第6章 軸心受壓構(gòu)件正截面承載能力計算

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1、第6章軸心受壓構(gòu)件的正截面承載力計算當(dāng)構(gòu)件受到位于截面形心的軸向壓力作用時，稱為軸心受壓構(gòu)件。在實際結(jié)構(gòu)中，嚴格的軸心受壓構(gòu)件是很少的，通常由于實際存在的結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造、混凝土組成的非均勻性、縱向鋼筋的布置以及施工中的誤差等原因，軸心受壓構(gòu)件截面都或多或少存在彎矩的作用。但是，在實際工程中，例如鋼筋混凝土桁架拱中的某些桿件（如受壓腹桿）是可以按軸心受壓構(gòu)件設(shè)計的；同時，由于軸心受壓構(gòu)件計算簡便，故可作為受壓構(gòu)件初步估算截面、復(fù)核承載力的手段。鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件按照箍筋的功能和配置方式的不同可分為兩種：1）配有縱向鋼筋和普通箍筋的軸心受壓構(gòu)件（普通箍筋柱），

2、如圖6-1a）所示；2）配有縱向鋼筋和螺旋箍筋的軸心受壓構(gòu)件（螺旋箍筋柱），如圖6-1b）所示。普通箍筋柱的截面形狀多為正方形、矩形和圓形等?？v向鋼筋為對稱布置，沿構(gòu)件高度設(shè)置等間距的箍筋。軸心受壓構(gòu)件的承載力主要由混凝土提供，設(shè)置縱向鋼筋的目的是為了（1）協(xié)助混凝土承受壓力，可減少構(gòu)件截面尺寸；（2）承受可能存在的不大的彎矩；（3）防止構(gòu)件的突然脆性破壞。普通箍筋作用是，防止縱向鋼筋局部壓屈，并與縱向鋼筋形成鋼筋骨架，便于施工。螺旋箍筋柱的截面形狀多為圓形或正多邊形，縱向鋼筋外圍設(shè)有連續(xù)環(huán)繞的間距較密的螺旋箍筋（或間距較密的焊接環(huán)形箍筋）。螺旋箍筋的作用是

3、使截面中間部分（核心）混凝土成為約束混凝土，從而提高構(gòu)件的承載力和延性。6-156.1配有縱向鋼筋和普通箍筋的軸心受壓構(gòu)件6.1.1破壞形態(tài)按照構(gòu)件的長細比不同，軸心受壓構(gòu)件可分為短柱和長柱兩種，它們受力后的側(cè)向變形和破壞形態(tài)各不相同。下面結(jié)合有關(guān)試驗研究來分別介紹。在軸心受壓構(gòu)件試驗中，試件的材料強度級別、截面尺寸和配筋均相同，但柱長度不同（圖6-2）。軸心力P用油壓千斤頂施加，并用電子秤量測壓力大小。由平衡條件可知，壓力P的讀數(shù)就等于試驗柱截面所受到的軸心壓力N值。同時，在柱長度一半處設(shè)置百分表，測量其橫向撓度。通過對比試驗的方法，觀察長細比不同的軸心受

4、壓構(gòu)件的破壞形態(tài)。1）短柱當(dāng)軸向力P逐漸增加時，試件A柱（圖6-2）也隨之縮短，測量結(jié)果證明混凝土全截面和縱向鋼筋均發(fā)生壓縮變形。當(dāng)軸向力P達到破壞荷載的90%左右時，柱中部四周混凝土表面出現(xiàn)縱向裂縫，部分混凝土保護層剝落，最后是箍筋間的縱向鋼筋發(fā)生屈曲，向外鼓出，混凝土被壓碎而整個試驗柱破壞（圖6-3）。破壞時，測得的混凝土壓應(yīng)變大于1.8×10-3，而柱中部的橫向撓度很小。鋼筋混凝土短柱的破壞是一種材料破壞，即混凝土壓碎破壞。a)短柱的混凝土破壞b)局部方大圖圖6-2軸心受壓構(gòu)件試件（尺寸單位：mm）圖6-3軸心受壓短柱的破壞形態(tài)a)短柱的破壞b)局部放

5、大圖許多試驗證明，鋼筋混凝土短柱破壞時混凝土的壓應(yīng)變均在2×10-3附近，由混凝土受壓時的應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖1-10）可知，混凝土已達到其軸心抗壓強度；同時，采用普通熱軋的縱向鋼筋，均能達到抗壓屈服強度。對于高強度鋼筋，混凝土應(yīng)變到達2×10-3時，鋼筋可能尚未達到屈服強度，在設(shè)計時如果采用這樣的鋼材，則它的抗壓強度設(shè)計值僅為，即必須小于其抗拉強度設(shè)計值來取用。根據(jù)軸向力平衡，就可求得短柱破壞時的軸心力，它應(yīng)由鋼筋和混凝土共同負擔(dān)：（6-1）2）長柱試件B柱在壓力P不大時，也是全截面受壓6-15，但隨著壓力增大，長柱不僅發(fā)生壓縮變形，同時長柱中部產(chǎn)生較大的橫向

6、撓度，凹側(cè)壓應(yīng)力較大，凸側(cè)較小。在長柱破壞前，橫向撓度增加得很快，使長柱的破壞來得比較突然，導(dǎo)致失穩(wěn)破壞。破壞時，凹側(cè)的混凝土首先被壓碎，有混凝土表面縱向裂縫，縱向鋼筋被壓彎而向外鼓出，混凝土保護層脫落；凸側(cè)則由受壓突然轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾霈F(xiàn)橫向裂縫（圖6-4）。圖6-4軸心受壓長柱的破壞形態(tài)a)長柱的破壞b)局部放大圖圖6-5為短柱和長柱試驗的橫向撓度與軸向力P之間關(guān)系的對比圖。圖6-5軸心受壓構(gòu)件的橫向撓度a)橫向撓度沿柱長的變化b)橫向撓度與軸心壓力P的關(guān)系6-15由圖6-5及大量的其它試驗可知，短柱總是受壓破壞，長柱則是失穩(wěn)破壞；長柱的承載力要小于相同截面

7、、配筋、材料的短柱承載力。因此，可以將短柱的承載力乘以一個折減系數(shù)來表示相同截面、配筋和材料的長柱承載力：（6-2）式中——短柱破壞時的軸心壓力；——相同截面、配筋和材料的長柱失穩(wěn)時的軸心壓力；6.1.2穩(wěn)定系數(shù)鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件計算中，考慮構(gòu)件長細比增大的附加效應(yīng)使構(gòu)件承載力降低的計算系數(shù)稱為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，用符號表示。如前所述，穩(wěn)定系數(shù)就是長柱失穩(wěn)破壞時的臨界承載力力與短柱壓壞時的軸心力的比值，表示長柱承載力降低的程度。根據(jù)材料力學(xué)，各種支承條件柱的臨界壓力計算式為（6-3）式中——柱截面的抗彎剛度；——柱的計算長度。將式（6-3）和式（6-

8、1）代入式（6-2）中，可得到（6-4）式中，為柱混