基本构件计算单筋矩形截面受弯构件承载力计算
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3.2 正截面承载力计算钢筋混凝土受弯构件通常承受弯矩和剪力共同作用,其破坏有两种可能:一种是由弯矩引起的,破坏截面与构件的纵轴线垂直,称为沿正截面破坏;另一种是由弯矩和剪力共同作用引起的,破坏截面是倾斜的,称为沿斜截面破坏。
所以,设计受弯构件时,需进行正截面承载力和斜截面承载力计算。
一、单筋矩形截面1.单筋截面受弯构件沿正截面的破坏特征钢筋混凝土受弯构件正截面的破坏形式与钢筋和混凝土的强度以及纵向受拉钢筋配筋率ρ有关。
ρ用纵向受拉钢筋的截面面积与正截面的有效面积的比值来表示,即ρ=As/(bh0),其中A s为受拉钢筋截面面积;b为梁的截面宽度;h0为梁的截面有效高度。
根据梁纵向钢筋配筋率的不同,钢筋混凝土梁可分为适筋梁、超筋梁和少筋梁三种类型,不同类型梁的具有不同破坏特征。
①适筋梁配置适量纵向受力钢筋的梁称为适筋梁。
适筋梁从开始加载到完全破坏,其应力变化经历了三个阶段,如图3.2.1。
第I阶段(弹性工作阶段):荷载很小时,混凝土的压应力及拉应力都很小,应力和应变几乎成直线关系,如图3.2.1a。
当弯矩增大时,受拉区混凝土表现出明显的塑性特征,应力和应变不再呈直线关系,应力分布呈曲线。
当受拉边缘纤维的应变达到混凝土的极限拉应变εtu时,截面处于将裂未裂的极限状态,即第Ⅰ阶段末,用Ⅰa表示,此时截面所能承担的弯矩称抗裂弯矩M cr,如图3.2.1b。
Ⅰa阶段的应力状态是抗裂验算的依据。
第Ⅱ阶段(带裂缝工作阶段):当弯矩继续增加时,受拉区混凝土的拉应变超过其极限拉应变εtu,受拉区出现裂缝,截面即进入第Ⅱ阶段。
裂缝出现后,在裂缝截面处,受拉区混凝土大部分退出工作,拉力几乎全部由受拉钢筋承担。
随着弯矩的不断增加,裂缝逐渐向上扩展,中和轴逐渐上移,受压区混凝土呈现出一定的塑性特征,应力图形呈曲线形,如图3.2.1c。
第Ⅱ阶段的应力状态是裂缝宽度和变形验算的依据。
当弯矩继续增加,钢筋应力达到屈服强度f y,这时截面所能承担的弯矩称为屈服弯矩M y。
钢筋代换计算公式一、抗弯承载力(强度)验算:单筋矩形截面受弯构件正截面受弯承载力计算基本公式为:M≤Mu=fyAs(ho-fyAs/2a1fcb)当砼强度等级超过C50,a1取1.0.钢筋代换后的截面强度:fy2As2(ho2-fy2As2/2fcb)≥fy1As1(ho1-fy1As1/2fcb)fy2---拟代换钢筋的抗拉强度设计值fy1---原设计钢筋的抗拉强度设计值As2---拟代换钢筋的截面面积As1---原设计钢筋的截面面积ho2---拟代换钢筋合力作用点至构件截面受压边缘的距离ho1---原设计钢筋合力作用点至构件截面受压边缘的距离fc---砼抗压强度设计值b---构件截面宽度二、钢筋代换抗剪承载力(强度)验算:钢筋砼受弯构件,当配有箍筋和弯起钢筋时,其:斜截面受剪承载力的计算公式为:v≤0.7ftbho+1.25fyvAsvho/s+0.8fyAstysinαs,αs---斜截面上弯起钢筋与构件纵向轴向的夹角,一般取αs=45°,当梁截面较高时取αs=60°即钢筋砼受弯斜截面所承受的剪力主要由三部分组成:1.砼承担的剪力;2、箍筋承担的剪力;3、弯起钢筋承担的剪力。
其中:箍筋所承担的剪力为:vsv=1.25fyvAsvho/s, 所以,(1)、箍筋代换应满足:fyv2Asv2/s2≥fyv1Asv1/s1fyv2---拟代箍筋换的抗拉强度设计值fyv1---原设计箍筋的抗拉强度设计值Asv2---拟代换箍筋截面积Asv1---原设计箍筋截面积s2---拟代换箍筋沿构件长度方向上的距离s1---原设计箍筋沿构件长度方向上的距离弯起钢筋所能承载的剪力为:vsb=0.8fyAsbsinαs,所以,(2)、弯起钢筋代换后应满足:fy2Asb2≥fy1Asb1fy2---拟代换弯起钢筋的抗拉强度设计值fy1---原设计弯起钢筋的抗拉强度设计值Asb2---同一弯起平面内拟代换弯起钢筋的截面积Asb1---同一弯起平面内原设计弯起钢筋的截面积当fy2Asb2<fy1Asb1时,即拟代换弯起钢筋抗力小于原设计弯起钢筋的抗力时,可通过适当增强箍筋的方法补强。
矩形截面偏心受压构件正截面承载力的计算一、基本公式1. 计算图式2. 基本公式由0=∑x N 得:)](11[g g g gsa cb u j A A R bx R N N σγγγ-''+=≤ 由0=∑gA M 得:)](1)2(1[00g g g sa cb u j a h A R x h bx R M e N '-''+-=≤γγγ由0=∑'gA M 得:)](1)2(1[0g g g sg a c b u j a h A a x bx R M e N '-+'--=≤'σγγγ 混凝土受压区高度由下式确定:e A R e A xh e bx R g gg g a '''-=+-σ)2(0(对偏心作用力点取矩) e e '、-分别为偏心压力j N 作用点至钢筋g A 合力作用点和钢筋g A '合力作用点的距离,按下式计算:η=e g a h e -+20;η='e g a h e '+-203.公式的注意事项(1)钢筋g A 的应力g σ取值当jg h x ξξ≤=0时,构件属于大偏心受压构件,这时取g g R =σ(受拉钢筋屈服);当jg h x ξξ>=0时,构件属于小偏心受压构件,这时g σ按下式计算,但不大于g R 值:)19.0(003.0-=ξσg g E ,式中g E 为受拉钢筋的弹性模量。
(2)为保证构件破坏时,大偏心受压构件截面上的受压钢筋能达到抗压设计强度gR ',必须满足g a x '≥2,否则受压钢筋的应力可能达不到g R '。
与双筋截面受弯构件类似,这时可近似取g a x '=2,由截面受力平衡条件(0=∑'g A M )可得:)(0gg g s bu j a h A R M e N '-=≤'γγ 上式计算的正截面承载力u M 比不考虑受压钢筋gA '更小时,计算中不考虑受压钢筋g A '的影响。
3.2 例题例4-1: 一钢筋砼矩形截面简支梁,计算跨度l 0=6.0m ,截面尺寸: b ×h =250mm×600mm ,承受均布荷截标准值g k =15kN/m(不含自重),均布活截标准值q k =18KN/m ,一类环境,试确定该梁的配筋并给出配筋图。
解:1.选择材料,确定计算参数选用 C25级砼: f C =11.9N/mm 2 α1=1.0钢筋:HRB335级 f y =300N/mm 2 取C=25 ξb =0.55 a s =35 h 0=600-35=5652.确定荷载设计值,据《荷载规范》 取:γG =1.2 γQ =1.4恒载设计值:G =γG (g k +b ×h ×γ)=1.2(15+0.25×0.6×25)=22.5KN/m活载设计值:Q =γQ ×q k =1.4×18=25.2kN/m 3.确定梁跨中截面弯矩设计值 M =()228181lQ G ql+=mKN .65.2140.67.47812=⨯⨯=4.确定构件重要性系数0γ 据《规范》:一般构件0γ=1.05.求受压区高度x由∑x=0 f y A s =1αf c bx∑M=0 M=α1f c bx(h o -2x ) 联立求解可得:mmbf Mh h x C 76.1462509.110.11065.2140.1256556526210200=⨯⨯⨯⨯⨯--=--=αγ6.求受拉钢筋的面积A s A s =2137.145530076.1462509.110.1mmf bxf yC =⨯⨯⨯=α5.求截面抵抗矩系数αs226.05652509.110.11065.2142621=⨯⨯⨯⨯==bh f MC sαα6.求ξ, A sξ=260.0226.0211211=⨯--=--s α 或查表: αs=0.26 → ξ=0.260 γs =0.87A s =26145687.0.5653001065.214mmr h f Mso y =⨯⨯=7.选择钢筋据《规范》附录B ,选用22,As=1520mm 2 钢筋净距: s =25373224252250>=⨯-⨯-8.验算适用条件,据《规范7.2.1》 x =147.76<75.31056555.00=⨯=h bξ或55.026.0=<=b ξξ据《规范9.5.1》, A s =1520 > ρmin bh 0=0.002×250×600=300 ρmin =45f t /f y =45×1.27/300=0.0019=0.19% 均满足要求。
单筋矩形截面受弯构件承载力计算
一、计算简图
二、基本公式与适用条件
1.基本公式
由截面上水平方向内力之和为零,得到
gga
ARbxR
由截面上对受拉钢筋合力T作用点的力矩之和等于零,可得
20xhbxRMM
c
a
uj
对压区混凝土合力C作用点取力矩,可得
20xhARMM
gsguj
式中: Mj——考虑了荷载安全系数后计算截面上的荷载效应(计算弯矩);
Mu——受弯构件计算截面的承载能力(抗力);
Ra——混凝土轴心抗压设计强度;
Rg——钢筋抗拉设计强度;
x——按等效矩形应力图的计算受压区高度;
b——截面宽度;
h0——截面有效高度;h0=h-a (a为钢筋截面中心至截面受拉边缘距离)
c,
S
——分别为混凝土和钢筋的材料安全系数。25.1Sc
2.系数法公式
)5.01(0A
)
0
211A
5.010
;)211(5.000A
则可得 0201AbhRMacu
001hARMggSu
单筋矩形截面受弯构
件承载力计算
计算简图
3.适用条件
(1)为防止出现超筋梁情况,计算受压区高度x应满足
0hxig
或 gaigRRmax
混凝土受压区界限高度系数
(2)为防止出现少筋梁的情况,计算的配筋率应满足
min
纵向受拉钢筋最小配筋率(%)
钢筋种类
混凝土标号(MPa)
20及以下 25~40 50~60
I级钢筋 0.15 0.2 0.25
Ⅱ、Ⅲ级钢筋及5号钢筋 0.10 0.15 0.20
注:受压区有翼缘的T形截面构件,表中配筋率系指钢筋截面面积与构件腹板宽乘以有效高度的截面面积之比。
三、计算方法及计算步骤
1. 截面设计
已知:计算弯矩Mj,混凝土和钢筋材料级别,截面尺寸b及h
求:钢筋截面面积Ag
解:
(1)假设钢筋截面积的重心至截面受拉边缘距离为a。对于绑扎钢筋骨架的梁,可设a≈40mm(布
置一层钢筋时)或65mm(布置两层钢筋时)。对于板,一般可根据板厚假设a为25mm或35mm。这样可
得到有效高度h0
ahh
0
(2)求A0
00bhRMAa
jc
(3)计算相应的及
0
0
211A
5.010
;)211(5.000A
(4)求得所需的钢筋面积
钢筋种类 I级钢筋 5号钢筋 Ⅱ Ⅲ级钢筋
jg
0.65 0.60 0.55
00hRMAg
jS
g
0bhRRAgag
(5)选择钢筋直径并进行截面布置后,得到实际配筋面积Ag、a及h0。
(6)计算配筋率
=Ag/bh0,Ag为受拉钢筋截面面积,b为梁宽;h0为梁的有效高度
min
(7)验算公式的适用条件
0hxig
或 gaigRRmax
2.截面复核
已知:截面尺寸b、h,混凝土和钢筋材料级别gR和aR,钢筋面积Ag
求:截面承载能力uM
解:
(1)计算配筋率,且应满足 min。
(2)计算受压高度x
bR
AR
xagg
(3)若x>igh0,则为超筋截面,其承载能力为
)5.01(120igigacubhRM
(4)当x igh0时
计算系数: =x/h0
)5.01(0A
)
或5.010;)211(5.000A
(5)求截面承载能力uM
0201AbhRMacu
或001hARMggSu
若求得的Mu
讨论:
在实际工程中,进行截面设计时,截面尺寸b及h常常是未知的,此时,需要根据工程经验或构造规
定等来假设。一般可根据计算跨度及荷载大小来选择。根据所选断面,算出Ag。若=0.006~0.015(矩形
梁)或=0.003~0.016(板),说明所选截面基本合理,否则可重新设b或h。
(1)对于矩形梁一般可取lh151~81,宽度取5.2~5.1hhb,为统一模板尺寸,便于施工,梁宽一
般采用b=12cm、15cm、16cm、18cm、20cm、22cm、25cm、30cm、35cm等尺寸,随后可按5cm一级增
加;高度h一般取5cm为一级,采用如30cm、35cm……75cm、80cm、90cm等。
(2)板厚lh351~251,板的宽度b取1m。但其最小厚度应加以限制其最小厚度:行车道不小于
10 cm,人行道不小于8cm。板的厚度,一般以1cm为模数。预制板宽度一般为1m,其最小厚度,行车道
不小于10cm,人行道不小于5cm。