mu随N的增加而减小（AB段）；,第六章 受压构件,截面受弯承载力在B点达(Nb，Mb)到最大，该点近似为界限破坏； CB段（NNb）为受拉破坏， AB段（N Nb）为受压破坏；,对于对称配筋截面，达到界限破坏时的轴力Nb是一致的。,第六章 受压构件,如截面尺寸和材料强度保持不变，Nu-Mu相关曲线随配筋率的增加而向外侧增大；,受压构件的斜截面受剪承载力,一、单向受剪承载力,压力的存在 延缓了斜裂缝的出现和开展 斜裂缝角度减小 混凝土剪压区高度增大,第六章 受压构件,但当压力超过一定数值?,第六章 受压构件,要求掌握的内容,1

20、、受压构件的分类 2、箍筋和纵筋的作用 3、轴心受压构件按配箍方式的不同分类 4、 的取值 5、稳定系数的意义，影响因素。 6、偏心受压构件的破坏类型、发生的条件、特征、性质、防止措施，判别。 7、附加偏心距、初始偏心距、偏心距增大系数。,要求掌握的内容,8、用M-N相关曲线选择最不利计算内力。 9、压力对斜截面受剪承载力的影响。,受拉构件,钢筋混凝土桁架或拱拉杆、受内压力作用的环形截面管壁及圆形贮液池的筒壁等，通常按轴心受拉构件计算。 矩形水池的池壁、矩形剖面料仓或煤斗的壁板、受地震作用的框架边柱，以及双肢柱的受拉肢，属于偏心受拉构件。 受拉构件除轴向拉力外，还同时受弯矩和剪力作用。,受拉构

21、件,偏心受拉构件,小偏心受拉破坏：轴向拉力N在As与As之间，全截面均受拉应力，但As一侧拉应力较大，As一侧拉应力较小。 随着拉力增加，As一侧首先开裂，但裂缝很快贯通整个截面，As和As纵筋均受拉，最后As和As均屈服而达到极限承载力。,第九章 受拉构件,偏心受拉构件,大偏心受拉破坏：轴向拉力N在As外侧，As一侧受拉，As一侧受压，混凝土开裂后不会形成贯通整个截面的裂缝。 最后，与大偏心受压情况类似，As达到受拉屈服，受压侧混凝土受压破坏。,偏心受拉构件斜截面受剪,受拉构件,轴向拉力N的存在，斜裂缝将提前出现，在小偏心受拉情况下甚至形成贯通全截面的斜裂缝，使斜截面受剪承载力降低。受剪承载

22、力的降低与轴向拉力N近乎成正比。,要求掌握的内容,1、受拉构件的分类。 2、钢筋的受力情况 3、拉力的存在对受剪承载力的影响,受扭构件,受扭构件也是一种基本构件 两类受扭构件： 平衡扭转 约束扭转,纯扭构件的破坏形态,一、开裂前的应力状态,截面受扭弹性抵抗矩,破坏面呈一空间扭曲曲面,二、开裂情况、破坏面及受扭钢筋形式,受扭钢筋,纵向受扭钢筋,受扭箍筋,三、破坏形态,随着配置钢筋数量的不同，受扭构件的破坏形态也可分为：,适筋破坏、少筋破坏和超筋破坏、部分超筋,（1）适筋破坏,箍筋和纵筋配置都合适,与临界（斜）裂缝相交的钢筋,然后混凝土压坏,与受弯适筋梁的破坏类似，具有一定的延性,都能先达到屈服，,（2）少筋破坏,当配筋数量过少时,一旦开裂，将导致扭转角迅速增大，,构件随即破坏。,与受弯少筋梁类似，呈受拉脆性破坏特征,（3）超筋破坏,箍筋和纵筋配置都过大,在钢筋屈服前混凝土就压坏，,为受压脆性破坏。,与受弯超筋梁类似,部分超筋破坏,箍筋和受扭纵筋两部分配置不协调,抗扭纵筋与箍筋的配筋强度比,规范建议取0.6z 1.7，将不会发生“部分超筋破坏” 设计中通常取z =1.2,受扭计算中对称布置在截面周边的全部抗扭纵筋的截面面积；,受扭纵筋的抗拉强度设计值；, 截面核芯部分的周长，,要求掌握的内容,1、破坏类型 2、 的意义和取值范围,