第10章-局部承压

1、第10章 局部承压局部承压是指在构件的外表上，仅有局部面积承受压力的受力状态图10-1。图10-1 全部受压和局部承压a全截面受压b局部承压如图10-2所示，设构件截面积为A，正方形截面的宽度为 b。在构件端面 AB中心局部P1，此应力从构件端面向构H约等于b处的横截面的较小面积Ai宽度为a上作用有压力 N，其平均压应力为件内逐步扩散到一个较大的截面面积上。分析说明，在离端面距离CD上，压应力根本上已均匀分布，其压应力集度为p v P1。也就是说，构件的 CD面以下截面已属于全截面受压。一般把图10-2b中所示的ABCD区称为局部承压区。°占丹去® 0I屮I屮图10-2构件

2、端部的局部承受压区a局部承压区b横向正应力分布示意 c截面纵向正应力分布示意局部承压区的应力状态较为复杂。当近似按平面应力问题分析时，局部承压区中任何一点将产生三种应力，即 二X、二y和。二X为沿X方向图10-2所示试件横向的正应力， 在局部承压区的 A0BGFE局部，x为压应力，在其余局部为拉应力图 10-2b，最大横 向拉应力Cxmax发生在局部承压区 ABCD的中点附近。二y为沿y方向的正应力。在局部承 压区内，绝大局部的 二y都是压应力，0Y轴处的压应力 二y较大，其中又以 0点处为最大， 即等于P1。当b/a值较大时，在试件 A、B点附近，二x和二y都为拉应力，但其值都不大。局部受压

3、区内混凝土的抗压强度情况，可用图10-3所示承压面积相同150mm X150mm，而试件外形尺寸不同的混凝土轴心受压试验的抗压强度比照来说明，其中局部承压试件尺寸为 450mm X 450mm X 450mm，局部承压面积以钢垫板计为150mm X 150mm。试验结果说明，局部承压试件的抗压强度远高于同样承压面积的棱柱体抗压强度全截面受压，这主要是垫板下直接受压的混凝土的横向变形，不仅受钢垫板与试件外表之间摩擦力 的约束，而且更主要的是受试件外围混凝土的约束，中间局部混凝土纵向受压引起的横向扩张，使外围混凝土受拉， 其反作用力又使中间混凝土侧向受压，限制了纵向裂缝的开展，因a全截面受压构件破

4、坏 仁=16 MPab局部承压试件破坏仁=60 MPac局部承压破坏时外表裂缝综合上述可知，与全面积受压相比，混凝土构件局部承压有如下特点：1构件外表受压面积小于构件截面积；2局部承压面积局部的混凝土抗压强度，比全面积受压时混凝土抗压强度高；3在局部承压区的中部有横向拉应力图10-2，这种横向拉应力可使混凝土产生裂缝。局部承压是混凝土和钢筋混凝土结构中常见的受力形式之一。例如：桥梁墩台帽直接承受由支座垫板传来的局部集中荷载；拱或刚架的铰接支承点； 后张法预应力混凝土构件端部锚固区等。在工程实践中，因局部承压区混凝土开裂或局部承压能力缺乏而引起的事故 也屡有发生，因此，局部承压的计算是工程设计中

5、必须予以注意的问题之一。10.1局部承压的破坏形态和破坏机理对于混凝土局部承压的破坏形态， 国内外进行了大量的研究。研究说明，混凝土局部承 压的破坏形态主要与 A / A Al为局部承压面积，A为试件截面面积以及 A在外表上的 位置有关。对于 A对称布置于构件端面上的轴心局部承压，其破坏形态主要有三种，即1先开裂后破坏当试件截面积与局部承压面积比拟接近时一般A/ A v 9，在约为50%90%破坏荷载时，试件某一侧面首先出现纵向裂缝。随着荷载增加，裂缝逐渐延伸，其它侧面也相继出现类似裂缝。最后承压面下的混凝土被冲切出一个楔形体图10-4a，试件被劈成数块而发生劈裂破坏。2一开裂即破坏当试件截面

6、积与局部承压面积相比拟大时一般 9 v A/ A v 36，试件一开裂就破坏， 破坏很突然，裂缝从顶面向下开展， 裂缝宽度上大下小， 局部承压面积外围混凝土被劈成数 块，而局部承压面下的混凝土被冲剪成一个楔形体图10-4b。3局部混凝土下陷当试件的截面积与局部承压面积相比很大一般A/ A >36时，在试件整体破坏前，局部承压面下的混凝土先局部下陷，沿局部承压面四周的混凝土出现剪切破坏，但此时外围混凝土尚未劈裂，荷载还可以继续增加，直至外围混凝土被劈成数块而最终破坏。在实际工程中，前两种破坏形态较多。 在局部承压试验中， 试验荷载是通过局部承压钢 垫板作用在试件上，这是与实际工程中局部承压

7、作用形式是一致的。局部承压板与混凝土接触面间有摩擦阻力， 在破坏时，承压垫板下将出现楔形体。当A/ A >36时，破坏是由于这 个楔形体下陷而破坏，但这时试件并未劈裂；当 9 v A/ A v 36时，试件因楔形体的滑移使 试件劈裂破坏；当 A/A v 9时，横向拉应力先使试件外表形成裂缝，然后形成楔形体，最 后，试件由楔形体劈裂而破坏。图10-4 局部承压的破坏形态a当 a/ A <9 时 b当 9< a/ A <36 时关于混凝土局部承压的工作机理，国内外学者提出过许多看法，主要有两种理论，分别为1套箍理论这个理论认为，局部承压区的混凝土可看作是承受侧压力作用的混凝

8、土芯块。当局部荷载作用增大时，受挤压的混凝土向外膨胀，而周围混凝土起着套箍作用而阻止其横向膨胀， 因此，挤压区混凝土处于三向受压状态，提高了芯块混凝土的抗压强度。当周围混凝土环向拉应力到达抗拉极限强度时，试件即告破坏，其受力模型如图10-5所示。图10-5套箍理论的局部承压受力模型2剪切理论这个理论认为，在局部荷载作用下，局部承压区的受力特性， 犹如一个带多根拉杆的拱结构图10-6a。紧靠承压板下面的混凝土，亦即位于拉杆部位的混凝土，承受横向拉力。当局部承压荷载到达开裂荷载时，局部拉杆由于局部承压区中横向拉应力二x大于混凝土极限抗拉强度ft而断裂，从而产生了局部纵向裂缝，但此时尚未形成破坏机构

9、图10-6b。随着荷载继续增加， 更多的拉杆被拉断， 裂缝进一步增多和延伸， 内力进一步重分配。 当到产生剪切滑移面，楔形体的劈达破坏荷载时，承压板下的混凝土在剪压作用下形成楔形体,裂为最终导致拱机构破坏图10-6C。剪切理论的局部承压受力模型图 10-6a多根拉杆拱结构模型 b局部拉杆断裂后的拱结构 c拱结构破坏剪切理论较合理地反映了混凝土局部承压的破坏机理及受力过程。由这种理论建立的受力模型可以看到，局部承压区在不同受力阶段存在着两种类型的劈裂力。第一种是拱作用引起的横向劈裂拉力，它作用在拱拉杆部位， 这种拉力自加载开始至破坏前都存在；第二种劈裂力是楔形体形成时引起的， 它仅仅在接近破坏阶

10、段才产生， 作用部位在楔形体高度范围内。混凝土局部承压强度提高系数1混凝土局部承压提高系数：局部承压时混凝土的抗压强度高于棱柱体抗压强度，试验与研究说明，轴心局部承压混凝土强度提高系数 1 即混凝土局部承压强度与混凝土棱柱体抗压强度之比，与局部承压 的分布面积 Ab和局部承压面积 A之比 九/ A有重要关系。值随 九/ A增加而增大，但不按线性增大，而是接近二次曲线的规律增大。因而,?公路桥规?规定 1按下式计算:10-1式中A 局部承压面积考虑在钢垫板中沿 45°刚性角扩大的面积，当有孔道时对圆形承压面积而言不扣除孔道面积；Ab 局部承压的计算底面积，可根据图10-7来确定。关于局

11、部承压计算底面积 Ab确实定，是采用“同心对称有效面积法，即代应与局部承压面积A具有相同的形心位置，且要求相应对称。具体计算时，规定沿A各边向外扩大11的有效距离，不超过 A窄边尺寸b矩形或直径 a圆形等，详见图 10-7。图10-7中 的c为局部承压面到最靠近的截面边缘又称临空面的距离。图10-7 局部承压时计算底面积Ab的示意图2配置间接钢筋的混凝土局部承压强度提高系数：cor在实际工程中，遇到混凝土局部承压时，一般都要求在局部承压区内配置间接钢筋。大量试验证明，这样的配筋措施能使局部承压的抗裂性和极限承载能力都有显著提高。局部承压区内配置间接钢筋可采用方格钢筋网或螺旋式钢筋两种形式图10

12、-8。间接钢筋宜选I级钢筋，其直径一般为610mm。间接钢筋应尽可能接近承压外表 布置，其距离不宜大于 35mm。间接钢筋体积配筋率J是指核心面积Acor范围内单位体积所含间接钢筋的体积，应按以下公式计算。10-21当间接钢筋为方格钢筋网时图 10-8a:Acor S式中 s 钢筋网片层距;ni, Asi 分别是单层钢筋网沿 li方向的钢筋根数和单根钢筋截面面积； 匕，As2 分别是单层钢筋网沿 12方向的钢筋根数和单根钢筋截面面积;Acor方格网间接钢筋内外表范围的混凝土核心面积，其重心应与 A,的重心重合,计算时按同心，对称原那么取值。50%，且局部承压区间接钢筋不应此外，钢筋网在两个方向

13、的钢筋截面面积相差不应大于 少于4层钢筋网。dcorS2当间接钢筋为螺旋形钢筋时 图10-8b:10-3式中Assl 单根螺旋形钢筋的截面面积;d Cor 螺旋形间接钢筋内外表范围内混凝土核心的直径;s螺旋形钢筋的间距。螺旋形钢筋不应少于 4圈。°)Jh-J«lrTL、图10-8局部承压区内的间接钢筋配筋形式尺寸单位：mma方格网钢筋b螺旋形钢筋混凝土的抗压强度增加。采用在局部承压区中配置间接钢筋，其作用类似于螺旋箍筋柱中螺旋箍筋的作用，使得核心-cor来反映配置间接钢筋后混凝土局部承压强度提高的程度,cor> 1?公路桥规?规定按下式计算：cor ：10-4式中的A

14、cor为间接钢筋网或螺旋钢筋范围内混凝土核心面积，其值可参照图10-8所示进行计算，但是，应满足Ab > Acor > A且Acor的面积重心应与 A的面积重心重合。在实际工程中，假设为 Acor > Ab情况，那么应取 Acor = Ab。局部承压区的计算?公路桥规?要求必须进行局部承压区承载能力和抗裂性计算。1局部承压区的承载力计算对于配置间接钢筋的局部承压区，当符合Acor > A且Acor的重心与A的重心相重合的条件时，其局部承压承载能力可按下式计算：»F|d W Fu =0.9( nP fed +k p 陆 fsd )Aln 10-5式中Fq 局部受

15、压面积上的局部压力设计值。对后张法预应力混凝土构件的锚头局部受压区，可取倍张拉时的最大压力。s 混凝土局部承压修正系数，按表10-1采用；'混凝土承压强度的提高系数，按式10-1计算；k 间接钢筋影响系数，混凝土强度等级C50及以下时，取k=2.0 ； C50C80取k =2.01.70，中间直接插值取用，见表10-1。几一一间接钢筋的体积配筋率。当为方格钢筋网时，按式10-2计算；当为螺旋形钢筋时，按式10-3计算；cor 配置间接钢筋时局部承压承载能力提高系数，按式10-4计算；fsd 间接钢筋的抗拉强度设计值；Aln 当局部受压面有孔洞时，扣除孔洞后的混凝土局部受压面积计入钢垫板

16、中按45°刚性角扩大的面积。即An为局部承压面积 A减去孔洞的面积。混凝土局部承压计算系数s与k表10-1混凝土强度等级C50 WC55C60C65C70C75C80nsk2局部承压区的抗裂性计算为了防止局部承压区段出现沿构件长度方向的裂缝，保证局部承压区混凝土的防裂要求，对于在局部承压区中配有间接钢筋的情况，?公路桥规?规定局部承压区的截面尺寸应满足：oFid < Fcr 73 s 1 fed An 10-6式中fed为混凝土轴心抗压强度设计值。其余符号的意义与式10-5相同。例10-1 某钢筋混凝土双铰桁架拱桥，台帽承受主拱拱脚作用的支承力设计值Fld = 2200 KN，

17、其局部承压面积为 250mm x 300mm已考虑了矩形钢垫板厚度且沿45 °刚性角扩大的后面积，如图10-9所示。台帽采用C25混凝土， fed =11.5MPa 。配置方格网的间接钢筋采用 R235级钢筋，fsd =195MPa。试进行台帽的局部承压计算。图10-9 例10-1示意图解：由图10-9可知，矩形局部承压面积Al的长边边长 a = 300mm，短边边长b = 250mm，而矩形局部承压面积边缘至台帽边缘的最小距离c = 260mm > b，故由图10-7a可得到局部承压时的计算底面积 A及边长为J =250 2 250 = 750mmL2 =300 2 250

18、= 800mm52A, =750 800 =6 10 mm52而局部承压面积 A =250 300 =0.75 10 mm。根据图10-8的规定，设间接钢筋的网格核心混凝土面积尺寸为l2 = 600mm , Acor =500 600 =3 105mm2 > A= 0.75 105 mm2。由式10-1丨求混凝土局部承压强度提高系数1为5= 2.836 10-50.75 10因采用C25级混凝土，由表10-1可查得$ =1，故s 1 =2.83。由式10-4求配置间接钢筋时局部承压强度提高系数让。为3 1050.75 105=2设焊接钢筋网片沿 11方向的钢筋根数 山=6间距为100mm

19、；沿12方向的钢筋数 匕=7间距为100mm。而单根钢筋为0 6的面积= A$2 = 28.3mm2。根据图10-8规定，间接钢筋设置情况见图10-10。|Ii-i!r下1*«1 11VVVvV'11 < i i右1#e*-:!-3F'-4L. j Kk图10-10间接钢筋设置情况尺寸单位：mm图10-10中，顶层钢筋网片距局部承压面为30mm，各网片的层距s取100mm，间接钢筋网片的设置深度 H = 580mm，布置层数为 m=5，那么间接钢筋的配筋率 匚为口 _ Hi As*1 + 门2 As2l 2Acor S_ 6 28.3 500 7 28.3 600(500 汉 600)X00二 0.0068且n1As1“2As28=0.86 >0.57 28.31局部承压区混凝土抗裂性验算由式10-6不等号右局部可得到1.3 s 1 fed An =1.3 2.83 11.5 0.75 1 05 =3173.14kN > Fld =2200kN 局部承压区尺寸满足要求。2局部承压承载力计算由式10-5不等号右局部可得到0.9 s fed'2' - cor fsd An= 0.9 2.83 11.5 2 0.00