第五章 受壓構(gòu)件的截面承載力

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4-1概述

教學(xué)要求：

1理解軸心受壓螺旋筋柱間接配筋的原理；

2深刻理解偏心受壓構(gòu)件的破壞形態(tài)和矩形截面受壓承載力的計算簡圖和基本計算公式；

3熟練把握矩形截面對稱配筋偏心受壓構(gòu)件的受壓承載力計算；4領(lǐng)會受壓構(gòu)件中縱向鋼筋和箍筋的主要構(gòu)造要求。

5.1受壓構(gòu)件一般構(gòu)造要求

5.1.1截面形式及尺寸

為便于制作模板，軸心受壓構(gòu)件截面一般采用方形或矩形，有時也采用圓形或多邊形。偏心受壓構(gòu)件一般采用矩形截面，但為了儉約混凝土和減輕柱的自重，特別是在裝配式柱中，較大尺寸的柱往往采用Ⅰ形截面。拱結(jié)構(gòu)的肋常做成T形截面。采用離心法制造的柱、樁、電桿以及煙囪、水塔支筒等常采用環(huán)形截面。

方形柱的截面尺寸不宜小于250mm×250mm。為了避免矩形截面軸心受壓構(gòu)件長細(xì)比過大，承載力降低過多，常取l0/b≤30,l0/h≤25。此處l0為柱的計算長度，b為矩形截面短邊邊長，h為長邊邊長。此外，為了施工支模便利，柱截面尺寸宜采用整數(shù)，800mm及以下的，宜取50mm的倍數(shù)，800mm以上的，可取100mm的倍數(shù)。

對于I形截面，翼緣厚度不宜小于120mm，由于翼緣太薄，會使構(gòu)件過早出現(xiàn)裂縫，同時在靠近柱底處的混凝土簡單在車間生產(chǎn)過程中碰壞，影響柱的承載力和使用年限。腹板厚度不宜小于100mm，地震區(qū)采用I形截面柱時，其腹板宜再加厚些。

5.1.2材料強(qiáng)度要求

混凝土強(qiáng)度等級對受壓構(gòu)件的承截能力影響較大。為了減小構(gòu)件的截面尺寸，節(jié)省鋼材，宜采用較高強(qiáng)度等級的混凝土。一般采用C30、C35、C40，對于高層建筑的底層柱，必要時可采用高強(qiáng)度等級的混凝土?？v向鋼筋一般采用HRB400級、RRB400級和HRB500級鋼筋，不宜采用高強(qiáng)度鋼筋，這是由于它與混凝土共同受壓時，不能充分發(fā)揮其高強(qiáng)度的作用。箍筋一般采用HRB400級、HRB335級鋼筋，也可采用HPB300級鋼筋。

5.1.3縱筋

柱中縱向鋼筋直徑不宜小于12mm；全部縱向鋼筋的配筋率不宜大于5%(詳見5.2.1節(jié)末)；

全部縱向鋼筋配率不應(yīng)小于附表4-5中給出的最小配筋百分率ρmin(%)，且截面一側(cè)縱向鋼筋配筋率不應(yīng)小于0.2%。

圖5-1方形、矩形截面箍筋形式

5.1.4箍筋

為了能箍住縱筋，防止縱筋壓曲，柱及其他受壓構(gòu)件中的周邊箍筋應(yīng)做成封閉式；其間距在綁扎骨架中不應(yīng)大于15d(d為縱筋最小直徑)，且不應(yīng)大于400mm,也不大于構(gòu)件橫截面的短邊尺寸。

箍筋直徑不應(yīng)小于d/4(d為縱筋最大直徑)，且不應(yīng)小于6mm。

圖5-1方形、矩形截面箍筋形式圖5-2I形、L形截面箍筋形式

5.2軸心受壓構(gòu)件正截面受壓承載力

在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，由于混凝土材料的非勻質(zhì)性，縱向鋼筋的不對稱布置，荷載作用位置的不確鑿及施工時不可避免的尺寸誤差等原因，使得真正的軸心受壓構(gòu)件幾乎不存在。但在設(shè)計以承受恒荷載為主的多層房屋的內(nèi)柱及桁架的受壓腹桿等構(gòu)件時，可近似地按軸心受壓構(gòu)件計算。另外，軸心受壓構(gòu)件正截面承載力計算還用于偏心受壓構(gòu)件垂直彎矩平面的承載力驗(yàn)算。

一般把鋼筋混凝土柱依照箍筋的作用及配置方式的不同分為兩種：配有縱向鋼筋和普通箍筋的柱，簡稱普通箍筋柱；配有縱向鋼筋和螺旋式或焊接環(huán)式箍筋的柱，統(tǒng)稱螺旋箍筋柱。

5.2.1軸心受壓普通箍筋柱的正截面受壓承載力計算

1受力分析和破壞形態(tài)

圖5-3配有縱筋和箍筋的柱圖5-4應(yīng)力-荷載曲線示意圖圖5-5短柱的破壞

圖5-6長柱的破壞

試驗(yàn)說明，長柱的破壞荷載低于其他條件一致的短柱破壞荷載，長細(xì)比越大，承載能力降低越多。其原因在于，長細(xì)比越大，由于各種偶然因素造成的初始偏心距將越大，從而產(chǎn)生的附加彎矩和相應(yīng)的側(cè)向撓度也越大。對于長細(xì)比很大的修長柱，還可能發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

此外，在長期荷載作用下，由于混凝土的徐變，側(cè)向撓度將增大更多，從而使長柱的承載力降低的更多，長期荷載在全部荷載中所占的比例越多，其承載力降低的越多。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》采用穩(wěn)定系數(shù)φ來表示長柱承載力的降低程度

2承載力計算公式

圖5-8普通箍筋柱正截面受壓承載力計算簡圖

構(gòu)件計算長度與構(gòu)件兩端支承狀況有關(guān)，當(dāng)兩端鉸支時，取l0=l(l是構(gòu)件實(shí)際長度)；當(dāng)兩端固定時，取l0=0.5l；當(dāng)一端固定，一端鉸支時，取l0=0.7l；當(dāng)一端固定，一端自由時取l0=2l。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件端部的連接不像上面幾種狀況那樣理想、明確，這會在確定l0時遇到困難。為此《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對單層廠房排架柱、框架柱等的計算長度作了具體規(guī)定，分別見中冊第12、13章。

軸心受壓構(gòu)件在加載后荷載維持不變的條件下，由于混凝土徐變，則隨著荷載作用時間的增加，混凝土的壓應(yīng)力逐漸變小，鋼筋的壓應(yīng)力逐漸變大，一開始變化較快，經(jīng)過一

定時間后趨于穩(wěn)定。

在荷載突然卸載時，構(gòu)件回彈，由于混凝土徐變變形的大部分不可恢復(fù)，故當(dāng)荷載為零時，會使柱中鋼筋受壓而混凝土受拉，見圖5-9；若柱的配筋率過大，還可能將混凝土拉裂，若柱中縱筋和混凝土之間有很強(qiáng)結(jié)應(yīng)力時，則能同時產(chǎn)生縱向裂縫，這種裂縫更為危險。為了防止出現(xiàn)這種狀況，故要控制柱中縱筋的配筋率，要求全部縱筋配筋率不宜超過5%。

圖5-9長期荷載作用下截面上混凝土和鋼筋的應(yīng)力重分布

(a)混凝土；(b)鋼筋

5.2.2軸心受壓螺旋箍筋柱的正截面受壓承截力計算

圖5-10螺旋箍筋和焊接環(huán)筋柱

螺旋箍筋柱和焊接環(huán)筋柱的配箍率高，而且不會像普通箍筋那樣簡單“崩出〞，因而能約