混凝土结构轴心受压柱设计

1、混凝土结构轴心受压柱设计第1页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第2页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第3页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第4页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第5页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第6页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第7页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第8页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第9页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第10页，共71页，2022年，5月

2、20日，2点12分，星期五第11页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第12页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第13页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第14页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第15页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第16页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第17页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 柱是以承受轴向压力为主的受压构件。 在建筑结构中，柱支承水平结构构成空间，并逐层传递上部结构荷载至基础。柱在水工混凝土结构中应用非常广泛，

3、如水闸工作桥立柱、渡槽的支承刚架立柱、水电站厂房立柱等。 另外，闸墩、桥墩等也都属于柱。第18页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 根据轴向压力作用位置不同，受压柱可以分为轴心受压柱和偏心受压柱两种类型。 （1）当轴向压力通过柱截面重心时，称为轴心受压柱；当轴向压力与柱截面重心有一个偏心矩e0时，称为偏心受压柱。 （2）当柱截面上同时作用有通过截面重心的轴向压力N和弯矩M时，因为轴向压力N和弯矩M可以换算成具有偏心矩e0 = M /N的偏心轴向压力，所以也称为偏心受压柱。如图3-3所示。第19页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 实际工程中，真正的轴心受

4、压柱是不存在的。因为实际的荷载合力对构件截面重心来说总是或多或少存在着偏心. 例如:混凝土浇注不均匀，构件尺寸的施工误差，钢筋的不对称布置，装配式构件安装定位的不准确，都会导致轴向力产生偏心。当偏心矩小到在设计中可忽略不计时，如等跨柱网的内柱、只承受节点荷载的桁架压杆、码头中的桩等结构，则可近似按轴心受压柱计算。第20页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五钢筋混凝土柱的构造一、截面形式和尺寸三、纵向钢筋二、混凝土四、箍筋第21页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五一、截面形式和尺寸 1.截面形式 （1）轴心受压构件一般采用方形或圆形截面。 （2）偏心受压构件

5、常采用矩形截面，截面长边布置在弯矩作用方向，长边与短边的比值一般为1.52.5。偏心受压构件可采用工字形、T形等形状的截面。第22页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 柱截面尺寸与长度相比不宜太小. 水工建筑中，现浇立柱的边长不宜小于300mm，否则施工缺陷所引起的影响就较为严重。水平浇筑的装配式柱则不受此限制。 为了施工支模方便，截面尺寸一般采用整数。柱截面边长在800mm及以下时，以50mm为模数递增，800mm以上时，以100mm为模数递增。第23页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五二、混凝土 柱的受压承载力主要取决于混凝土的强度，采用强度等级较高

6、的混凝土，可减小构件截面尺寸并节省钢材，比较经济。柱常用的混凝土强度等级是C25或更高强度等级的混凝土；若截面尺寸不是由强度条件确定时（如闸墩），也可采用C15混凝土。第24页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五三、纵向钢筋（1）强度 （2）配筋率 （3）根数与直径 （4）布置与间距 第25页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 柱内纵向受力钢筋与混凝土共同承担轴向压力和弯矩。柱内配置的纵向受力钢筋常用HRB335级、HRB400级或RRB400级。对受压钢筋来说，不宜采用高强度钢筋。 （1）强度 受压构件的纵向钢筋，其数量不能过少。否则构件破坏时呈脆性，这

7、对抗震不利。（2）配筋率 第26页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五钢筋混凝土柱基本最小配筋率min项次分 类钢筋等级HPB235HRB335HRB400、RRB4001受弯构件、偏心受拉构件的受拉钢筋梁板0.250.200.200.150.200.152轴心受压柱的全部纵向钢筋0.600.550.503偏心受压构件的受拉或受压钢筋柱、肋拱墩墙、板、板拱0.250.200.200.150.200.15第27页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 纵向钢筋也不宜过多，配筋过多既不经济，也不便于施工。 柱中全部纵向受力钢筋的经济配筋率在0.8%2%范围内。 若

8、荷载较大及截面尺寸受限制时，配筋率可适当提高，但全部纵向钢筋配筋率不宜超过5% 。第28页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第29页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五纵向钢筋第30页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第31页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五（3）根数与直径 方形和矩形柱中纵向钢筋的根数不得少于4根，每边不得少于2根；圆形柱中纵向钢筋宜沿周边均匀布置，根数不宜少于8根，且不应少于6根。纵向受力钢筋直径d不宜小于12 mm，过小则钢筋骨架柔性大，施工不便。工程中通常在1232mm范围内选择。第32页，

9、共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第33页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第34页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五（4）布置与间距 轴心受压柱的纵向受力钢筋应沿周边均匀布置.； 偏心受压柱的纵向受力钢筋则沿垂直于弯矩作用平面的两个边布置。 当偏心受压柱的截面长边h 600mm时，沿平行于弯矩作用平面的两个侧面应设置直径为1016mm的纵向构造钢筋，其间距不应大于400mm，并相应设置复合箍筋或连系拉筋。第35页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第36页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第37页

10、，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 轴心受压柱和偏心受压柱中的纵向受力钢筋，其间距（中矩）不应大于300mm。纵向钢筋的净距不应小于50mm ，如图3-4所示。水平浇筑的预制柱，纵筋最小静距要求与梁相同。 纵向钢筋的混凝土保护层厚度的要求与梁相同。第38页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五四 箍筋（1）作用、级别与形状 （2）直径 （3）间距 （4）复合箍筋 第39页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第40页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 柱中的箍筋: （1）保证纵向钢筋的位置正确. （2）防止纵向钢筋受压时向

11、外弯凸和混凝土保护层横向胀裂剥落. （3）可以抵抗剪力，从而提高柱的承载能力和延性。（1）作用、级别与形状 柱的箍筋一般采用HPB235级钢筋、HRB335级钢筋，也可采用HRB400级钢筋，且应做成封闭式，并与纵筋绑扎或焊接形成整体骨架。第41页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第42页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 对于热轧钢筋，箍筋直径不应小于0.25倍纵向钢筋的最大直径，且不应小于6mm。（2）直径 箍筋的间距（中距）不应大于构件截面的短边尺寸，且不应大于400mm，同时在绑扎骨架中不宜大于15d；在焊接骨架中不宜大于20d。其中，d为纵向钢

12、筋的最小直径，如图3-4所示。（3）间距 第43页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第44页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 (1)当柱内纵向钢筋采用绑扎搭接时，搭接长度范围内的箍筋应加密。 (2)当钢筋受拉时，其箍筋间距s5d，且s 100mm；当钢筋受压时，箍筋间距s 10d，且s 200mm。 (3)当受压钢筋直径d25mm时，尚应在搭接接头两个端面外100mm范围内各设置两个箍筋。 (4)当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率超过3%时，箍筋直径d 8mm，间距s 10d（d为纵向钢筋的最小直径），且s 200mm，而且应采用焊接封闭式箍筋。第45页，

13、共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五（4）复合箍筋 当柱截面短边尺寸大于400mm，且各边纵向钢筋多于3根时， 当柱截面短边尺寸不大于400mm，但各边纵向钢筋多于4根时，应设置复合箍筋，以防止位于中间的纵向钢筋向外弯凸。 复合箍筋布置原则是尽可能使每根纵向钢筋均处于箍筋的转角处，若纵向钢筋根数较多，允许纵向钢筋隔一根位于箍筋的转角处。 轴心受压柱的复合箍筋布置如图3-5所示。偏心受压柱的复合箍筋布置如图3-6所示。第46页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第47页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第48页，共71页，2022年，5月20

14、日，2点12分，星期五第49页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 轴心受压柱的设计试验分析 一 普通箍筋柱的计算 二 第50页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五一、试验分析短柱破坏试验长柱破坏试验（一）（二）第51页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 轴心受压柱按照箍筋配置方式不同，可分为普通箍筋柱和螺旋箍筋柱。本节仅学习普通箍筋柱。 柱承载力计算理论也是建立在试验基础之上。试验表明，构件的长细比对构件承载力影响较大。轴心受压柱的长细比是指柱计算长度l0与截面最小回转半径i或矩形截面的短边尺寸b之比。 当l0/i28或l0/b8，为短

15、柱；当l0/i28或l0 / b8，为长柱。第52页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五（一）短柱破坏试验 弹性 阶段 砼与钢筋始终保持共同变形，整个截面的应变是均匀分布的，两种材料的压应变保持一致，应力的比值基本上等于两者弹性模量之比。 弹塑性 阶段 随着荷载逐渐增大，砼塑性变形开始发展，随着柱子变形的增大，混凝土应力增加得越来越慢，钢筋应力增加得越来越快，两者的应力比值不再等于弹性模量之比。第53页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 破坏阶段 当轴向加载达到柱子破坏荷载的90%时，柱子出现与荷载方向平行的纵向裂缝，砼保护层剥落，最后，箍筋间的纵向钢筋向

16、外弯凸，砼被压碎而破坏。 破坏时，砼的应力达到轴心抗压强度fc，钢筋应力也达到受压屈服强度fy。第54页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第55页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五第56页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 长柱在轴向压力作用下，不仅发生压缩变形同时还发生纵向弯曲，凸侧由受压，在荷载不大时，全截面受压，但内凹一侧的压应力比外凸一侧的压应力大。随着荷载增加突然变为受拉，出现受拉裂缝，凹侧砼被压碎，纵向钢筋受压向外弯曲（右图）。 轴心受压长柱的破坏形态（二）长柱破坏试验第57页，共71页，2022年，5月20日，2点12分

17、，星期五 试验表明，影响值的主要因素是柱的长细比。当l0 / b8时，为短柱，可不考虑纵向弯曲的，取=1.0；当l0 / b8时，为长柱，值随l0 / b的增大而减小，值与l0 / b的关系见下页表3-1。 必须指出，采用过分细长的柱子是不合理的，因为柱子越细长，受压后越容易发生纵向弯曲而导致失稳，承载力降低越多，材料强度不能充分利用。因此，对一般建筑物中的柱，常限制长细比l0 / b30及l0 / h25（b为截面短边尺寸，h为长边尺寸）。 第58页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五表3-1 钢筋混凝土轴心受压柱的稳定系数810121416182022242628l0/i

18、2835424855626976839097 1.00.980.950.920.870.810.750.700.650.600.56L0/b3032343638404244464850L0/i104111118125132139146153160167174 0.520.480.440.400.360.320.290.260.230.210.19第59页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五 注：表中l0构件计算长度，按表3-2计算；b矩形截面的短边尺寸；截面最小回转半径。 柱的计算长度l0与构件的两端支承情况有关，可由表3-2查得。在实际工程中，支座情况并非理想的固定或不移动

19、铰支座，应根据具体情况具体分析。第60页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五表 3-2 构件的计算长度l0 构件及两端约束情况计算长度l0直杆两端固定0.5l一端固定，一端为不移动的铰0.7 l两端均为不移动的铰1.0 l一端固定，一端自由2.0 l 注：l 构件支点间长度。第61页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五二、普通箍筋柱的计算（一）计算公式（二）截面设计（三）承载力复核第62页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五（一）计算公式 根据上述受力分析，轴心受压柱正截面受压承载力计算简图如图3-9所示。 根据计算简图和内力平衡条件，并满

20、足承载能力极限状态设计表达式的要求，可得轴心受压普通箍筋柱正截面受压承载力计算公式： KN（fcA+fyAs） 第63页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五式中 K承载力安全系数，由表1-7查得； N轴向压力计算值； 钢筋砼轴心受压柱稳定系数，由表3-1查得； fc混凝土轴心抗压强度设计值； A构件截面面积，当纵向钢筋配筋率 =As/ A 3时，式中A应改用混凝土净截面面积，An=AAs； As全部纵向受压钢筋的截面面积。第64页，共71页，2022年，5月20日，2点12分，星期五（二）截面设计 柱的截面尺寸可由构造要求或参照同类结构确定。然后根据构件的长细比由表3-1查出值，再用公式（3-1）计算钢筋截面面积。 （3-2） 计算出钢筋截面面积As后，应验算配筋率是否合适（柱子的合适配筋率在0.8%2%范围内）。 如果过小或过大，说明截面尺寸选择不当，需要重新选择与计算。 截面设计步骤见图3-9b。 第65页，共71页，2022年，5月20日，2点