偏心受壓構(gòu)件是指軸向力的作用點(diǎn)位于截面形心之外的構(gòu)件。軸向力N對截面形心偏離的距離e0,如圖,稱偏心距。偏心受壓構(gòu)件不論其具體的受力情況如何,對任一截面而言,即受有軸向壓力,又承受彎矩。偏心受壓構(gòu)件應(yīng)用很廣,例如鋼筋混凝土拱橋的主拱圈(archring)、剛架橋的支柱、橋墩(piers)、橋臺(abutments)等。
二、偏心受壓構(gòu)件的構(gòu)造
1、截面:
現(xiàn)澆的偏心受壓構(gòu)件一般多采用矩形截面,應(yīng)將長邊布置在彎矩作用的方向,長短邊比值一般為1.5~3.0,為了模板尺寸模數(shù)化,邊長宜采用5cm的倍數(shù)。
預(yù)制的裝配式結(jié)構(gòu)(prefabricated members)中,常采用T形、工字形和箱形截面。柱式橋墩、鉆孔灌注樁等是圓形截面。
2、材料:
常用的混凝土強(qiáng)度等級為C20、C25、C30或更高級別。宜盡可能地采用強(qiáng)度等級較高的混凝土。
不宜采用高強(qiáng)鋼筋,以免因不能發(fā)揮其高強(qiáng)作用而造成浪費(fèi)。
3、配筋:
縱向受力鋼筋的直徑,凈距及保護(hù)層厚度等規(guī)定,均與軸心受壓相同。截面每側(cè)的縱向鋼筋的最小配筋率不宜小于0.2%,縱向受力鋼筋大多按對稱布置。
箍筋的間距S和直徑d必須滿足下列規(guī)定:
(縱向受力鋼筋直徑),或,或,。
當(dāng)被箍筋固定的縱向受力鋼筋的配筋率大于3%時(shí),箍筋間距S≤10d,且不大于200mm。
當(dāng)構(gòu)件截面寬度b≤400mm及每側(cè)鋼筋不多于4根時(shí),形式如圖;當(dāng)構(gòu)件截面寬度b>400mm時(shí),則可采用形式如圖。
三、偏心受壓構(gòu)件的破壞形態(tài)
1、脆性破壞——小偏心受壓構(gòu)件,如下圖。
(1)發(fā)生場合:當(dāng)偏心距eo很小時(shí);或當(dāng)偏心距較小時(shí)或雖然偏心距較大,但此時(shí)配置了較多受拉鋼筋。
(2)破壞形態(tài):應(yīng)力較邊混凝土應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度極限值而壓碎,相應(yīng)的受壓鋼筋應(yīng)力能達(dá)到屈服強(qiáng)度,受拉邊或壓應(yīng)力較小邊的鋼筋應(yīng)力一般達(dá)不到鋼筋的屈服強(qiáng)度。這是一種無明顯預(yù)兆的破壞,其破壞性質(zhì)屬于脆性破壞。
2、塑性破壞——大偏心受壓構(gòu)件,如下圖。
(1)發(fā)生場合:當(dāng)偏心距eo較大時(shí)。
(2)破壞形態(tài):破壞時(shí),受拉鋼筋應(yīng)力先達(dá)到屈服強(qiáng)度,這時(shí)中性軸上升,受壓區(qū)面積減小,壓應(yīng)力增加,最后使受壓區(qū)混凝土應(yīng)力達(dá)到彎曲抗壓強(qiáng)度而破壞。此時(shí)受壓區(qū)的鋼筋一般也能達(dá)到屈服強(qiáng)度。破壞前有明顯的預(yù)兆,彎曲變形顯著,裂縫開展甚寬,這種破壞稱塑性破壞。
3、界限破壞(大小偏心界限)
界于以上兩種破壞狀態(tài)之間的破壞狀態(tài)稱為界限破壞。用界限系數(shù)來表示。
當(dāng)時(shí),為大偏心受壓
當(dāng)>時(shí),為小偏心受壓
如用偏心距eo來鑒別,必須確定相應(yīng)于界限狀態(tài)時(shí)的偏心距eb,參照第三章雙筋受彎構(gòu)件計(jì)算簡圖和公式,偏心受壓界限狀態(tài)的計(jì)算簡圖,如圖所示。
界限狀態(tài)偏心距的變化如圖所示。
e0<0.3(為小偏心)
e0≥0.3(一般為大偏心)
(三)偏心受壓構(gòu)件的N一M相關(guān)曲線
以對稱配筋截面為例
如圖所示。ab段表示大偏心受壓時(shí)的N一M相關(guān)曲線。隨著N的增大,M也相應(yīng)提高。b點(diǎn)為受拉鋼筋與受壓混凝土同時(shí)達(dá)到其強(qiáng)度值的界限狀態(tài)。此時(shí)偏心受壓構(gòu)件承受的彎矩最大。be段表示小偏心受壓時(shí)的N一M曲線。由曲線趨向可以看出,在小偏心受壓情況下,隨著N的增大,M反而降低。圖中a點(diǎn)表示受彎構(gòu)件的情況,c點(diǎn)代表軸心受壓構(gòu)件的情況。曲線上任一點(diǎn)d的坐標(biāo)代表截面承載力的一種和的組合。如任意點(diǎn)e位于圖中曲線的內(nèi)側(cè),說明截面在該點(diǎn)坐標(biāo)給出的內(nèi)力組合下未達(dá)到承載能力極限狀態(tài),是安全的;若e點(diǎn)位于圖中曲線的外側(cè),則表明截面的承載力不足。
4、偏心受壓構(gòu)件的縱向彎曲影響
(1)偏心距增大系數(shù)η:《公橋規(guī)》規(guī)定,計(jì)算偏心受壓構(gòu)件時(shí),對于矩形截面lo/h>5(h為彎矩作用平面內(nèi)的截面高度),對于圓形截面lo/dl>5(dl為圓形截面直徑),對于任意截面lo/γi>17.5(γi為彎矩作用平面內(nèi)截面的回轉(zhuǎn)半徑),均應(yīng)考慮構(gòu)件在彎矩作用平面內(nèi)的撓度(deflection)對縱向力偏心距的影響。此時(shí),應(yīng)將縱向力對截面重心軸的偏心距eo乘以偏心距增大系數(shù)η,即
如圖,兩端鉸接的偏心受壓構(gòu)件彈性曲線方程為
時(shí),,
因此,偏心距增大系數(shù)η為:
引入偏心距影響系數(shù),同時(shí)考慮構(gòu)件長細(xì)比對曲率的影響,引入修正系數(shù)
式中為受壓邊緣混凝土極限壓應(yīng)變,取=0.0033。為鋼筋屈服時(shí)的應(yīng)變值=0.0017。在長期荷載作用下,考慮到混凝土徐變影響,混凝土極限壓應(yīng)變再乘以系數(shù)1.25。
引入進(jìn)行修正。該公式的適用范圍為。當(dāng)時(shí),影響不顯著,無需修正,取;當(dāng)時(shí),構(gòu)件已由材料破壞變?yōu)槭Х(wěn)破壞,不在考慮范圍之內(nèi),時(shí),最小值=0.85。
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