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l0/b越大,?越小。l0b?8时,柱子的承载力没有降低,?值可取为1。对于具有相同l0b值的柱,当混凝土强度等级和钢筋的种类以及配筋率不同时,?值的大小还略有变化。将试验结果进行数理统计得到下列经验公式:
当l0b=8~34时:?=1.177-0.012l0b (6–3) 当l0b=35~50时:?=0.87-0.012l0b (6–4) 《规范》中,对于长细比l0b较大的构件,考虑到荷载初始偏心和长期荷载作用对结构承载力的不利影响较大,?的取值比经验公式计算值略低一些,以保证安全。对于长细比l0b小于20的构件,考虑到过去的使用经验,?的取值略微抬高。
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为构件的实际长度);当两端固定时时,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。实际结构构件的端部连接,没有上述几种情况那样理想、明确,这样会造成当l0的确定困难。因此在《规范》中,对不同结构中的柱计算长度作了具体规定,计算时可以查用。
轴心受压构件在加载后荷载维持不变的情况下,由于混凝土徐变,混凝土的压应力随荷载作用时间的增加而逐渐变小,钢筋的压应力逐渐变大,开始变化较快,经过一定时间后趋于稳定。在荷载突然卸荷时,构件纵向压缩回弹,由于混凝土徐变变形大部分不可恢复,当卸载幅度较大时,钢筋的回弹量将大于混凝土的回弹量,荷载为零时,会使柱中钢筋受压而混凝土受拉。若柱的配筋率过大就有可能将混凝土拉裂,当柱中纵向钢筋和混凝土粘结很强时,还会产生纵向裂缝,这种裂缝更为危险。为了防止这种情况出现,要求全部纵筋配筋率不宜超过5%。
(2)承载力计算公式
根据轴心受压短柱破坏时的截面应力图形,考虑长柱对承载力的影响以及可靠度调整等因素后,规范给出轴心受压构件承载力计算公式:
Nu?0.9?(fcA?fy'As') (6.5)
式中:Nu——轴向压力设计值;0.9——可靠度调整系数;
?——钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数,按表6.1采用;
fc——混凝土轴心抗压强度设计值;A——构件截面面积;
As'——全部纵向钢筋的截面面积。
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当纵向钢筋配筋率大于3%时,计算公式中的A应改用(A?As)代替。 2.轴心受压螺旋箍筋柱的正截面受压承载力计算
钢筋混凝土柱配有螺旋钢箍或横向焊接网片时,螺旋钢箍或横向焊接网片能够有效的约束核心混凝土在纵向受压时产生的横向变形,因而可以显著提高混凝土的抗压强度,并改善其变形性能。
因此,当普通箍筋柱承受很大轴心压力,且柱截面尺寸由于建筑上及使用上的要求受到限制,采用提高混凝土强度等级和增大配筋量也不能满足承载力要求时,可以考虑采用螺旋筋或焊接环筋,以提高承载力来满足要求。这种柱的形状一般为圆形或多边形。
在轴心压力作用下,混凝土的横向变形使螺旋筋或焊接环筋产生拉应力,当拉应力达到箍筋的抗拉屈服强度时,就不再能有效地约束混凝土的横向变形,混凝土的抗压强度也就不能再提高,这时构件破坏。构件的混凝土保护层在螺旋筋或焊接环筋受到较大拉应力时发生开裂,故在计算构件承载力时不考虑该部分混凝土的抗压能力。
根据上述分析可知,螺旋箍筋或焊接环筋(也可称为间接钢筋)所包围的核心截面混凝土的实际抗压强度,处于三轴受压状态,其纵向抗压强度,可利用圆柱体混凝土周围加液压所得近似关系进行计算:
'f?fc???? (6–6)
式中:f——被约束混凝土的轴心抗压强度;?——系数;
??——当间接钢筋的应力达到屈服强度时,柱核心区混凝土受到的径向压
应力值。
在间接钢筋间距s范围内,利用??的合力与钢筋的拉力平衡,可得
???2fyAss1sdcor?2fyAss1dcor?42?dcor?fyAsso2Acor (6–7)
4s式中:dcor——构件的核心直径,按间接钢筋内表面确定;
Acor——构件的核心截面面积;fy——间接钢筋的抗拉强度设计值;
s——沿构件轴线方向间接钢筋的间距;Ass1——单根间接钢筋的截面面积;
Asso——间接钢筋的换算截面面积
Asso??dcorAss1s (6–8)
根据力的平衡条件,得
Nu?(fc????)Acor?fy'As'第6页 共12页
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故Nu?fcAcor??2fyAsso?fy'As' (6–9)
令2???2代入上式,同时考虑可靠度调整系数0.9以后,《规范》规定螺旋式或焊接环式间接钢筋柱的承载力计算公式为:
Nu?0.9(fcAcor?2?fyAsso?fy'As') (6–10)
式中?称为间接钢筋对混凝土约束的折减系数,当混凝土强度等级不大于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。
从承载力计算公式建立过程中可以看出,箍筋起到了充分约束混凝土的作用,这种作用只有在箍筋具有足够的数量及混凝土压应力比较均匀时才能实现。因此,该计算公式的应用必须满足一定的条件。《规范》规定:凡属下列情况之一者,不考虑间接钢筋的影响而按式(6–5)计算构件的承载力:
(1)当l0d?12时,因构件长细比较大,有可能因纵向弯曲在螺旋筋尚未屈服时构件已经破坏;
(2)当按式(6–10)计算的受压承载力小于按式(6–5)计算的受压承载力时;
(3)当间接钢筋换算截面面积Asso小于纵筋全部截面面积的25%时,可以认为间接钢筋配臵太少,间接钢筋对核心混凝土的约束作用不明显。
此外,为了防止间接钢筋外面的混凝土保护层过早脱落,按式(6–10)算得的构件受压承载力不应大于按式(6–5)算得的构件受压承载力的1.5倍。
间接钢筋间距不应大于80mm及dcor5,也不小于40mm。间接钢筋的直径应按箍筋的有关规定采用。
偏心受压构件正截面受压破坏形态
(一)偏心受压短柱的破坏形态
压弯构件 偏心受压构件 截面配筋尺寸图 偏心距e0?0时,为轴心受压。
偏心受压构件的受力性能和破坏形态界于轴心受压构件和受弯构件。 偏心受压构件的破坏形态与偏心距e0和纵向钢筋配筋率有关
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(1)受拉破坏形态-大偏心受压破坏
条件:偏心距e0较大,且受拉侧纵向钢筋配筋率合适。
截面受拉侧混凝土较早出现横向裂缝,As的应力随荷载增加发展较快,首先达到屈服。
此后,裂缝迅速开展,中和轴上升,受压区高度迅速减小。
最后受压区混凝土达到其极限压应变值,出现纵向裂缝而压碎,构件达到破坏,受压纵筋屈服。这种破坏具有明显预兆,变形能力较大,属延性破坏,破坏特征与配有受压钢筋的适筋梁相似,承载力主要取决于受拉侧钢筋。
(2)受压破坏形态——小偏心受压破坏 条件(两种情况):
①当相对偏心距e0/h0较小
②或虽然相对偏心距e0/h0较大,但受拉侧纵向钢筋配臵较多时。 受压破坏形态-小偏心受压破坏
情况1:构件全截面受压或大部分受压。破坏从靠近轴向力N一侧受压边缘处的压应变达到混凝土极限压应变值而开始的。破坏时,受压应力较大一侧的混凝土被压坏,同侧的钢筋受压屈服,而远离轴向力N一侧的钢筋(远侧钢筋)可能受拉也可能受压,都不屈服。
截面最后是由于受压区混凝土首先压碎而达到破坏。
承载力主要取决于压区混凝土和受压侧钢筋,破坏时受压区高度较大,受拉侧钢筋未达到受拉屈服,破坏具有脆性性质。
情况2:远侧钢筋虽然受拉,但不屈服。受压侧混凝土被压碎,钢筋受压屈服,属脆性破坏。
受拉破坏 受压破坏
(二)长柱的正截面受压破坏
偏心受压长柱在纵向弯曲影响下,可能发生两种形式的破坏。长细比很大时构件的破坏不是由于材料引起的,而是由于构件纵向弯曲失去平衡引起的,称为失稳破坏;
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