混凝土基本原理

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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 5.1 受压构件一般构造要受压构件一般构造要求求5.1.1 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形方形或矩形，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。采用离心法制造的柱、桩、电杆以

2、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250mm250mm。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l l0 0/b 30, /b 30, l l0 0/h 25/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，800mm及以下的，宜取50mm的倍数，800mm以上的，可取100mm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120mm120mm，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。腹板厚度不宜小于

3、100mm，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C30C30、C35C35、C40C40，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HRB400HRB400级、级、RRB400RRB400级和级和HRB500HRB500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HRB400HRB400级、级、HRB335HRB335级钢筋，也可采用HPB300HPB300级钢筋。5.1.2 材料强度要求 柱

4、中纵向钢筋直径不宜小于12mm；全部纵向钢筋的配筋率不宜大于5%(详见5.2.1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5-2 I形、L形截面箍筋形式5.2 5.2 轴心受压构

5、件正截面受压承载力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；配有纵向钢筋和螺旋式或焊接环式箍筋的柱，统称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

6、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5-5 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-

7、8 普通箍筋柱正截面受压承载力计算简图)(9 . 0sycuAfAfN 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(l是构件实际长度)；当两端固定时，取l0= 0.5l；当一端固定，一端铰支时，取l0= 0.7l；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5-9 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

8、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5%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

9、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”。 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”。图5-11 混凝土径向压力示意图11021022244yssysscoryssrcorcorcorcorssssf Af A df AsdAdsdAAs0()2ucrcorysuccoryssysNfAf ANf Af Af A 2/ 2令00.9(2)uccoryssysNf Af Af A 称为间接钢筋对混凝土约束

10、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C80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，按式(5-9)算得的构件承载力不应不应比按式(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/d12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Ass0小于纵筋全部截面面积的25时，可以认为间

11、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80mm及dcor/5,也不小于40mm。间接钢筋的直径按箍筋有关规定采用。5.3 5.3 偏心受压构件正截面受压破坏形态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