完整版矩形截面偏心受压构件正截面的承载力计算
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第7章偏心受压构件的正截面承载力计算当轴向压力N的作用线偏离受压构件的轴线时[图7-1a)],称为偏心受压构件。
压力N的作用点离构件截面形心的距离e称为偏心距。
截面上同时承受轴心压力和弯矩的构件[图7-1b)],称为压弯构件。
根据力的平移法则,截面承受偏心距为e的偏心压力N相当于承受轴心压力N和弯矩M(=Ne)的共同作用,故压弯构件与偏心受压构件的基本受力特性是一致的。
β)图7-1 偏心受压构件与压弯构件a)偏心受压构件b)压弯构件钢筋混凝土偏心受压(或压弯)构件是实际工程中应用较广泛的受力构件之一,例如,拱桥的钢筋混凝土拱肋,桁架的上弦杆、刚架的立柱、柱式墩(台)的墩(台)柱等均属偏心受压构件,在荷载作用下,构件截面上同时存在轴心压力和弯矩。
钢筋混凝土偏心受压构件的截面型式如图7-2所示。
矩形截面为最常用的截面型式,截面高度h大于600mm的偏心受压构件多采用工字形或箱形截面。
圆形截面主要用于柱式墩台、桩基础中。
图7-2 偏心受压构件截面型式a)矩形截面b)工字形截面c)箱形截面d)圆形截面在钢筋混凝土偏心受压构件的截面上,布置有纵向受力钢筋和箍筋。
纵向受力钢筋在截面中最常见的配置方式是将纵向钢筋集中放置在偏心方向的两对面[图7-3a)],其数量通过正截面承载力计算确定。
对于圆形截面,则采用沿截面周边均匀配筋的方式[图7-3b)]。
箍筋的作用与轴心受压构件中普通箍筋的作用基本相同。
此外,偏心受压构件中还存在着一定的剪力,可由箍筋负担。
但因剪力的数值一般较小,故一般不予计算。
箍筋数量及间距按普通箍筋柱的构造要求确定。
图7-3 偏心受压构件截面钢筋布置形式a)纵筋集中配筋布置b)纵筋沿截面周边均匀布置7.1 偏心受压构件正截面受力特点和破坏形态钢筋混凝土偏心受压构件也有短柱和长柱之分。
本节以矩形截面的偏心受压短柱的试验结果,介绍截面集中配筋情况下偏心受压构件的受力特点和破坏形态。
7.1.1 偏心受压构件的破坏形态钢筋混凝土偏心受压构件随着偏心距的大小及纵向钢筋配筋情况不同,有以下两种主要破坏形态。
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。
矩形截面偏心受压构件正截面的承载力计算-、矩形截面大偏心受压构件正截面的受压承载力计算公式(一)大偏心受压构件正截面受压承载力计算(1)计算公式由力的平衡条件及各力对受拉钢筋合力点取矩的力矩平衡条件, 计算公式:N 1 f c bx f y A s f y A s式中:N —轴向力设计值;a —混凝土强度调整系数;e —轴向力作用点至受拉钢筋A S合力点之间的距离;he e a (7-25)2e i e°e aT—考虑二阶弯矩影响的轴向力偏心距增大系数,按式(7-22)计算;e i —初始偏心距;e o —轴向力对截面重心的偏心距,e o = M/N ;e a —附加偏心距,其值取偏心方向截面尺寸的1/30和20 mm中的较大者;x —受压区计算高度。
(2)适用条件1)为了保证构件破坏时受拉区钢筋应力先达到屈服强度,要求x X b式中X b—界限破坏时,受压区计算高度,X b b h o ,心的计算见与受弯构件相同。
Ne 1 fcbx h02 f y A s h o a (7-24)可以得到下面两个基本(7-23)(7-26)(7-27)團社埜大催&量B■坏的■茴ttK屬腦2)为了保证构件破坏时,受压钢筋应力能达到屈服强度,和双筋受弯构件相同,要求满足:x 2a式中a'—纵向受压钢筋合力点至受压区边缘的距离。
(二)小偏心受压构件正截面受压承载力计算(1)计算公式根据力的平衡条件及力矩平衡条件可得式中x —受压区计算高度,当x> h,在计算时,取x= h;os —钢筋As的应力值,可根据截面应变保持平面的假定计算,亦可近似取:(7-28)N i f c bx f y A s s A sxNe 1 f c bx h02f y A s h o a sNe' i f c bx | ass A s h0 a s(7-29)(7-30)(7-小備心5E压计算图解(■M虚拉不思■加儿豎氐F腑IMG儿曼压屈要求满足:x b —界限破坏时受压区计算高度,X bb ho ;X b /h o ;e 、e '‘一分别为轴向力作用点至受拉钢筋A 合力点和受压钢筋 A’合力点之间的距离(2)对于小偏心受压构件当 N f c bh 时,除按上述式(7-30)和式(7-31)或式(7-32)计算外,还应满足下列条件:式中h o —钢筋A s 合力点至离纵向较远一侧边缘的距离,即 h o h a s 。
二、不对称配筋矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力的计算 (一) 截面设计1.大偏心受压构件的计算 第一种情况:已知:截面尺寸bxh ,混凝土的强度等级,钢筋种类(在一般情况下 A s 及A ’取同一种钢筋),轴向力设计值 N 及弯矩设计值 M ,长细比l o /h 。
求:钢筋截面面积 A s 及A s 解:1.判断大小偏心受压 (1)计算偏心距e o M;附加偏心距e a ,其值取偏心方向截面尺寸的 h/30和20mm 中的较大者。
N贝 Ve i e o e a(2)考虑偏心距增大系数计算 l °「h ,当 l o h 5时: 1.0 ;当 l o h 5 时:(7-32)b —分别为相对受压区计算咼度x/h o 和相对界限受压区计算高度a ah -2 qG h - 2 e33e 0 e ah f c bh h o2f y A s h o a s (7-35 )1_ Io 1400勺 h h o0 5 f A截面修正系数 1的取值:1 c;且当Z 1> 1时,取Z 1 = 1。
N构件长细比对截面曲率的修正系数2的取值:l o. h 15时,21.0l o/h 15~30时,2=1.15 O.O1l o/h(3) 判断大小偏心受压若e 0.3h 。
,可按小偏压情况计算; 若e 0.3h 。
,可按大偏压情况计算; (4) 计算钢筋截面面积 A s 及Ae e h/2 aA Ne 1 f cbh 0 b 1 0.5 b ^A s''f y h 0 aIA1f cbh0 bN A ' f yA sA s -fyfy第二种情况:已知:截面尺寸bxh ,混凝土的强度等级,钢筋种类(在一般情况下 A s 及A ’取同一种钢筋),受压钢筋A s 的数量,轴向力设计值 N 及弯矩设计值 M ,长细比l °/h 。
求:钢筋截面面积 A s 解:1 •判断大小偏心受压(1) 计算偏心距q M;附加偏心距e a ,其值取偏心方向截面尺寸的 h/30和20mm 中的较大者。
N则e i e 0 e a(2) 考虑偏心距增大系数计算 l °「h ,当 I 。
h 5 时: 1.0 ;当 l °.「h 5 时:211 hI1 21400鱼 hh o0 5 f A截面修正系数 1的取值:1c;且当Z 1> 1时,取Z 1 = 1。
N构件长细比对截面曲率的修正系数2的取值:I 。
, h 15时,21.0l °/h 15~30时,2=1.15 0.01l °/h(3) 判断大小偏心受压minbh °若e 0.3h o ,可按小偏压情况计算; 若e o.3h o ,可按大偏压情况计算;(4) 计算受压区高度X 由 e e i h 2 a(5)xb h o ,应加大构件截面尺寸,或按 A s 未知的情况来重新计算,使其满足 b h o 的条件。
(6)2a x b h o ,计算钢筋截面面积 A sAi f cbx f y A s Nfy(7) x 2a ',对受压钢筋A s 合力点取矩,计算 A s 值得:N e i另外,再按不考虑受压钢筋 A s ,即取A s = 0,利用式下式计算 A s 值,然后与用式(7-38) 求得的A 值作比较,取其中较小值配筋。
e e i h 2 aN1 f cbx f y'A s f y A sx '''Ne 1 f c bx h of y A s h o a22•小偏心受压构件的计算已知:在荷载作用下柱的轴向力设计值N ,弯矩M ,截面尺寸b h ,混凝土的强度等级,钢筋种类(在一般情况下 A s 及A s 取同一种钢筋),钢筋的强度等级,构件计算长度 l o 。
求:钢筋截面面积 A s 及A s 。
解:1 •判断大小偏心受压 (1) 计算偏心距e 0 M ;附加偏心距e a ,其值取偏心方向截面尺寸的h/30和20mm 中的较大者。
N贝 Ve i e o e a(2) 考虑偏心距增大系数计算 l °「h ,当 I 。
, 5时: 1.0 ;当 l o h 5 时:Nef y A s h o a 解X 的二次方程计算出XA sf y h o a(7-38)1_ Io1400勺h h o0 5 f A截面修正系数1的取值:1c;且当Z 1> 1时,取Z 1 = 1。
N构件长细比对截面曲率的修正系数2的取值:l o. h 15时,2 1.0l o/h 15~30时,2=1.15 O.O1l o/h(3)判断大小偏心受压若e 0.3h。
,可按小偏压情况计算;若e 0.3h。
,可按大偏压情况计算;2 •计算钢筋截面面积A s及A s(1)计算min bh,取 1 0.8,用式(7-31)和式(7-32)求得可先假定A sNe s A s h0 a s (7-31)(7-32)?若cs < o,取A = p min bh,用式(7-31)和式(7-32)重新求。
(2)计算相对受压区计算高度如下:cy 2 1 (7-39) (3)若满足b则按下式求得A s(4)(5)Ne 1 f c bx h0X ''2 fyAs h0b,按大偏心受压计算a s (7-30) h/h。
cy,此时s达到计算时可取s cy,通过下式求得A s和A s值。
Ne 1X ''f c bX h0 - f y A s h0a s (7-30)a ssb 1Ne 1 fcbX f as h0 a s (7-31)同时应满足:同时应满足:min 0.2%。
(二)承载力复核已知:截面尺寸b h,钢筋截面积A s和A s,混凝土强度等级及钢筋种类,构件长细比l0/h,轴向力设计值N,求:截面是否能承受该N值,或已知N值时,求能承受弯矩设计值M。
解:1.弯矩作用平面的承载力复核第一种情况:已知轴力设计值N,求弯矩设计值M(1 )计算界限情况下的受压承载力设计值N ub先将已知的b, h, A s, A s和b代入下式N ub 1 f c bx f y A s f y A s(2)如果N本ub,则为大偏心受压可按式(7-23)求x:N 1 f c bx f y A s f y A s(7-23) 再将x和由式(7-22)求得的n代人式(7-24 )求e0 :121 1。
(7-22) 1400^ hh o1 2Nex1 f c bx h02f y A s h0 a(7-24)(6)若h/h。
,则取sNe i f c bx h oNe i f c bx f c bh h oh ' '2 fyAs h0 asCy,通过下式求得A s和A s值。
f y A s h° a s(7-35 )(7-30)a s s A s h0 a s (7-31)(7)对于e0 e a f c bh h o f y A s h°a s (7-35 )0的情况,A s和A s应分别满足A smin bh, A min min bh的要求,则弯矩设计值M=N e o 。
(3)如N>N ub ,为小偏心受压, 应按式(7-30)和式(7-33)求x :第二种情况:已知偏距 e o ,求轴力设计值N (1)因截面配筋已知,故可按图 7-22对N 作用点取矩求X 。
(2) 当x$b 时,为大偏压,将x 及已 知数据代入式(7-23)可求解出轴力设计值 N 即为所求。
N 1f c bx f y A sf y A s(7-23)(3) 当x>X b 时,为小偏心受压,将已 知数据代入式(7-30)、式(7-31)和式(7-33) 联立求解轴力设计值 N 。
2. 垂直于弯矩作用平面的承载力复核无论是设计题或截面复核题,是大偏心受压还是小偏心受压, 除了在弯矩作用平面内依照偏心受压进行计算外,都要验算垂直于弯矩作用平面的轴心受压承载力。
此时,应考虑$值,并取b 作为截面高度。
(1) 由I o b 查表7 — 1得: (2) 下式得:再将x 及n 代入式 1 f cbx f y A ssA sb(7-31)e o 及 M :11400勺 bil ohNe 1 f c bxh ox '' 2fyAsho as(7-29) (7-32)(7-22)(7-30)Ne1 f cbx h ox 2f y A s h 0 a s(7-30)Ne '1 f cbx 亍1a ss A s h 0 a s(7-31 )1 f(7-32)sf yb 1N 0.9 f c bh f y A A该值略小于N ,但相差小于5%,可以认为验算结果安全。