《混凝土结构设计原理课件第5章-受压构件正截面的性能与设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《混凝土结构设计原理课件第5章-受压构件正截面的性能与设计（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 受压构件正截面的性能与设计,本章主要内容,轴心受压构件承载力计算 偏心受压不对称配筋构件承载力计算 偏心受压对称配筋构件承载力计算 I形截面偏心受压构件承载力计算,受压构件往往在结构具有重要作用，一旦产生破坏，将导致整个结构的损坏，甚至倒塌。,受压构件正截面承载力,提要 轴心受压构件 普通箍筋轴心受压构件 螺旋箍筋轴心受压构件 偏心受压构件 矩形截面偏心受压构件（不对称、对称配筋） 工字形截面偏心受压构件（不对称、对称配筋） 大偏心受压构件 小偏心受压构件 重点：矩形截面构件（不对称、对称配筋）,长柱和短柱的破坏特点 稳定系数 受压承载力设计表达式,5.1 轴心受压构件承载力计算,轴心
2、受力构件的实际应用,框架结构中的柱 (Columns of Frame Structure),屋架结构中的上弦杆 (Top Chord of Roof Truss Structure),轴心受力构件的实际应用,桩基础 (Pile Foundation),轴心受力构件的实际应用,钢筋混凝土轴心受压构件的特点 可以充分发挥混凝土材料的强度优势 理想的轴心受压构件几乎是不存在的,构件存在一定的初始偏心距。 轴心受压构件的箍筋配置方式 普通箍筋柱 螺旋箍筋柱,普通箍筋柱,螺旋箍筋柱,5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力,纵筋的作用 承受部分轴力，减小构件截面尺寸 提高混凝土的变形能力 抵抗构件
3、偶然偏心产生的弯曲应力 减小混凝土的收缩与徐变变形,短柱与长柱（按长细比分）,窗间墙形成的短柱,门厅处的长柱,框架结构的长柱,箍筋的作用 与纵筋形成钢筋骨架 防止纵筋压屈（主要的） 对核心混凝土有一定的约 束作用（计算时一般不考虑）,5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力,短柱的试验研究 短柱的破坏过程 纵筋与混凝土的应力变化过程 试验结论,素砼的峰值压应变平均值为0.002； 钢筋混凝土峰值压应变可达0.005； 设计时，混凝土极限压应变取0.002； 相应纵筋的最大压应力： ss= 2.01050.002 = 400N/mm2,5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力,短柱的破坏
4、过程 轴力较小时，构件处于弹性阶段，钢 筋、混凝土应力线性增长； 轴力稍大时，混凝土出现塑性变形， 应力增长较慢，钢筋应力增长较快； 接近极限轴力时，钢筋应力达到屈服 强度，应力不变，混凝土应力增长较快， 最后混凝土被压碎而破坏。 两次应力重分布 弹性阶段末钢筋屈服：部分混凝土应力转由钢筋承受 钢筋屈服构件破坏：钢筋应力不变，混凝土应力增长,5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力,轴心受压短柱的破坏形态 构件中出现纵向裂缝，纵筋屈服，混 凝土达到极限压应变。 轴压构件，极限压应变取值 普通混凝土：0.002 相应的钢筋应力：,5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力,长柱的试验研究
5、长柱的破坏过程 破坏特点 存在初始偏心距 产生附加弯矩 产生相应的侧向挠度 使长柱在轴力和弯矩的共同作用下发生破坏 相同条件下,长柱破坏荷载低于短柱； 长细比越大，承载能力降低越多； 混凝土结构设计规范用稳定系数 来表示长柱承载力的降低程度,规范给出的稳定系数与长细比的关系,5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力,钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数,短柱：1.0,长柱： 根据 l0/i (或l0/b、l0/d) 查表,l0 构件的计算长度，与构件端部的支承条件有关。,两端铰,一端固定，一端铰支,两端固定,一端固定，一端自由,实际结构按 规范规定取值,1.0l,0.7l,0.5l,2.0l,
6、5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力,普通箍筋柱受压承载力的计算,计算简图,计算公式,当纵向钢筋配筋率大于3时，式中的A应改用 。,5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力,计算公式应用 截面设计 已知：截面尺寸（bh），材料强度，轴力设计值 求：受压钢筋面积 计算 l0/b 截面复核 已知：截面尺寸（bh），材料强度，受压钢筋面积 求：承载力Nu 计算 l0/b ,5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力,构造要求 混凝土强度等级一般应C25 纵向受力钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300
7、、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB335、HRBF335钢筋； 截面尺寸不宜小于250mm250mm，取50mm为模数； 纵筋不宜小于4根12mm，全部纵筋配筋率在12%之间为宜； 箍筋直径不应小于d/4(d为纵筋最大直径)且不应小于6mm，箍筋间距不应大于400mm及构件截面的短边尺寸； 箍筋应做成封闭式。,徐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。 如果突然卸载，则由于徐变变形大部分不能回复，将使钢筋受压、混凝土受拉。如果徐变变形较大，配筋率又过高，则混
8、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。 max = 5%,徐变对轴心受压构件的影响,5.1.2 轴心受压螺旋式箍筋柱受压承载力计算,螺旋箍筋柱的受力特点 螺旋筋或焊接环筋又称间接钢筋 核心区混凝土处于三轴受压状态 混凝土纵向抗压强度满足,螺旋筋或焊接环筋,核心区混凝土处于 三轴受压状态,5.1.2 轴心受压螺旋式箍筋柱受压承载力计算,螺旋箍筋柱破坏特点 当轴力较大时，柱产生纵向裂缝，横向变形增大，螺旋箍筋阻止混凝土横向变形，使核心混凝土处于三轴受力状态。轴力达到一定值时，混凝土保护层剥落。箍筋屈服后，构件破坏。 约束混凝土的轴心抗压强度,5.1.2 轴心受压螺旋式箍筋柱受压承载
9、力计算,螺旋箍筋柱受压承载力计算公式 ：螺旋式或焊接环式间接钢筋的换算截面面积（把间距为s的箍筋，按体积相等换算成纵向钢筋）； ：间接钢筋对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，其间按线性内插法确定。,5.1.2 轴心受压螺旋式箍筋柱受压承载力计算,利用平衡条件求径向压应力sr,Ass1为单根间接钢筋的截面面积 Acor为构件核心区截面面积 Ass0为间接钢筋的换算截面面积 Ass0=dcorAss1 / s,承载力计算公式及应用,螺旋箍筋计算的承载力不应小于按普通箍筋柱的受压承载力，不应大于按普通箍筋柱受压承载力的1.5倍；
10、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As 面积的25%； 螺旋箍筋的间距s不应大于80mm 及dcor/5，也不应小于40mm。,混凝土结构设计规范有关螺旋箍柱计算公式的规定,5.1.2 轴心受压螺旋式箍筋柱受压承载力计算,两类偏心受压的破坏形态 两类偏心受压破坏的界限 长柱的二阶效应,5.2 偏心受压构件正截面受力性能分析,偏心受压构件（压弯构件）,5.2.1破坏形态,偏心距e0=0时，为轴心受压构件； 当e0时，即N=0时，为受弯构件； 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； 建筑结构中的钢筋混凝土柱子
11、绝大多数均为压弯构件。 破坏形态与相对偏心距和纵筋数量有很大关系,5.2.1破坏形态,极限状态时的截面应力、应变分布,受拉破坏(大偏心受压破坏) 当相对偏心距e0 / h0较大，且As配置的不过多时会出现受拉破坏。受拉破坏也称为大偏心受压破坏。 应力应变的分布 破坏特点,5.2.1 破坏形态,大偏心受压破坏的主要特征是破坏从受拉区开始，受拉钢筋首先屈服，而后受压区混凝土被压坏。 受拉和受压钢筋均可以达到屈服。,受压破坏(小偏心受压破坏) 当相对偏心距e0 / h0较小，或虽然相对偏心距e0 / h0较大，但受拉钢筋As配置较多时,会出现受压破坏。受压破坏也称为小偏心受压破坏。 当相对偏心距e0
12、 / h0很小时，构件截面将全部受压。 破坏特点,5.2.1 破坏形态,由于混凝土受压而破坏，压应力较大一侧钢筋能够达到屈服强度，而另一侧钢筋受拉不屈服或者受压不屈服。,5.2.1 破坏形态,受压破坏 当相对偏心距e0 / h0较小，或虽然相对偏心距e0 / h0较大，但受拉钢筋As配置较多时 受拉边出现横向裂缝，裂缝开展与延伸不明显，受拉钢筋应力达不到屈服强度，最后受压区混凝土被压坏。 当相对偏心距e0 / h0很小时，构件全截面受压，破坏从压应力较大边开始，该侧钢筋应力一般能达到屈服强度，另一侧钢筋应力一般能达不到屈服强度。 若相对偏心距e0 / h0更小时，也可能发生离纵向力较远一侧的混
13、凝土压坏。,界限破坏 在“受拉破坏”和“受压破坏”之间存在一种界限状态，称为“界限破坏”。 受拉钢筋应力达到屈服强度的同时受压区边缘混凝土刚好达到极限压应变，就是区分两类偏心受压破坏的界限状态。 界限状态时的截面应变,5.2.2 两类偏心受压破坏的界限,大、小偏心受压构件的判别条件 当x xb 时，为大偏心受压 当x xb 时，为小偏心受压,偏心距e0 当截面上作用的弯矩设计值为M，轴向压力设计值为N时，其偏心距e0=M/N,5.2.3 附加偏心距、初始偏心距,附加偏心距ea 由于工程中实际存在着荷载作用位置的不定性、混凝土质量的不均匀性及施工的偏差等因素，都可能产生附加偏心距ea。 附加偏心
14、距 ea 的取值 规范规定: ea =max20mm, 偏心方向截面最大尺寸的1/30 ,初始偏心距ei 在偏心受压构件正截面承载力计算中，考虑了附加偏心距后，轴向压力的偏心距用 ei 表示，称为初始偏心距； 初始偏心距 ei = e0+ ea （对两类偏心受压构件均应考虑）,偏心受压短柱 对于长细比较小的柱来讲，其纵向弯曲很小，可以忽略不计。,5.2.4 偏心受压长柱的二阶弯矩,偏心受压长柱 对于长细比较大的柱，其纵向弯曲较大，从而使柱产生二阶弯矩，降低柱的承载能力，设计时必须予以考虑。,长细比对柱压弯承载力的影响 材料破坏 oa, ob 失稳破坏 oc,二阶效应 效应 对无侧移的框架结构，
15、二阶效应是指轴向压力在产生了挠曲变形的柱段中引起的附加内力； P效应 对于有侧移的框架结构，二阶效应主要是指竖向荷载在产生了侧移的框架中引起的附加内力。,5.2.5 偏心受压长柱的二阶弯矩,规范对二阶效应的分析方法 P效应 计算机计算 “考虑几何非线性的弹性有限元法” 手算“层增大系数法”或“整体增大系数法” 效应 法,结构无侧移时偏心受压构件的二阶弯矩 (1)构件两端弯矩值相等,图示构件两端作用轴向压力N和相等的端弯矩M0= N e0。在M0作用下，构件将产生如图虚线所示的弯曲变形，其中y0表示仅由弯曲引起的侧移；当N作用时，开始时各点力矩将增加一个数值Ny0，并引起附加侧移而最终至y。在M
16、0和N同时作用下的侧移曲线如图a所示实线。 构件两端弯矩值相等，附加弯矩和挠度大.,(2) 构件两端弯矩值不相等但符号相同,构件两端弯矩值不相等但符号相同时，附加弯矩和挠度较大。,(3) 构件两端弯矩值不相等且符号相反,弯矩和附加挠度不增加，或增加较少,根据上述分析，可得以下几点结论： 1) 当一阶弯矩最大处与二阶弯矩最大处相重合时，弯矩增加最多，即临界截面上的弯矩最大； 2) 当两个端弯矩值不相等但符号相同时，弯矩仍将增加较多； 3) 当构件两端弯矩值不相等且符号相反时，沿构件产生一个反弯点，弯矩增加很少，考虑二阶效应后的最大弯矩值不会超过构件端部弯矩或有一定增大。,对图5-14 5-1所示压弯构件，弹性稳定理论分析结果表明， 考虑二阶效应的构件临界截面的最大挠度 y 和弯矩 M 可分别表 示为 构件临界截面弯矩的增大取决于两端弯矩的相对值，另外上 式是假
