混凝土结构设计原理课件受压构件正截面的性能与设计.pptx
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1、河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院p本本章章主主要要内内容容轴心受压构件承载力计算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形截面偏心受压构件承载力计算河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院受压构件往往在结构具有重要作用,一旦产生破坏,将导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。致整个结构的损坏,甚至倒塌。河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院受压构件正截面承载力提要n轴心受压构件轴心
2、受压构件 普通箍筋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螺旋箍筋轴心受压构件n偏心受压构件偏心受压构件 矩形截面偏心受压构件(矩形截面偏心受压构件(不对称不对称、对称配筋对称配筋)工字形截面偏心受压构件(工字形截面偏心受压构件(不对称不对称、对称配筋对称配筋)大偏心大偏心受压构件受压构件 小偏心小偏心受压构件受压构件重点重点:矩形截面构件(:矩形截面构件(不对称不对称、对称配筋对称配筋)河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院p 长柱和短柱的破坏特点长柱和短柱的破坏特点p 稳定系数稳定系数p 受压承载力设计表达式受压承载力设计表达式河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土
3、木建筑学院n 轴心受力构件的实际应用轴心受力构件的实际应用框架结构中的柱框架结构中的柱 (Columns of Frame Structure)(Columns of Frame Structure)河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院屋架结构中的上弦杆屋架结构中的上弦杆 (Top Chord of Roof Truss Structure)(Top Chord of Roof Truss Structure)n 轴心受力构件的实际应用轴心受力构件的实际应用河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院桩基础桩基础 (Pile Foundation)(Pile Foundatio
4、n)n 轴心受力构件的实际应用轴心受力构件的实际应用河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院n 钢筋混凝土轴心受压构件的特点钢筋混凝土轴心受压构件的特点p可以充分发挥混凝土材料的强度优势可以充分发挥混凝土材料的强度优势p理想的轴心受压构件几乎是不存在的理想的轴心受压构件几乎是不存在的,构件存在一定构件存在一定的初始偏心距。的初始偏心距。p轴心受压构件的箍筋配置方式轴心受压构件的箍筋配置方式n普通箍筋柱普通箍筋柱n螺旋箍筋柱螺旋箍筋柱h hb bs ss s普通箍筋柱普通箍筋柱DDs ss s螺旋箍筋柱螺旋箍筋柱箍筋箍筋纵筋纵筋河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.1轴
5、心受压普通箍筋柱正截面受压承载力n 纵筋的作用纵筋的作用p承受部分轴承受部分轴力,减小力,减小构件构件截面尺寸截面尺寸p提高混凝土的变形能力提高混凝土的变形能力p抵抗构件偶然偏心产生的弯曲应力抵抗构件偶然偏心产生的弯曲应力p减小混凝土的收缩与徐变变形减小混凝土的收缩与徐变变形n 短柱与长柱(按长细比分)短柱与长柱(按长细比分)窗间墙形成的短柱窗间墙形成的短柱门厅处的长柱门厅处的长柱框架结构的长柱框架结构的长柱箍筋的作用箍筋的作用 与纵筋形成钢筋骨架与纵筋形成钢筋骨架 防止纵筋压屈(主要的)防止纵筋压屈(主要的)对核心混凝土有一定的约对核心混凝土有一定的约 束作用(计算时一般不考虑)束作用(计算
6、时一般不考虑)河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力n 短柱的试验研究短柱的试验研究p短柱的破坏过程短柱的破坏过程p纵筋与混凝土的应力变化过程纵筋与混凝土的应力变化过程p试验结论试验结论NN应应力力轴力轴力混凝土的应力增长混凝土的应力增长纵筋的应力增长纵筋的应力增长n素砼的峰值压应变平素砼的峰值压应变平均值为均值为0.002;n钢筋混凝土峰值压应钢筋混凝土峰值压应变可达变可达0.005;n设计时,混凝土极限设计时,混凝土极限压应变取压应变取0.002;n相应纵筋的最大压应相应纵筋的最大压应力:力:s ss=2.01050.002 =400N
7、/mm2河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院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过程短柱的破坏过程n轴力较小时轴力较小时,构件处于弹性阶段,钢,构件处于弹性阶段,钢筋、混凝土应力线性增长;筋、混凝土应力线性增长;n轴力稍大时轴力稍大时,混凝土出现塑性变形,混凝土出现塑性变形,应力增长较慢,钢筋应力增长较快;应力增长较慢,钢筋应力增长较快;n接近极限轴力时接近极限轴力时,钢筋应力达到屈服,钢筋应力达到屈服强度,应力不变,混凝土应力增长较快,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。最后混凝土被压碎而破坏。两次应力重分布两次应力重分布 弹性阶段末弹性
8、阶段末钢筋屈服钢筋屈服:部分混凝土应力转由钢筋承受:部分混凝土应力转由钢筋承受 钢筋屈服钢筋屈服构件破坏构件破坏:钢筋应力不变,混凝土应力增长:钢筋应力不变,混凝土应力增长河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力n轴心受压短柱的破坏形态轴心受压短柱的破坏形态 构件中出现纵向裂缝,纵筋屈服,混构件中出现纵向裂缝,纵筋屈服,混凝土达到极限压应变。凝土达到极限压应变。n轴压构件,极限压应变取值轴压构件,极限压应变取值 普通混凝土:普通混凝土:0.0020.002 相应的钢筋应力相应的钢筋应力:河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.
9、1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力n 长柱的试验研究长柱的试验研究p长柱的破坏过程长柱的破坏过程p破坏特点破坏特点n存在初始偏心距存在初始偏心距n产生附加弯矩产生附加弯矩n产生相应的侧向挠度产生相应的侧向挠度n使长柱在轴力和弯矩的共同作用下发生破坏使长柱在轴力和弯矩的共同作用下发生破坏p相同条件下相同条件下,长柱破坏荷载低于短柱;长柱破坏荷载低于短柱;p长细比长细比越大,承载能力降低越多;越大,承载能力降低越多;p混混凝凝土土结结构构设设计计规规范范用用稳稳定定系系数数 来表示长柱承载力的降低程度来表示长柱承载力的降低程度N NN N横向裂缝横向裂缝纵筋压屈纵筋压屈河南工业大学土木建筑学院河
10、南工业大学土木建筑学院l l0 0/b/bl l0 0/d/dl l0 0/i/il l0 0/b/bl l0 0/d/dl l0 0/i/i 8 87 728281.01.0303026261041040.520.5210108.58.535350.980.98323228281111110.480.48121210.510.542420.950.95343429.529.51181180.440.441414121248480.920.92363631311251250.40.41616141455550.870.87383833331321320.360.36181815.515.562
11、620.810.81404034.534.51391390.320.322020171769690.750.75424236.536.51461460.290.292222191976760.70.7444438381531530.260.262424212183830.650.65464640401601600.230.23262622.522.590900.60.6484841.541.51671670.210.212828242497970.560.56505043431741740.190.19规范规范给出的稳定系数与长细比的关系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
12、正截面受压承载力n 钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院 短柱:短柱:1.0长柱:长柱:根据根据 l0/i(或或l0/b、l0/d)查表查表l0 构件的计算长度,与构件端部的支承条件有关。构件的计算长度,与构件端部的支承条件有关。两端铰两端铰一端固定,一端铰支一端固定,一端铰支两端固定两端固定一端固定,一端自由一端固定,一端自由实际结构按实际结构按规范规定取值规范规定取值1.0l0.7l0.5l2.0l河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力n 普通箍筋柱受压承载力的
13、计算普通箍筋柱受压承载力的计算n 计算简图计算简图f fc cN Nu uA As sA An 计算公式计算公式当纵向钢筋配筋率大于当纵向钢筋配筋率大于3 3时,式中的时,式中的A A应改用应改用 。河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力n计算公式应用计算公式应用n截面设计截面设计 已知:截面尺寸(已知:截面尺寸(b bh h),材料强度,轴力设计值),材料强度,轴力设计值 求:受压钢筋面积求:受压钢筋面积 计算计算 l0 0/b b n截面复核截面复核 已知:截面尺寸(已知:截面尺寸(b bh h),材料强度,受压钢筋面积),材料强度,受
14、压钢筋面积 求:承载力求:承载力N Nu u 计算计算 l0 0/b b 河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.1轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力n 构造要求构造要求p混凝土强度等级一般应混凝土强度等级一般应C25p纵纵向向受受力力钢钢筋筋应应采采用用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢钢 筋筋,箍箍 筋筋 宜宜 采采 用用 HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢钢筋筋,也也可可采采用用HRB335、HRBF335钢筋;钢筋;p截面尺寸不宜小于截面尺寸不宜小于250mm250mm,取,取50mm为模数;为模数;p纵
15、筋不宜小于纵筋不宜小于4根根12mm,全部纵筋配筋率在,全部纵筋配筋率在12%之间为宜;之间为宜;p箍箍筋筋直直径径不不应应小小于于d/4(d为为纵纵筋筋最最大大直直径径)且且不不应应小小于于6mm,箍筋间距不应大于箍筋间距不应大于400mm及构件截面的短边尺寸;及构件截面的短边尺寸;p箍筋应做成封闭式。箍筋应做成封闭式。河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院 徐变随时间的增长而增大,钢筋的压应力徐变随时间的增长而增大,钢筋的压应力s ss,t不断增大,混不断增大,混凝土中的压应力凝土中的压应力s sc,t则不断减小。这种应力的变化是在外荷载没则不断减小。这种应力的变化是在外荷载没有
16、变化的情况下产生的,称为有变化的情况下产生的,称为徐变引起的应力重分布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,则筋受压、混凝土受拉。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。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。max=5%n徐变对轴心受压构件的影响徐变对轴心受压构件的影响河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.2 轴心受压螺旋式箍筋柱受压承载力计算n 螺旋箍筋柱的受力特点螺旋箍筋
17、柱的受力特点p 螺旋筋或焊接环筋又称间接钢筋螺旋筋或焊接环筋又称间接钢筋p 核心区混凝土处于三轴受压状态核心区混凝土处于三轴受压状态p 混凝土纵向抗压强度满足混凝土纵向抗压强度满足Dss螺旋筋或焊接环筋螺旋筋或焊接环筋核心区混凝土处于核心区混凝土处于三轴受压状态三轴受压状态dcorsr河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.2 轴心受压螺旋式箍筋柱受压承载力计算n螺旋箍筋柱破坏特点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,使核心混凝土处于混凝土横向变形,使核心混凝土处于三轴
18、受力状态三轴受力状态。轴力达到一。轴力达到一定值时,定值时,混凝土保护层剥落混凝土保护层剥落。箍筋屈服箍筋屈服后,构件破坏。后,构件破坏。n约束混凝土的轴心抗压强度约束混凝土的轴心抗压强度 河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.2 轴心受压螺旋式箍筋柱受压承载力计算n螺旋箍筋柱受压承载力计算公式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螺旋式或焊接环式间接钢筋的换算截面面积(把把间距为间距为s的箍筋,按体积相等换算成纵向钢筋);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间接钢筋对混凝土约束的折减系数:当混凝土强:当混凝土强
19、度等级不超过度等级不超过C50时,取时,取1.0,当混凝土强度等级为,当混凝土强度等级为C80时,取时,取0.85,其间按线性内插法确定。,其间按线性内插法确定。河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.1.2 轴心受压螺旋式箍筋柱受压承载力计算fyvAss1sdcorfyvAss1srun 利用平衡条件求径向压应力利用平衡条件求径向压应力srn Ass1为单根间接钢筋的截面面积为单根间接钢筋的截面面积n Acor为构件核心区截面面积为构件核心区截面面积n Ass0为间接钢筋的换算截面面积为间接钢筋的换算截面面积 Ass0=dcorAss1/s河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木
20、建筑学院n 承载力计算公式及应用承载力计算公式及应用p 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,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不应大于按普通箍筋柱受压承载力的1.5倍;倍;p 对长细比对长细比l0/d大于大于12的柱不考虑螺旋箍筋的约束作用;的柱不考虑螺旋箍筋的约束作用;p 螺旋箍筋的换算面积螺旋箍筋的换算面积Ass0不得小于全部纵筋不得小于全部纵筋As 面积的面积的25%;p 螺旋箍筋的间距螺旋箍筋的间距s不应大于不应大于80mm 及及dcor/5,也不应小于,也不应小于40mm。n混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范有关
21、螺旋箍柱计算公式的规定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河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院p 两类偏心受压的破坏形态两类偏心受压的破坏形态p 两类偏心受压破坏的界限两类偏心受压破坏的界限p 长柱的二阶效应长柱的二阶效应河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院n偏心受压构件(压弯构件)偏心受压构件(压弯构件)5.2.1破坏形态b bhA As sN Ne e0 0偏偏心心受受压压N N,M,M=N Ne e0 0压压弯弯构构件件p偏心距偏心距e e0 0=0=0时,为轴心受压时,为轴心受压构件;构件;p当当e e0 0时,即时,即N N
22、=0=0时,为时,为受弯构件;受弯构件;p偏心受压构件的受力性能偏心受压构件的受力性能和破坏形态界于和破坏形态界于轴心受压轴心受压构件和构件和受弯受弯构件之间;构件之间;p建筑结构中的钢筋混凝土建筑结构中的钢筋混凝土柱子绝大多数均为压弯构柱子绝大多数均为压弯构件。件。p破坏形态与相对偏心距和破坏形态与相对偏心距和纵筋数量有很大关系纵筋数量有很大关系河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.2.1破坏形态n极限状态时的截面应力、应变分布极限状态时的截面应力、应变分布河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院n 受拉破坏受拉破坏(大偏心受压破坏大偏心受压破坏)p当当相对偏心距相对偏
23、心距e e0 0/h h0 0较大较大,且,且A As s配置的不配置的不过多时过多时会出现受拉破坏。受拉破坏也称为会出现受拉破坏。受拉破坏也称为大偏心受压破坏。大偏心受压破坏。p应力应变的分布应力应变的分布p破坏特点破坏特点5.2.1 破坏形态h h0 0A As sN Nu ue e0 0f fy yA As sn大偏心受压破坏的主大偏心受压破坏的主要特征是破坏从受拉要特征是破坏从受拉区开始,区开始,受拉钢筋首受拉钢筋首先屈服,而后受压区先屈服,而后受压区混凝土被压坏。混凝土被压坏。n受拉和受压钢筋均可受拉和受压钢筋均可以达到屈服。以达到屈服。河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学
24、院n 受压破坏受压破坏(小偏心受压破坏小偏心受压破坏)p当当相相对对偏偏心心距距e e0 0/h h0 0较较小小,或或虽虽然然相相对对偏偏心心距距e e0 0/h h0 0较较大大,但但受受拉拉钢钢筋筋A As s配配置置较较多多时时,会会出出现现受受压压破破坏坏。受受压压破破坏坏也也称称为为小小偏偏心心受压破坏。受压破坏。p当当相相对对偏偏心心距距e e0 0/h h0 0很很小小时时,构构件截面将全部受压。件截面将全部受压。p破坏特点破坏特点5.2.1 破坏形态A As sN Nu ue e0 0s ss sA As sN Nu ue e0 0s ss sA As sn由于混凝土受压而破
25、由于混凝土受压而破坏,压应力较大一侧坏,压应力较大一侧钢筋能够达到屈服强钢筋能够达到屈服强度,而度,而另一侧钢筋受另一侧钢筋受拉不屈服或者受压不拉不屈服或者受压不屈服。屈服。河南工业大学土木建筑学院河南工业大学土木建筑学院5.2.1 破坏形态n受压破坏受压破坏当当相对偏心距相对偏心距e e0 0/h h0 0较小较小,或虽然相对偏心距,或虽然相对偏心距e e0 0/h h0 0较大,较大,但受拉钢筋但受拉钢筋A As s配置较多时配置较多时 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。应力达不到
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