【混凝土结构】第5章 受压构件的截面载力

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1、第 5章 受压构件的截面承载力教学要求： 1 理解轴心受压螺旋筋柱间接配筋的原理；2 深刻理解偏心受压构件的破坏形态和矩形截面受压承载力的计算简图和基本计算公式； 3 熟练掌握矩形截面对称配筋偏心受压构件的受压承载力计算； 4 领会受压构件中纵向钢筋和箍筋的主要构造要求。5.1 受压构件一般构造要 求5.1 截面形式及尺寸 为便于制作模板，轴心受压构件截面一般采用 方形或矩 方形或矩 方形或矩 方形或矩形 形 形 形 ，有时也采用圆形或多边形。偏心受压构件一般采用矩形截面，但为了节约混凝土和减轻柱的自重，特别是在装配式柱中， 较大尺寸的柱常常采用 形截面。拱结构的肋常做成 T形截面。采用离心法

2、制造的柱、桩、电杆以及烟囱、水塔支筒等常采用环 形截面。 方形柱的截面尺寸不宜小于 250m 250m。为了避免矩形截面轴心受压构件长细比过大，承载力降低过多，常取 l0/b 30, l0/h 25。此处 l0为柱的计算长度， b为矩形截面短边边长， h为长边边长。此外，为了施工支模方便，柱截面尺寸宜采用整 数， 80m及以下的，宜取 50m的倍数， 80m以上的，可取10m的倍数。 对于 I形截面， 翼缘厚度不宜小于 翼缘厚度不宜小于 翼缘厚度不宜小于 翼缘厚度不宜小于 120m，因为翼缘太薄，会使构件过早出现裂缝，同时在靠近柱底处的混凝土容易在车间 生产过程中碰坏，影响柱的承载力和使用年限

3、。腹板厚度不宜小于 10m，地震区采用 I形截面柱时，其腹板宜再加厚些。 混凝土强度等级对受压构件的承截能力影响较大。为了减小构件的截面尺寸，节省钢材，宜采用较高强 度等级的混凝土。一般采用 C30、 、 、 、 C35、 、 、 、 C40，对于高层建筑的底层柱，必要时可采用高强度等级的混凝土。 纵向钢筋一般采用 HRB400级、 级、 级、 级、 RRB400级和 级和 级和 级和 HRB500级钢筋，不宜采用高强度钢筋，这是由于它与混凝土共同 受压时，不能充分发挥其高强度的作用。箍筋一般采用 HRB400级、 级、 级、 级、 HRB335级钢筋，也可采用 HPB300级钢筋。5.1.2

4、 材料强度要求 柱中纵向钢筋直径不宜小于 12m；全部纵向钢筋的配筋率不宜大于 5%(详见 5.21节末 )； 全部纵向钢筋配率不应小于附表 4-5中给出的最小配筋百分率 min(%)，且截面一侧纵向钢筋配筋率不应小于 0.2%。图 5-1 方形、矩形截面箍筋形式5.1.3 纵筋5.1.4 箍筋 为了能箍住纵筋，防止纵筋压曲，柱及其他受压构 件中的周边箍筋应做成封闭 式；其间距在绑扎骨架中不 应大于 15d(d为纵筋最小直径 )，且不应大于 400mm,也不大于构件横截面的短边尺 寸。 箍筋直径不应小于 d/4(d为纵筋最大直径 )，且不应小于 6mm。 图 5-1 方形、矩形截面箍筋形式图

5、5-2 I形、 L形截面箍筋形式5.2 轴心受压构件正截面受压承载力 在实际工程结构中，由于混凝土材料的非匀质性，纵向钢筋的不对称布置，荷载作用位置的不准确及施工时不可避免的 尺寸误差等原因，使得真正的轴心受压构件几乎不存在。但在 设计以承受恒荷载为主的多层房屋的内柱及桁架的受压腹杆等 构件时，可近似地按轴心受压构件计算。另外，轴心受压构件正截面承载力计算还用于偏心受压构件垂直弯矩平面的承载力 验算。 一般把钢筋混凝土柱按照箍筋的作用及配置方式的不同分为两种：配有纵向钢筋和普通箍筋的柱，简称 普通箍筋柱 普通箍筋柱 普通箍筋柱 普通箍筋柱 ；配有纵向钢筋和螺旋式或焊接环式箍筋的柱，统称 螺旋箍

6、筋柱 螺旋箍筋柱 螺旋箍筋柱 螺旋箍筋柱 。5.2.1 轴心受压普通箍筋柱的正截面受压承载力计算图 5-3 配有纵筋和箍筋的柱 1 受力分析和破坏形态图 5-4 应力 -荷载曲线示意图 图 5- 短柱的破坏图 5-6 长柱的破坏试验表明，长柱的破坏荷载低于其他条件相同的短柱破坏荷载，长细比越大， 承载能力降低越多。其原因在于，长细比 越大，由于各种偶然因素造成的初始偏心 距将越大，从而产生的附加弯矩和相应的 侧向挠度也越大。对于长细比很大的细长 柱，还可能发生失稳破坏现象。此外，在长期荷载作用下，由于混凝土的徐变，侧向挠度将增大更多，从而使 长柱的承载力降低的更多，长期荷载在全 部荷载中所占的

7、比例越多，其承载力降低 的越多。 混凝土结构设计规范 采用稳定系数 来表示长柱承载力的降低程度2 承载力计算公式图 5-8 普通箍筋柱正截面受压承载力计算简图)(9.0 sycu AfAfN += 构件计算长度与构件两端支承情况有关，当两端铰支时，取 l0=l(是构件实际长度 )；当两端固定时，取 l0 .5l；当一端固定，一端铰支时，取 l0= .7l；当一端固定，一端自由时取 l0 2l。在实际结构中，构件端部的连接不像上面几种 情况那样理想、明确，这会在确定 l0时遇到困难。为此 混凝土结构设计规范 对单层厂房排架柱、框架柱等的计算长 度作了具体规定，分别见中册第 12、 13章。图 5

8、-9 长期荷载作用下截面上混凝土和 钢筋的应力重分布(a)混凝土； (b)钢筋轴心受压构件在加载后荷载维持不变的条件下，由于混凝土徐变，则随着荷载作用时间的增加，混凝土的压应力逐渐变小，钢筋的压应力逐渐变大，一 开始变化较快，经过一定时间后趋于稳定。 在荷载突然卸载时，构件回弹，由于混凝土徐变变形的大部分不可恢复，故当荷载为零时，会使柱中钢筋受压而混凝土受拉，见图 5-9；若柱的配筋率过大，还可能将混凝土拉裂，若柱中纵筋和混凝土之间有很强结应力时，则能 同时产生纵向裂缝，这种裂缝更为危险。为了防止出现这种情况，故要控制柱中纵筋的配筋率， 要求全部纵筋配筋率不宜超过 要求全部纵筋配筋率不宜超过

9、要求全部纵筋配筋率不宜超过 要求全部纵筋配筋率不宜超过 5%。5.2.2 轴心受压螺旋箍筋柱的正截面受压承截力计算图 5-10 螺旋箍筋和焊接环筋柱螺旋箍筋柱和焊接环筋柱的配箍率高，而且不会像普通箍筋 那样容易 “ 崩出 ” ，因而能约束核心混凝土在纵向受压时产生的 横向变形，从而提高了混凝土抗 压强度和变形能力，这种受到约 束的混凝土称为 “ 约束混凝土 约束混凝土 约束混凝土 约束混凝土 ” 。在柱的横向采用螺旋箍筋或焊接环筋也能像直接配置纵向钢筋那样起到提高承载力和变形能力的作用，故把这种配 筋方式称为 “ 间接配筋 间接配筋 间接配筋 间接配筋 ” 。图 5-1 混凝土径向压力示意图1

10、 1 02102 2 24ys yscor ysr cor corcorcorssfAfAdfAsd dsdAAs = =0( )2uc rcor ysuccor ys ysNf AfANfAfAfA=+ +=+2/=令 00.9( 2 )u ccorys ysNfAfAfA= + + 称为间接钢筋对 混凝土约束的折减系数 混凝土约束的折减系数 混凝土约束的折减系数 混凝土约束的折减系数 ，当混凝土强度等级不超过 C50时，取 1.0；当混凝土强度等级为 C80时，取 0.85；当混凝土强度等级在 C50与 C8之间时，按直线内插法确定。 为使间接钢筋外面的混凝土保护层对抵抗脱落有足够的安全，

11、按式 (5-9)算得的构件承载力 不应 不应 不应 不应 比按式 (5-4)算得的大 50。 凡属下列情况之一者，不考虑间接钢筋的影响而按式 (5-4)计算构件的承载力： (1)当 l0/d 12时，此时因长细比较大，有可能因纵向弯曲引起螺旋筋不起作用； (2)当按式 (5-9)算得受压承载力小于按式 (5-4)算得的受压承载力时；(3)当间接钢筋换算截面面积 As0小于纵筋全部截面面积的 25时，可以认为间接钢筋配置得太少，套箍作用的效果不明显。 如在正截面受压承载力计算中考虑间接钢筋的作用时，箍筋间距不应大于 80m m 及 dcor/5,也不小于 40m m 。间接钢筋的直径按箍筋有关规

12、定采用。5.3 偏心受压构件正截面受压破坏形态5.3.1 偏心受压短柱的破坏形态 试验表明，钢筋混凝土偏心受压短柱的破坏形态有受拉破坏和受压破坏两 种破坏形态。1 受拉破坏形态 受拉破坏又称大偏心受压破坏，它发生于轴向压力 N的相对偏心距较大，且受拉钢筋配置得不太多时。 图 5-12 受拉破坏时的截面应力和受拉破坏形态 (a)截面应力； (b) 受拉破坏形态 受拉破坏形态的特点是受拉钢筋先达到屈服强度，最终导致压区混凝土压碎截面破坏。这种 破坏 破坏 破坏 破坏形态与适筋梁的破坏形态相似。 形态与适筋梁的破坏形态相似。 形态与适筋梁的破坏形态相似。 形态与适筋梁的破坏形态相似。 受压破坏形态又

13、称小偏心受压破坏，截面破坏是从受压区开始的。图 5-13 受压破坏时的截面应力和受压破 坏形态(a)、 (b) 截面应力； (c) 受压破坏形态受压破坏形态或称小偏心受压破坏形 态的特点是混凝土先 被压碎，远侧钢筋可 能受拉也可能受压， 但基本上都不屈服， 属于 脆性破坏 脆性破坏 脆性破坏 脆性破坏 类型。2 受压破坏形态 在 “ 受拉破坏形态 ” 与 “ 受压破坏形态 ” 之间存在着一种界限破坏形态，称为 “ 界限破坏 界限破坏 界限破坏 界限破坏 ” 。它不仅有横向主裂缝，而且比较明显。其主要特征是：在 受拉钢筋应力达到屈服强度的同时，受 压区混凝土被压碎。界限破坏形态也属 于受拉破坏形

14、态。试验还表明，从加载开始到接近破坏为止，沿偏心受压构件截面高度，用 较大的测量标距量测到的偏心受压构件 的截面各处的平均应变值都较好地符合 平截面假定。图 5-14 反映了两个偏心受压试件中，截面平均应变沿截面高度 变化规律的情况。 图 5-14 偏心受压构件截面实测的 平均应变分布(a)受压破坏情况 e0/h0=.24；(b) (b) 受拉破坏情况 0/0.685.3.2 偏心受压长柱的破坏类型图 5-1 长柱实测 N-f曲线 偏心受压长柱在纵向弯曲影响下，可能发生失稳破坏和材料破坏两种破坏类型。长细比很大时，构件的破坏不是由材料引起的，而是由于构件纵向弯曲失去 平衡引起的，称为 “ 失稳

15、破坏 失稳破坏 失稳破坏 失稳破坏 ” 。当柱长细比在一定范围内时，虽然在承受偏心受压荷载后，偏心距由 ei增加到 ei+f，使柱的承载能力比同样截面的短柱减小，但就其破坏特征来讲与短柱一样都属于 “ 材料破坏 材料破坏 材料破坏 材料破坏 ” ，即因截面材料强度耗尽而产生破坏。 在图 5 -16中，示出了截面尺寸、配筋和材料强度等完全相同，仅长细比不 相同的 3根柱，从加载到破坏的示意图。图 5-16 不同长细比柱从加荷到破坏的 N-M关系5.4 偏心受压构件的二阶效应 轴向压力对偏心受压构件的侧移和挠曲产生附加弯矩和附加曲率的荷载效应称 为偏心受压构件的二阶荷载效应，简称 二 二 二 二阶效应 阶效应 阶效应 阶效应 。其中，由侧移产生的二阶效应，习称 P- 效应；由挠曲产生的二阶效应，习称 效应。1 杆端弯矩同号时的二阶效应(1)控制截面的转移图 5-17 杆端弯矩同号时的二阶效应 (P- 效应 )5.4.1 由挠曲产生的二阶效应 (P- )效应(2)考虑二阶效应的条件 杆端弯矩同号时，发生控制截面转移的情况是不普遍的，为了减少计算工作量， 混凝土结构设计规范 规定，当只要满足下述三个条件中的一个条件时，就要考虑二阶效应： M1/M2 0.9或 轴压比 N/fcA 0.9或