RC轴向受力构件承载力计算课件.ppt
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1、混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理第第5章章 RC轴向受力构件承载力计算轴向受力构件承载力计算Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理5 RC轴向受力构件承载力计算轴向受力构件承载力计算v5.1概述概述v5.2 轴心受压构件的正截面承载力计算轴心受压构件的正截面承载力计算v5.3 偏心受压构件的正截面承载力计算偏心受压构件的正截面承载力计算v5.4 受拉构件承载力计算受拉构件承载力计算v5.5 偏心构件斜截面受剪承载力计算偏心构件斜截面受剪承载力计算Fundamentals of Concrete
2、Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理 5.1 概述概述5.1.15.1.1 受压构件的工程应用受压构件的工程应用RCRC受压构件利用混凝土承受压力为主的内力,可充分发挥混凝受压构件利用混凝土承受压力为主的内力,可充分发挥混凝土材料的强度优势,因而在工程结构中应用广泛。土材料的强度优势,因而在工程结构中应用广泛。多高层建筑:框架柱;多高层建筑:框架柱;单层工业厂房:排架柱;屋架的上弦杆;单层工业厂房:排架柱;屋架的上弦杆;桥梁结构:桥墩;桥梁结构:桥墩;岩土工程:桩等。岩土工程:桩等。Fundamentals of Concrete Structure D
3、esign混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理多高层建筑框架柱框架柱Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理单层工业厂房单层工业厂房压压压压压压拉拉拉拉排架柱排架柱屋架的上弦压杆屋架的上弦压杆Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理桥梁桥梁桥墩桥墩Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理桩基础桩基础 (Pile Foundation
4、)Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理N(a(a)轴心受压)轴心受压N(b(b)单向偏压)单向偏压NN(c(c)双向偏压)双向偏压 1 1、受压构件的类型、受压构件的类型偏心受压构件偏心受压构件受压构件受压构件在结构中具有重要作用,一旦在结构中具有重要作用,一旦破坏将导致整个结构的损坏甚至倒塌。破坏将导致整个结构的损坏甚至倒塌。 实际工程中,偏心产生的原因:实际工程中,偏心产生的原因:通常施工制造的误差;通常施工制造的误差;荷载作用位置的不确定性;荷载作用位置的不确定性;混凝土质量的不均匀性等。混凝土质量
5、的不均匀性等。使得上述构件存在一定的使得上述构件存在一定的初始偏心距初始偏心距。5.1.25.1.2 受压构件的受力特点及分类受压构件的受力特点及分类Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理RCRC受压构件破坏导致房屋倒塌受压构件破坏导致房屋倒塌Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理5.2.15.2.1 RC RC轴心受压构件的受力特点轴心受压构件的受力特点5.2.25.2.2 普通箍筋柱的正截面承载力计算普通箍筋柱的正截
6、面承载力计算 轴心受压构件正截面承载力计算轴心受压构件正截面承载力计算5.25.2.35.2.3 螺旋箍筋柱的正截面承载力计算螺旋箍筋柱的正截面承载力计算5.2.45.2.4 轴心受压构件的构造要求轴心受压构件的构造要求5.2.55.2.5 示例示例Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理RCRC受压构件破坏导致房屋倾覆受压构件破坏导致房屋倾覆Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理5.2.15.2.1 RC RC轴心受压构
7、件的受力特点轴心受压构件的受力特点普通钢箍柱普通钢箍柱Tied ColumnsTied Columns螺旋钢箍柱螺旋钢箍柱Spiral ColumnsSpiral Columns 1、实际工程中一般将、实际工程中一般将RC柱按照柱按照箍筋的作箍筋的作用用及及配置方式配置方式分为两种:分为两种:Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理 纵筋的作用纵筋的作用:l 提高承载力,减小截面尺寸;提高承载力,减小截面尺寸;l 提高混凝土的变形能力;提高混凝土的变形能力;l 抵抗构件的偶然偏心;抵抗构件的偶然偏心;l 减小
8、混凝土的收缩与徐变。减小混凝土的收缩与徐变。 箍筋的作用箍筋的作用:l与纵筋组成钢筋骨架;与纵筋组成钢筋骨架;l防止纵筋受压屈曲;防止纵筋受压屈曲;l产生环箍作用,提高箍筋内混凝土的抗压强度与变形能力;产生环箍作用,提高箍筋内混凝土的抗压强度与变形能力;l抵抗剪力。抵抗剪力。 2、轴压构件、轴压构件(柱柱)中配筋及其作用中配筋及其作用5.2.15.2.1 RC RC轴心受压构件的受力特点轴心受压构件的受力特点Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理柱柱lo/i 28 lo/b 8lo/i 28短柱短柱 长柱长
9、柱短柱:短柱:柱的截面尺寸与柱长之比较小的柱。柱的截面尺寸与柱长之比较小的柱。长柱:长柱:柱的截面尺寸与柱长之比较大的柱。柱的截面尺寸与柱长之比较大的柱。实际工程结构中:实际工程结构中:带窗间墙的柱带窗间墙的柱;高层建筑地下车库的柱子;高层建筑地下车库的柱子;楼梯间处的柱楼梯间处的柱都容易形成都容易形成短柱短柱。一般的框架柱;一般的框架柱;门厅柱等都属于门厅柱等都属于长柱长柱。NNlo式中式中 i 截面的回转半径。截面的回转半径。 3、长柱与短柱、长柱与短柱5.2.15.2.1 RC RC轴心受压构件的受力特点轴心受压构件的受力特点Fundamentals of Concrete Struct
10、ure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理bhAsANcNc混凝土压碎混凝土压碎钢筋凸出钢筋凸出oNc l混凝土压碎混凝土压碎钢筋屈服钢筋屈服第一阶段:加载至钢筋屈服第一阶段:加载至钢筋屈服第二阶段:钢筋屈服至混凝土压碎第二阶段:钢筋屈服至混凝土压碎 轴压短柱的破坏过程轴压短柱的破坏过程 4、轴心受压短柱的受力性能、轴心受压短柱的受力性能5.2.15.2.1 RC RC轴心受压构件的受力特点轴心受压构件的受力特点Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理 轴压短柱的破坏过程轴压短柱的破坏过
11、程应力应力轴向荷载轴向荷载P混凝土应力混凝土应力钢筋应力钢筋应力开始加载时,开始加载时,混凝土和钢筋混凝土和钢筋都处于弹性工都处于弹性工作阶段,钢筋作阶段,钢筋和混凝土的应和混凝土的应力基本上按弹力基本上按弹性模量的比值性模量的比值来分配。来分配。随着荷载的增加,混凝土应力的增加变慢,而随着荷载的增加,混凝土应力的增加变慢,而钢筋的应力与其应变成正比增加,柱子变形增钢筋的应力与其应变成正比增加,柱子变形增加的速度就快于外荷增加的速度。随着荷载的加的速度就快于外荷增加的速度。随着荷载的继续增加,柱中开始出现微小的纵向裂缝。继续增加,柱中开始出现微小的纵向裂缝。 4、轴心受压短柱的受力性能、轴心受
12、压短柱的受力性能Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理v 临近破坏时,柱身出现很多明显的纵向裂缝,混凝土保护层剥落,临近破坏时,柱身出现很多明显的纵向裂缝,混凝土保护层剥落,箍筋间的纵筋被压曲向外鼓出,混凝土压碎。箍筋间的纵筋被压曲向外鼓出,混凝土压碎。v 柱子破坏时,混凝土的应变达到其极限压应变,而钢筋的应力维柱子破坏时,混凝土的应变达到其极限压应变,而钢筋的应力维持抗压屈服强度持抗压屈服强度fy。 轴压短柱的破坏过程轴压短柱的破坏过程 4、轴心受压短柱的受力性能、轴心受压短柱的受力性能Fundament
13、als of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理 s s s=Es s y s,hfyccccccff)2501(10001120 0=0.002o cfc c平衡方程平衡方程ssccAAN变形协调方程变形协调方程sc物理方程物理方程(以以fcu 50MPa为例为例) 截面分析的基本方程截面分析的基本方程NccAs s 4、轴心受压短柱的受力性能、轴心受压短柱的受力性能Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理第一阶段第一阶段ccEE引入割线模量)1
14、()1 (sEcsEccANAN荷载荷载- -变形关系变形关系Nc cAs sccssNAA)1 (EcssccAEAEAEN 4、轴心受压短柱的受力性能、轴心受压短柱的受力性能Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理Nc cAs fy第二阶段第二阶段ccysNAfA当当 0=0.002时,混凝土达到时,混凝土达到fc,柱达到最大承载力,柱达到最大承载力syccuAfAfN若若 s= 0=0.002,则则20.0020.002200000400N/mmssE轴心受压短柱中,当钢筋的强度超过轴心受压短柱中,当钢
15、筋的强度超过400N/mm2时,其强度得不到充分发挥时,其强度得不到充分发挥syccuAfAfN应用:设计、截面复核 截面复核:400MPa 混凝土达到了棱柱体抗压强度 4、轴心受压短柱的受力性能、轴心受压短柱的受力性能Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理v 由于由于初始偏心距初始偏心距的存在,构件受荷后的存在,构件受荷后产生附加弯矩,伴之发生横向挠度。产生附加弯矩,伴之发生横向挠度。v 构件破坏时,首先在靠近凹边出现大构件破坏时,首先在靠近凹边出现大致平行于纵轴方向的纵向裂缝,同时在致平行于纵轴方向的纵
16、向裂缝,同时在凸边出现水平的横向裂缝,随后受压区凸边出现水平的横向裂缝,随后受压区混凝土被压溃,纵筋向外鼓出,横向挠混凝土被压溃,纵筋向外鼓出,横向挠度迅速发展,构件失去平衡,最后将凸度迅速发展,构件失去平衡,最后将凸边的混凝土拉断。边的混凝土拉断。 轴压长柱的轴压长柱的破坏过程破坏过程 5、轴心受压长柱的受力性能、轴心受压长柱的受力性能5.2.15.2.1 RC RC轴心受压构件的受力特点轴心受压构件的受力特点Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理长柱的承载力长柱的承载力 0.03时取时取A=bhAs可靠
17、度调整系数可靠度调整系数,保证轴压、偏压具保证轴压、偏压具有相近的可靠度。有相近的可靠度。稳定系数稳定系数,反映受压构件的,反映受压构件的承载力随长细比增大降低的承载力随长细比增大降低的现象。现象。 = Nul/Nus 1.0)(9.0csyAfAfNuFundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理 截面设计:截面设计: 截面承载力校核:截面承载力校核:ccsy()0.9Nf AAf Nu=0.9 (Asf y+fcAc)安全安全已知:已知:fc, fy, l0, N, 求求As、A已知:已知:b h,fc, fy
18、, l0, As, 求求Nu当当Nu N取取=0.6%2% , =1)(9 . 0ycffNA初估截面尺寸初估截面尺寸2 2、公式应用、公式应用计算配筋计算配筋验算验算 min = 0.6%Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理5.2.35.2.3 螺旋箍筋柱的正截面承载力计算螺旋箍筋柱的正截面承载力计算1、 螺旋配筋形式螺旋配筋形式ssdcordcors40mm 0.2dcor 80mm纵筋直径616mm,120150mm螺旋箍筋柱焊接环式箍筋柱Fundamentals of Concrete Struc
19、ture Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理Nc 素混凝土素混凝土柱柱普通钢筋普通钢筋混凝土柱混凝土柱螺旋箍筋螺旋箍筋钢筋混凝钢筋混凝土柱土柱荷载不大时螺荷载不大时螺旋箍柱和普通旋箍柱和普通箍柱的性能几箍柱的性能几乎相同乎相同保护层剥落使保护层剥落使柱的承载力降柱的承载力降低低螺旋箍筋的约螺旋箍筋的约束使柱的承载束使柱的承载力提高力提高标距标距NcNc 2、螺旋筋柱的螺旋筋柱的试验研究试验研究破坏:破坏:螺旋箍筋先屈服,混凝土被压碎螺旋箍筋先屈服,混凝土被压碎Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构
20、设计基本原理约束混凝土的抗压强度约束混凝土的抗压强度cccrff当箍筋屈服时当箍筋屈服时 r达最大值达最大值corssycorcorssycorssyrAAfsddAfsdAf244220211核心区混凝土核心区混凝土的截面面积的截面面积间接钢筋的间接钢筋的换算面积换算面积 3、 螺旋筋柱的螺旋筋柱的受力分析受力分析12rcorysssdf A受力平衡:受力平衡:sAdAsscorss10 令r fyAss1rsdcors(a)(b)(c)fyAss1Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理0()=/ 2uc
21、ccoryscrcorysccoryssysNf Af AfAf Af Af Af A 极限状态时,保护层已剥落:极限状态时,保护层已剥落: 4、螺旋筋柱的螺旋筋柱的承载力计算公式承载力计算公式00.9(2)uccoryssysNNf Af Af A 间接钢筋对混凝土约束的修正系数。间接钢筋对混凝土约束的修正系数。fcu,k50N/mm2时取时取 = 1.0;fcu,k=80N/mm2时,取时,取 =0.85,其间直线插值。,其间直线插值。规范规范中取中取2 = /2,并考虑,并考虑0.9的可靠度折减系数,则有的可靠度折减系数,则有 r fyAss1 rsdcors(a)(b)(c)fyAss
22、1Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理v 为防止螺旋箍筋配置过多时未达到极限承载力之前保护层产生剥落,从而影响正常使用。规范规定:按螺旋箍筋计算的承载力不应大于按普通箍筋柱受压承载力的按螺旋箍筋计算的承载力不应大于按普通箍筋柱受压承载力的50%。v 对长细比过大柱,螺旋箍筋的约束作用得不到有效发挥。规范规定: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。v 螺旋箍筋的约束效果与其截面面积Ass1和间距s有关,为保证有一定约束效果,规范规定:螺旋箍筋的换算面
23、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%螺旋箍筋的间距螺旋箍筋的间距s不应大于不应大于dcor/5,且不大于,且不大于80mm,同时为方便施工,同时为方便施工,s也不应小于也不应小于40mm。 5、螺旋箍筋柱、螺旋箍筋柱限制条件限制条件Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理 截面的形式和尺寸截面的形式和尺寸 混凝土常用混凝土常用C20C40
24、 钢筋常用钢筋常用HRB335和和HRB400截面多采用方形或矩形,也可采用圆形或正多边形。宜l0b30,l0h25 ,即bl030,hl025 。截面b min250;宜采用强度等级较高的混凝土宜采用强度等级较高的混凝土不宜采用高强钢筋作受压钢筋不宜采用高强钢筋作受压钢筋 材料的强度等级材料的强度等级5.2.45.2.4 轴心受压构件的构造要求轴心受压构件的构造要求Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理直径直径: 12mm;宜选直径较大的钢筋,以减少纵向弯曲,并防止在临近破坏时,钢筋过早压屈。配筋率:配筋
25、率: 5, 0.6(轴心受压),一侧纵向钢筋配筋率0.2,常用配筋率0.62。(规范8.5.1)根数根数:n4,且为双数;圆柱6,宜8。间距及布置:间距及布置:纵筋应沿截面周边均匀布置,50纵筋净距s300;混凝土最小保护层厚度c20mm。bhAs 纵向钢筋纵向钢筋中中南南大大学学Fundamentals of Concrete Structure Design混凝土结构设计基本原理混凝土结构设计基本原理 形式形式应采用封闭式,保证钢筋骨架的整体刚度,并保证应采用封闭式,保证钢筋骨架的整体刚度,并保证构件在破坏阶段箍筋对砼和纵向钢筋的侧向约束作用。构件在破坏阶段箍筋对砼和纵向钢筋的侧向约束作用
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