第七章 偏心受压构件的正截面承载力计算.doc

第七章 偏心受压构件的正截面承载力计算
1、钢筋混凝土偏心受压构件截面形式与纵向钢筋布置有什么特点？
答：钢筋混凝土偏心受压构件的截面形式有矩形截面、工字形截面、箱形截面和圆形截面。矩形截面为最常用的截面形式。截面高度大于600mm的偏心受压构件多采用工字形或者箱形截面。圆形截面主要用于柱式墩台、桩基础中。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，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。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。但是因为剪力的数值一般较小，所以一般不予计算。箍筋数量以及间距按普通箍筋柱的构造要求确定。
2、简述钢筋混凝土偏心受压构件的破坏形态和破坏类型？
答：钢筋混凝土偏心受压构件随着偏心距的大小以及纵向钢筋配筋情况不同，有以下两种主要破坏形态。
（1）受拉破坏——大偏心受压破坏
在相对偏心距较大，且受拉钢筋配置得不太多时，会发生这种破坏形态。短柱受力后，截面靠近偏心压力N的一侧（钢筋为）受压，另一侧（钢筋为）受拉。随着荷载增大，受拉区混凝土先出现横向裂缝，裂缝的开展使受拉钢筋的应力增长较快，首先达到屈服。中和轴向受压边移动，受压区混凝土压应变迅速增大，最后，受压区钢筋屈服，混凝土达到极限压应变而压碎。其破坏形成与双筋矩形截面梁的破坏形态相似。
（2）受压破坏——小偏心受压破坏
小偏心受压就是压力N的初始偏心距较小的情况。
依偏心距的大小以及受拉区纵向钢筋数量，小偏心受压短柱破坏时的截面应力分布可分为以下几种情况。
纵向压力偏心距很小，但是离纵向压力较远一侧钢筋数量少而靠近纵向力N一侧钢筋较多时，则截面的实际重心轴就不在混凝土截面形心轴而向右偏移。这样，截面靠近纵向力N的一侧，即原来压应力较小而布置得过少的一侧，将负担较大的压应力。于是，尽管仍是全截面受压，但是远离纵向力N一侧的钢筋将由于混凝土的应变达到极限压应变而屈服，但是靠近纵向力N一侧的钢筋的应力有可能达不到屈服强度。
‚当纵向力偏心距较小时，或者偏心距较大而受拉钢筋较多时，截面大部分受压而小部分受拉。中和轴距受拉钢筋很近，钢筋中的拉应力很小，达不到屈服强度。
ƒ当纵向偏心压力偏心距很小时，构件截面将全部受压，中和轴位于截面以外。破坏时，靠近压力N一侧混凝土应变达到极限压应变，钢筋达到屈服强度，而离纵向压力较远一侧的混凝土和受压钢筋均没有达到其抗压强度。
偏心受压构件的破坏类型：钢筋混凝土偏心受压构件按长细比可以分为短柱、长柱和细长柱。
短柱：偏心受压短柱中，虽然偏心力作用将产生一定的侧向变形，但是其u值很小，一般可以忽略不计。即可以不考虑二阶弯矩，各截面中的弯矩均可认为等于，弯矩M与轴向力N呈线性关系。‚长柱：矩形截面柱，当时即为长柱。长柱受偏心力作用时的侧向变形u较大，二阶弯矩影响也不可以忽视，因此，实际偏心距是随荷载的增大而非线性增加，构件控制截面最终仍然是由于截面中材料达到其强度极限而破坏，属材料破坏。ƒ细长柱：长细比很大的柱。当偏心压力N达到最大值时，侧向变形u突然剧增，此时，偏心受压构件截面上钢筋和混凝土的应变均未达到材料破坏时的极限值，即压杆达到最大承载能力是发生在其控制截面材料强度还未达到其破坏强度，这种破坏类型称为失稳破坏。
3、钢筋混凝土矩形截面（非对称配筋）偏心受压构件的截面设计和截面复核中，如何判断是大偏心受压还是小偏心受压？
答：（1）截面设计：大、小偏心受压的初步判别：在进行偏心受压构件的截面设计时，通常已知轴向力组合设计值和相应的弯矩组合设计值或者偏心距，材料强度等级，截面尺寸,以及弯矩作用平面内构件的计算长度，要求确定纵向钢筋数量。
在偏心受压构件截面设计时，可以采用下述方法来初步判定大、小偏心受压：当时，可以先按小偏心受压构件进行设计计算，当时，则可按大偏心受压构件进行设计计算。
（2）截面复核：进行截面复核，必须已知偏心受压构件截面尺寸、构件的计算长度、纵向钢筋和混凝土强度设计值、钢筋面积和以及在截面上的布置，并已知轴向力组合设计值和相应的弯矩组合设计值，然后复核偏心压杆截面是否能承受已知的组合设计值。
偏心受压构件需要进行截面在两个方向上的承载力复核，即弯矩作用平面内和垂直于弯矩作用平面的截面承载力复核。
1.弯矩作用平面内截面承载力复核
大、小偏心受压的判别
判定偏心受压构件是大偏心受压还是小偏心受压的充要条件是与之间的关系。即当时，为大偏心受压，当时，为小偏心受压。在截面承载力复核中，因为截面的钢筋布置已定，所以必须采用这个充要条件来判定偏心受压的性质。
截面承载力复核时，可以先假设为大偏心受压。这时，钢筋中的应力，代入式，
即得：，解得受压区高度，再由求得。当时，为大偏心受压。当时，为小偏心受压。
‚当时：若，由式计算的即为大偏心受压构件截面受压区高度，然后按式进行截面承载力复核。若时，由式求截面承载力。
ƒ当时，为小偏心受压构件。
2.垂直于弯矩作用平面的截面承载力复核
偏心受压构件，除了在弯矩作用平面内可能发生破坏外，还可能在垂直于弯矩作用平面内发生破坏，例如设计轴向压力较大而在弯矩作用平面内偏心矩较小时。垂直于弯矩作用平面的构件长细比较大时，有可能是垂直于弯矩作用平面的承载力起控制作用。因此，当偏心受压构件在两个方向的截面尺寸、以及长细比值不同时，应对垂直于弯矩作用平面进行承载力复核。
4、与非对称布筋的矩形截面偏心受压构件相比，对称布筋设计时的大、小偏心受压的判别方法有何不同之处？
答：对称配筋是指截面的两侧用相同钢筋等级和数量的配筋，即、、。对于矩形截面对称配筋的偏心受压构件，仍根据基本公式进行计算，也可分为截面设计和截面复核两种情况。
（1）截面设计
大、小偏心受压构件的判别：现假定为大偏心受压，由于是对称配筋，，，相当于补充一个设计条件。现令轴向力计算值，则由式可得到：，以代入上式，整理后可得到：。当按式计算的时，按大偏心受压构件设计。当时，按小偏心受压构件设计。
（2）截面复核：截面复核仍是对偏心受压构件垂直于弯矩作用方向和弯矩作用方向都进行计算，计算方法与截面非对称配筋方法相同。
5、圆形截面偏心受压构件的纵向受力钢筋布置有何特点和要求？
答：特点：圆形截面偏心受压构件的纵向受力钢筋，通常是沿圆周均匀布置，其根数不少于6根。对于预制或现浇的一般钢筋混凝土圆形截面偏心受压构件，纵向钢筋的直径不宜小于12mm，混凝土保护层厚度详情见附表。而对于钻孔灌注桩，其截面尺寸较大（桩直径D=800—1500mm）,桩内纵向受力钢筋的直径不宜小于14mm，根数不宜小于8根，钢筋间净距不宜小于50mm，混凝土保护层厚度不小于60—80mm，箍筋直径不小于8mm，箍筋间距200—400mm。
要求：《公路桥规》规定，计算偏心受压构件正截面承载力时，对长细比（为构件截面回转半径）的构件或者长细比（矩形截面）、长细比（圆形截面的构件），应考虑构件在弯矩作用平面内的变形（变位）对轴向力偏心距的影响。此时，应将轴向力对截面重心轴的偏心距乘以偏心距增大系数。
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