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1、Concrete Structural Fundamentals混凝土结构基本原理混凝土结构基本原理主主 讲：管讲：管 巧巧 艳艳2012-10-24CHAPTER 6 COMPRESSIVE STRENGTH OF MEMBERS（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）教学目的和要求教学目的和要求 掌握轴心受压构件的受力全过程、破坏特征、正截面掌握轴心受压构件的受力全过程、破坏特征、正截面承载力计算方法。了解螺旋箍筋柱的应用。承载力计算方法。了解螺旋箍筋柱的应用。1 1、受压构件（受压构件（compression member）：承受纵向压力的构件：承受纵向压力的构件
2、 称为受压构件。称为受压构件。2、轴心受压构件（轴心受压构件（axially loaded member）：当截面上仅有：当截面上仅有作用于截面形心的纵向压力时，该构件称为轴心受压构件。作用于截面形心的纵向压力时，该构件称为轴心受压构件。虽然实际中几乎不存在轴心受压构件，但考虑到轴心受压构件虽然实际中几乎不存在轴心受压构件，但考虑到轴心受压构件计算简便，常在初步估算截面、复核承载力时用。计算简便，常在初步估算截面、复核承载力时用。3、钢筋混凝土轴心受压构件分类、钢筋混凝土轴心受压构件分类1）普通箍筋柱）普通箍筋柱2）螺旋箍筋柱）螺旋箍筋柱纵筋的作用是纵筋的作用是(1)帮助混凝土承受压力减小构截
3、面尺寸帮助混凝土承受压力减小构截面尺寸(2)承受计算中未能反映的可能的较小的弯矩承受计算中未能反映的可能的较小的弯矩;(3)防止构件突然的脆性破坏以增强构件的延性防止构件突然的脆性破坏以增强构件的延性(4)减小混凝土在持续压应力作用下的徐变和收缩变形减小混凝土在持续压应力作用下的徐变和收缩变形箍筋的作用主要是箍筋的作用主要是(1)与纵筋形成骨架，防止纵筋受力后压屈与纵筋形成骨架，防止纵筋受力后压屈;(2)约束受压混凝土的横向变形，进一步提高构件的受压延性约束受压混凝土的横向变形，进一步提高构件的受压延性.6.1 配有普通箍筋的轴心受压构件配有普通箍筋的轴心受压构件1.Short Column（
4、短柱）（短柱）钢筋混凝土短柱在轴心荷载作用下，截面的压应变基本均匀分布钢筋混凝土短柱在轴心荷载作用下，截面的压应变基本均匀分布当荷载较小时，受压变形随着荷载的增加而增加，呈线性关系；当荷载较小时，受压变形随着荷载的增加而增加，呈线性关系；随着荷载的继续增加，变形的增加速度变快。随着荷载的继续增加，变形的增加速度变快。试验表明，短柱破坏时混凝土的应变值一般在试验表明，短柱破坏时混凝土的应变值一般在0.0020.002附近，由混附近，由混凝土应力凝土应力-应变曲线知，此时混凝土已达到轴心抗压强度。应变曲线知，此时混凝土已达到轴心抗压强度。6.1.1 破坏形态破坏形态 在轴心受压短柱中，不论受压钢筋
5、在构件破坏时是否达到在轴心受压短柱中，不论受压钢筋在构件破坏时是否达到屈服，构件的承载力最终都是由混凝土压碎来控制的。屈服，构件的承载力最终都是由混凝土压碎来控制的。短柱破坏时，纵筋发生压屈，混凝土被压碎短柱破坏时，纵筋发生压屈，混凝土被压碎对于一般中等强度钢筋，短柱破坏时，纵筋屈服，混凝土达到对于一般中等强度钢筋，短柱破坏时，纵筋屈服，混凝土达到 但纵筋若采用高强度钢筋，破坏时纵筋并未屈服，设计中取但纵筋若采用高强度钢筋，破坏时纵筋并未屈服，设计中取在轴心受压构件中，若采用的纵向钢筋其抗拉强度设计值小于在轴心受压构件中，若采用的纵向钢筋其抗拉强度设计值小于400N/mm2时，其抗压强度设计值
6、取等于其抗拉强度设计值；若时，其抗压强度设计值取等于其抗拉强度设计值；若大于或等于大于或等于400N/mm2时，则取为时，则取为400N/mm2。由力的平衡关系知，短柱破坏时的轴心力：由力的平衡关系知，短柱破坏时的轴心力：2.Slender Column（长柱）（长柱）长柱除了压缩变形外，在中部产生较大的横向挠度长柱除了压缩变形外，在中部产生较大的横向挠度u，柱子的长细比对轴心受压柱的承载力有显著影响，初始偏心距不柱子的长细比对轴心受压柱的承载力有显著影响，初始偏心距不可忽略可忽略随着荷载的增加，初始偏心距引起柱子的侧向变形，而侧向变随着荷载的增加，初始偏心距引起柱子的侧向变形，而侧向变形又加
7、大了偏心距，二者相互作用，直至混凝土达到其受压强形又加大了偏心距，二者相互作用，直至混凝土达到其受压强度而被压碎，长细比很大的柱子还可能发生度而被压碎，长细比很大的柱子还可能发生失稳破坏失稳破坏。由试验可知，长柱承载力低于其它条件相同的短柱承载力。长柱承载力低于其它条件相同的短柱承载力。规范规范采用了采用了较为简单的稳定系数来表示长柱承载力降低的程度较为简单的稳定系数来表示长柱承载力降低的程度 6.1.2 稳定系数稳定系数稳定系数：考虑构件长细比增大的附加效应使构件承载力降低稳定系数：考虑构件长细比增大的附加效应使构件承载力降低 的计算系数。的计算系数。计算式见（计算式见（6-6），具体值可查
8、附表），具体值可查附表1-10表表6-16.1.3 正截面承载力计算正截面承载力计算公路桥规公路桥规规定配有普通箍筋的轴心受压构件承载力计算公式：规定配有普通箍筋的轴心受压构件承载力计算公式：注意注意：当纵筋配筋率大于：当纵筋配筋率大于3%时，时，A应用应用An代替。代替。6.1.4 构造要求构造要求3.Design Equation for Strength of Axially Loaded Members（轴心受压构件承载力计算公式）（轴心受压构件承载力计算公式）The design equation for strength of axially loaded member stipu
9、lated in the Code isWhen the longitudinal steel ratio is more than 3%,net section area of concrete An should be used for A in Equation(7.6),where An=A-As.6.2 配有螺旋式箍筋的轴心受压构件配有螺旋式箍筋的轴心受压构件 当柱的截面尺寸较小或由于建筑或使用上的要求受到限制，当柱的截面尺寸较小或由于建筑或使用上的要求受到限制，可采用螺旋式或焊接环式箍筋柱以提高柱的承载力。由于螺旋可采用螺旋式或焊接环式箍筋柱以提高柱的承载力。由于螺旋箍筋或者环式箍
10、筋使核心混凝土处于双向受压状态，因而提高箍筋或者环式箍筋使核心混凝土处于双向受压状态，因而提高了混凝土的抗压强度了混凝土的抗压强度。6.2.1 受力特点与破坏特性受力特点与破坏特性在应变达到在应变达到0.002之前，普通之前，普通箍筋和螺旋式箍箍筋和螺旋式箍筋的作用基本相筋的作用基本相同，横向箍筋对同，横向箍筋对柱的承载力作用柱的承载力作用不明显不明显 当应变达到当应变达到0.002之后，普通箍筋柱由于箍筋间距较大，不之后，普通箍筋柱由于箍筋间距较大，不能有效地约束混凝土受压时的横向变形，混凝土被压碎，箍筋能有效地约束混凝土受压时的横向变形，混凝土被压碎，箍筋间的纵筋被压屈；间的纵筋被压屈；螺
11、旋式箍筋柱当应变达到螺旋式箍筋柱当应变达到0.002后，螺旋箍筋外面的混凝土保护后，螺旋箍筋外面的混凝土保护层开始剥落，受力混凝土面积减小，承载力略有下降；但螺旋箍层开始剥落，受力混凝土面积减小，承载力略有下降；但螺旋箍筋的间距较小，足以防止箍筋间的纵筋发生压屈筋的间距较小，足以防止箍筋间的纵筋发生压屈 由于混凝土内部裂缝引起体积膨胀而挤压螺旋箍筋，使螺由于混凝土内部裂缝引起体积膨胀而挤压螺旋箍筋，使螺旋箍筋反过来约束混凝土，箍筋对混凝土施加的径向压力提高旋箍筋反过来约束混凝土，箍筋对混凝土施加的径向压力提高了核心混凝土的受压承载力了核心混凝土的受压承载力。尽管混凝土的受压面积有所减小，但密集
12、螺旋箍筋柱的极尽管混凝土的受压面积有所减小，但密集螺旋箍筋柱的极限承载力仍远大于普通箍筋柱限承载力仍远大于普通箍筋柱。这个过程一直持续至螺旋箍筋。这个过程一直持续至螺旋箍筋达到屈服，核心区混凝土被压碎为止达到屈服，核心区混凝土被压碎为止。6.2.2 正截面承载力计算正截面承载力计算正截面破坏时：核心混凝土压碎、纵筋已经屈服，柱的混凝 土保护层剥落。所以：核心混凝土的抗压强度计算，有三向受压试验可知：核心混凝土的抗压强度计算，有三向受压试验可知：假设螺旋箍筋达到屈服时对混凝土施加了均匀的侧向压力假设螺旋箍筋达到屈服时对混凝土施加了均匀的侧向压力 由隔离体的平衡条件得：由隔离体的平衡条件得：按钢筋
13、体积相等的原则，将间距为按钢筋体积相等的原则，将间距为S内的箍筋换算成纵向钢筋内的箍筋换算成纵向钢筋的面积，即螺旋箍筋柱的间接钢筋换算截面面积的面积，即螺旋箍筋柱的间接钢筋换算截面面积分别与式（分别与式（6-11）、（）、（6-10）组合，得：）组合，得：代入式（代入式（6-9），整理得螺旋箍筋柱正截面承载力计算式：），整理得螺旋箍筋柱正截面承载力计算式：采用螺旋箍时，应注意几个问题：采用螺旋箍时，应注意几个问题：如螺旋箍筋配置过多，极限承载力提高过大，则会在远未达如螺旋箍筋配置过多，极限承载力提高过大，则会在远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。到极限承载力之前保护层产生剥
14、落，从而影响正常使用。规范规范规定，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力的50%。对长细比过大柱，由于纵向弯曲变形较大，截面不是全部受对长细比过大柱，由于纵向弯曲变形较大，截面不是全部受压，螺旋箍筋的约束作用得不到有效发挥。压，螺旋箍筋的约束作用得不到有效发挥。规范规范规定规定 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。按按螺旋箍筋计算的承载力不应小于按普通箍筋柱计算的受压螺旋箍筋计算的承载力不应小于按普通箍筋柱计算的受压承载力承载力。螺旋箍筋的约束效果与其截面螺旋箍筋的约束效果与其截面面积面积As01和和间距间距s有关，为保证有关，为保证有一定约束效果，有一定约束效果，规范规范规定规定：螺旋箍筋的换算面积螺旋箍筋的换算面积As0不得小于全部纵筋不得小于全部纵筋As 面积的面积的25%