受压构件1.ppt

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1、第五章 受压构件的承载力计算 Compressive Element or Column,单层厂房柱、拱、屋架上弦杆，多高层建筑中的框架柱、剪力墙、筒体，烟囱、桥梁结构中的桥墩、桩等均属于受压构件,承受压力为主的构件称为受压构件,主要以承受轴向压力为主,通常还有弯矩和剪力作用,工程实例,受压构件（柱）往往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。,当在结构构件的截面上作用有与其形心相重合的轴心压力时，该构件称为轴心受压构件。,当轴向压力与结构构件的截面形心不重合或同时作用轴力及弯矩时，该构件称为偏心受压构件。,单向偏心受压,双向偏心受压,受压构件,轴心受压构件,偏心

2、受压构件,单向偏心受压构件,双向偏心受压构件,只在一个主轴方向有偏心矩,两个主轴方向均有偏心距,5.1 受压构件一般 构造要求,5.1.1 截面形式和尺寸： 轴心受压：一般采用方形、圆形和正多边形 偏心受压构件：一般采用矩形、工字形、 T形和环形， 单层工业厂房的预制柱常采用工字形截面。 圆形截面主要用于桥墩、桩和公共建筑中的柱。 柱的截面尺寸不宜过小，矩形截面的最小尺寸不宜小于250mm，同时截面的长边h与短边b的比值常选用h/b=1.53.0。一般应控制在l0/b30及l0/h25。 当柱截面的边长在800mm以下时，一般以50mm为模数，边长在800mm以上时，以100mm为模数。 工字

3、形截面柱，翼缘厚度不宜小于120mm，腹板厚度不宜小于100mm，抗震区宜适当加厚。,5.1.2 材料强度： 混凝土：受压构件的承载力主要取决于混凝土强度，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C25C40，在高层建筑的底层柱，必要可采用高强度混凝土（C50C60级混凝土也经常使用）。 钢筋：不宜过高。 纵筋： HRB335级、 HRB400级和 RRB400级 箍筋：HPB235级、HRB335级， 也可采用HRB400级,5.1.2 材料强度： 混凝土：一般应采用强度等级较高的混凝土。常用C25C40，在高层建筑的底层柱，必要可采用高强度混凝土（C50C6

4、0级）。 钢筋：不宜过高。 纵筋： HRB400级、HRB400级和 HRB500级 箍筋：HPB300级、HRB335级， 也可采用HRB400级,5.1.3 纵向钢筋,1、配筋率,从经济和施工及受力性能等方面考虑，全截面纵向钢筋的配筋率不得大于5%；,2、直径、根数与布置 柱中应选用根数较少，直径较粗的钢筋，但根数不得少于4根； 柱中纵筋的直径不宜小于12mm，常用1632mm，宜用粗钢筋，圆形截面根数不宜少于8根，不应少于6根，且应沿周边均匀布置。轴心受压构件的纵向钢筋沿周边均匀布置。 偏心受压构件的纵向钢筋放置在偏心方向截面的两边，偏心受压柱当h600mm 时，在侧面应设置直径不小于1

5、0mm的纵向构造钢筋，并相应地设置复合箍筋或拉筋。,3、纵筋的连接 柱中纵筋的搭接方式可以采用机械连接，也可以采用焊接接头或绑扎搭接，接头应设在受力较小处，宜在各层楼面处500mm1200mm范围内，通常是将下层柱的纵筋伸出楼面一段距离，与上层柱纵筋相搭接，搭接长度应满足规范要求。对于直径大于28mm的受拉钢筋和直径大于32mm的受压钢筋，不宜采用绑扎搭接。,纵向钢筋的保护层厚度要求不小于30mm或纵筋直径d。纵筋的净距不应小于50mm，纵筋的净距不宜大于300mm,6.1.4 箍 筋： 受压构件中箍筋应采用封闭式。箍筋末端应做成135的弯钩，弯钩末端平直段长度不应小于5倍箍筋直径。 一般采用

6、HPB235级钢筋 。 直径：不应小于d/4，且不小于6mm，此处d为纵筋的最大直径。 间距：对绑扎钢筋骨架，箍筋间距不应大于15d；对焊接钢筋骨架不应大于20d（d为纵筋的最小直径）且不应大于400mm，也不应大于截面短边尺寸 间距min15d（绑扎钢筋骨架）或20d（焊接钢筋骨架）， 400mm，截面短边尺寸b, 当柱中全部纵筋的配筋率超过3%，箍筋直径不宜小于8mm，箍筋间距不应大于10倍纵筋最小直径，也不应大于200mm；且箍筋末端应作成135的弯钩，弯钩末端平直段长度不应小于5倍箍筋直径，或焊成封闭式。,当柱截面短边不大于400mm，且纵筋不多于四根时，可不设复合箍筋。,当柱截面短边

7、大于400mm，且各边纵向钢筋多于3根或当柱截面短边不大于400mm，但各边纵筋配置根数超过4根时，时，应设置复合箍筋。,设置附加箍筋时，其布置要求是使纵向钢筋每隔一根位于箍筋转角处。, 对截面形状复杂的柱，不得采用具有内折角的箍筋，因为内折角箍筋受力后有拉直的趋势，产生向外的拉力，使折角处混凝土破损崩裂。,正确,错误！,正确,错误！,不得采用具有内折角的箍筋,正确,错误！,正确,错误！,分离式箍筋,内折角,6.2 轴心受压构件的承载力计算, 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

8、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。,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？,6.2.1 轴心受压普通钢箍柱（Column with Ties）,纵筋的作用： 协助混凝土受压以减小截面尺寸 承担可能存在的不大的弯矩作用 防止构件的突然脆性破坏。,普通钢箍的作用： 防止纵筋压屈； 承受可能存在的不大的剪力； 与纵筋形成钢筋骨架以便于施工。,1、破坏形态 短柱受荷以后，截面应变为均匀分布。 当荷载较小时，混凝土和钢筋都处于弹性变形阶段，纵筋和混凝土压应力的增加也与荷载的增加成

9、正比。 当荷载较大时，由于混凝土塑性变形的发展，压缩变形发展的速度快于荷载增长的速度。,随着荷载的增加，柱中开始出现微细裂缝，在临近极限荷载时，柱子四周出现明显的纵向裂纹，对于配置HPB235、HRB335、HRB400级钢筋的构件，在混凝土到达最大应力fc以前，钢筋已到达其屈服强度，荷载仍可继续增长，钢筋应力则保持在fy 。 当混凝土的压应变到达其极限值0时，保护层混凝土开始剥落，中间部分混凝土压酥、压碎，构件到达其极限承载力，柱子即告破坏，破坏时箍筋之间的纵筋发生压屈并向外凸出。,一、轴心受压构件的受力性能 （Behavior of Axial Compressive Member）,轴心

10、受压构件可按长细比的不同分为短柱和长柱。,矩形截面轴心受压短柱,1、破坏形态,第一阶段：加载至钢筋屈服,第二阶段：钢筋屈服至混凝土压碎,对于配置HPB235、HRB335、HRB400级钢筋的构件，钢筋已到达其屈服强度; 混凝土到达最大应力fc; 当混凝土的压应变到达其极限值0时，构件到达其极限承力， 破坏时箍筋之间的纵筋发生压屈并向外凸出。,2、钢筋的受压强度,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,轴心受压短柱中，当钢筋的强度超过400N/mm2时，其强度得不到充分发挥,短柱的受压承载力,细长轴心受压构件的承载力降低的现象

11、,初始偏心距,侧向挠度和附加弯矩,加大了原来的初始偏心距,构件承载力降低,矩形截面轴心受压长柱,在未达到材料破坏的承载力以前，由于侧向挠度增大而发生失稳破坏。,轴心受压长柱,稳定系数,稳定系数j 主要与柱的长细比l0/b有关,稳定系数j 的物理意义：表示长柱承载力的降低程度,混凝土结构设计规范中，为安全计，取值小于上述结果,钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数j,l0为柱的计算长度，与柱两端的支承条件有关， b为矩形截面的短边边长， d为圆形截面柱的直径， i为异型截面柱的截面最小回转半径。,柱的长细比l0/b越大，稳定系数越小。 当l0/b8 或l0/i 28时，称为短柱，取 1.0。 随l0/

12、b 的增大， 值近乎线性减小，混凝土强度等级及配筋对的影响较小。,l0为柱的计算长度，与柱两端的支承条件有关。 构件计算长度l0， 当构件两端为固定时取0.5l； 当一端固定一端为不移动的铰时取0.7l； 当两端均为不移动的铰时取l； 当一端固定一端自由时取2l； l为构件支点间长度。l0 根据楼盖施工方法类型和柱段所在位置确定。,折减系数 0.9可靠度调整系数，是考虑初始偏心的影响，以及主要承受恒载作用的轴心受压柱的可靠性的。,二、承载力计算公式,当纵向钢筋配筋率大于0.03(3%)时，式中A应改用Ac=A-As 。,（6-1）,设计方法 （1）截面设计 已知：轴心压力设计值N，材料强度等级

13、 、 构件计算长度 ，截面面积bh 求：纵向受压钢筋面积 （2）截面复核,例3-3 (GB50010)某三跨三层现浇框架结构的底层内柱，轴向力设计值N=1300kN，基顶至二楼楼面的高度为H=4.8m，混凝土强度等级为C30，钢筋用HRB335级。试确定柱截面尺寸及纵筋面积。,解 由参考资料附表1和附表3分别查得C30砼 fc=14.3N/mm2，HRB335级钢,，根据构造要求，先假定柱截面尺寸为300mm300mm，,：由l0/b=4800/300=16，查表3-1得,计算长度l0，按表3-1规定得：,，满足最小配筋率的要求。,本例题完,三、徐变对轴心受压构件的影响,由于混凝土在长期荷载作

14、用下具有徐变性质，而钢筋在常温情况下没有徐变。因此，当轴心受压构件在恒定荷载的长期作用下，混凝土徐变将使构件中钢筋和混凝土的应力发生变化。,徐变系数（徐变应变/弹性应变）随时间的增长而增大，钢筋的压应力ss,t不断增大，混凝土中的压应力sc,t则不断减小。这种应力的变化是在外荷载没有变化的情况下产生的，称为徐变引起的应力重分布。 因此，徐变产生的应力重分布，对混凝土的压应力起着卸荷作用，配筋率r 越大，ss,t的增长越少，sc,t的卸载越多。,实验表明，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

15、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。,若在持续荷载过程卸载至零，由于混凝土的徐变变形大部分不可恢复，钢筋的徐变变形大部分可以恢复，此时钢筋将受压，混凝土受拉，两者自相平衡。如果徐变变形较大，配筋率又过高，则混凝土的残余拉应力有可能达到混凝土的抗拉强度而引起开裂。规范规定，柱中纵筋的配筋率小于5%。,6.2.2轴心受压螺旋钢箍柱（Column with Spiral）,1. 配筋形式,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,螺旋箍筋的约束使柱的承载力提高,2. 试验研究,螺旋钢箍的作用：是有效地约束混凝土受压时的横向变形，使核心区混凝土处于三向受

16、压状态，使截面核心部分的混凝土形成约束混凝土，从而提高了其抗压强度， 提高构件的承载力和延性。,破坏时柱的变形可达0.01以上，这反映了螺旋钢箍柱的受力特点，具有很大的承受后期变形的能力，表现出较好的延性。,混凝土圆柱体三向受压状态的纵向抗压强度,达到极限状态时（保护层已剥落，不考虑）,dcor- 构件的核心直径，按间接钢筋内表面确定；,Acor-构件的核心截面面积；,将螺旋筋按体积相等的条件，换算成纵向钢筋面积Asso ，即,Ass0- 螺旋钢筋的换算截面面积；,螺旋箍筋对混凝土约束的折减系数a，当fcu,k50N/mm2时，取a = 1.0；当fcu,k=80N/mm2时，取a =0.85

17、，其间直线插值。,（6-2）,需注意的几个问题： 1、 如螺旋箍筋配置过多，极限承载力提高过大，则会在远未达到极限承载力之前保护层产生剥落，从而影响正常使用。 规范规定： 按螺旋箍筋柱计算的承载力不应大于按普通箍筋柱计算的受压承载力的50%。,2、凡属下列情况之一者，不考虑间接钢筋的作用按普通钢箍柱计算构件的承载力： 长细比l0/d大于12的柱。对长细比过大柱，由于纵向弯曲变形较大，截面不是全部受压，螺旋箍筋的约束作用得不到有效发挥。 螺旋箍筋的换算面积Ass0小于全部纵筋As 面积的25% 按式（6-2）算得构件的承载力小于按式（6-1）算得构件的承载力,（6-1）,（6-2）,3、螺旋箍筋

18、的约束效果与其截面面积Ass1和间距s有关，为保证约束效果，规范规定： 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。 40mmsmindcor/5，80mm,例3-4 (GB50010)已知某公共建筑底层门厅内现浇钢筋混凝土圆柱，承受轴心压力设计值N=5200kN。该柱的截面尺寸d=550mm。柱的计算长度l0=5.2m。混凝土强度等级为C30（fc=14.3N/mm2），柱中纵筋用HRB335级（ ）,，箍筋用HPB235级（ ）,。求该柱的配筋。,解 先按配有纵筋和箍筋柱计算。 （1）计算稳定系数值,查表得： =0.99,（2）求纵筋,，已

19、知，圆形混凝土截面面积为,（3）求配筋率,配筋率较高，并因 l0/d12，可采用加配螺旋箍筋的办法以提高柱的承载能力。下面就按配有纵筋和螺旋箍筋柱来计算,（4）假定纵筋配筋率 ，,则得,选用16根直径22的HRB335级钢筋，得到真实的,混凝土的保护层取用25mm,，得到,dcor=d-2c=550-252=500mm,（5）按式（3-7）求螺旋筋的核算截面面积Asso得,因为砼为C30C50，故间接钢筋对混凝土约束的折减系数=1.0 。将数值代入上式，得,，满足构造要求。,（6）假定螺旋箍筋直径d=10mm，则单肢螺旋筋面积Ass1=78.5mm2。螺旋筋的间距s可求得：,取s=40mm，满足不小于40mm，并不大于80mm及0.2dcor的要求。,（7）根据所配置的螺旋箍筋d=10mm，s=40mm，重新求得间接配筋柱的轴向力设计值Nu如下：,按式（3-1）得,由于,说明该柱能承受的最大的轴心压力设计值可达5333.7kN。,本例题完,