《高等钢筋混凝土理论》第12章.ppt
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第12章 约束混凝土
2020/4/28
1
配筋的两种基本方式
• 混凝土结构中配设的受力钢筋有两种基本方式。 • 沿构件的轴力或主应力方向设置纵向钢筋，以保证抗
拉承载力或增强抗压承载力，钢筋的应力与轴力方向 一致，属直接配筋(第十一章)。 • 如果在轴压力或最大主压应力的垂直方向(即横向)配置 箍筋，以约束其内部混凝土的横向膨胀变形，从而提 高轴向抗压承载力，这种方式称横向配筋或间接配筋。
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4
螺旋箍筋柱的构造
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5
螺旋箍筋对混凝土的约束应力
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6
三种柱的性能对比
• 通过素混凝土柱、普通钢筋混凝土柱和螺旋箍筋柱等 三种柱的性能对比，来说明螺旋箍筋柱的受力机理和 破坏过程。
• 素混凝土柱和普通钢筋混凝土柱(第11章y<p的情况)
受轴压力后的轴力-应变曲线和截面应力状态已如前述。 • 柱内的纵向钢筋(As)虽能增强柱的抗压承载力，但对
16
核芯混凝土的最大约束压应力
• 根据图12-1(b)的平衡条件，当箍筋屈服时，核芯混凝 土的最大约束压应力为：
1
2
2 f yt Ast fcdcor s
1 2
t
fc
(12 5)
• 若核芯混凝土的三轴抗压强度按Richart公式(图6-7(a))
近似取用，则得：
fcc B fc 4 2 (1 2t ) fc
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3
螺旋箍筋柱的构造和约束应力
• 受压柱内配设连续的螺旋形箍筋或者单独的焊接圆形 箍筋，且箍筋沿柱轴线的间距较小(s<80mm和<dcor/5)， 对其包围的核芯混凝土(面积为Acor，直径为dcor)构成 有效的约束，使其受力性能有较大的改善和提高。
• 螺旋箍筋柱的构造和约束应力见下面的图。
N-曲线上形成下降段。
• 螺旋箍筋混凝土柱的承载力提高，特别是变形性能的 很大改善是其主要受力特点，工程中可加充分利用。
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13
螺旋箍筋柱的极限承载力
• 从螺旋箍筋柱的受力过程(N-曲线)中看到，其极限承
载力有两个控制值：
①纵筋受压屈服，全截面混凝土达棱柱体抗压强度fc(N1)。 此时混凝土的横向应变尚小，可忽略箍筋的约束作用，
箍筋施加径向压应力(2，图12-1(b))。箍筋对核芯混 凝土的反作用应力使其处于三轴受压应力状态(1= 2)， 提高其纵向抗压强度(3f >fc第6章)。
• 所以，核芯混凝土和外围混凝土的总承载力在柱子应 变增大后仍能缓缓上升。
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10
三种柱的性能对比——续
• 继续加大柱子应变 ，核芯混凝土的横向膨胀和箍筋应
力不断增大。当箍筋应力达到其屈服强度人时，它对 混凝土的约束应力也达到最大值。此时，核芯混凝土
的纵向应力尚未达三轴抗压强度(3 <3f )，柱的承载
力还能增加。
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11
三种柱的性能对比——续
• 此后，再增大柱子应变，箍筋应力fyt保持不变，核芯 混凝土在定值约束应力下继续横向膨胀，直至纵向应 力达到混凝土的三轴抗压强度，或称约束混凝土抗压
峰值应变和下降段曲线的影响很小(图12-2)。
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三种柱的性能对比——续
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三种柱的性能对比——续
• 螺旋箍筋柱的受压轴力-应变曲线如图12-2。
• 当柱子应变低于素混凝土的峰值应变( <p)时，混凝
土的横向膨胀变形(或泊松比，见第2章)很小，箍筋 沿圆周的拉应力不大，对核芯混凝土的约束作用不明 显，故轴力-应变曲线与普通箍筋柱的曲线接近。
强度(fcc =3f )时，柱子达极限承载力N2。 • 此时，柱的纵向应变已经很大，可达P2=1010-3，外
围混凝土即使未全部剥落，所剩压应力也极小了。
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12
三种柱的性能对比——续
• 最后，核芯混凝土在三轴受压应力状态下发生挤压流 动(第6章)，纵向应变加大，柱子明显缩短，横向膨胀 使柱子的局部成为鼓形外凸，箍筋外露并被拉断，在
d2 cor
s
4 Ast dcor s
(12 3)
• 乘以箍筋和混凝土酌强度比值后，命定约束指标，称 配箍特征值为：
t t
f yt fc
4 f yt Ast fcdcor s
(12 4)
• 式中：Ast为箍筋的截面积；fyt为箍筋屈服强度；dcor为 螺旋箍筋的内皮直径；s为纵向间距。
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(12 6)
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螺旋箍筋柱的极限承载力
• 将式(12-6)代人式(12-2)，并作变换后可建立：
N2 (1 2t ) fc Acor f y As
fc Acor 2 f yt t Acor f y As
• 当 =p时，螺旋箍筋柱的轴力(N1)仍与普通箍筋柱的
极限轴力(式11-13)接近。
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9
三种柱的性能对比——续
• 当柱的应变 >p后，箍筋外围的混凝土(面积为Ac-Acor)
进入应力下降段，开始形成纵向裂缝，并逐渐扩展， 发生表层剥落，这部分混凝土的承载力势必降低。
• 在此同时，核芯混凝土因泊松比增大而向外膨胀，对
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2
横向配筋的作用
• 有多种横向配筋的构造：如螺旋(圆形)箍筋、矩形箍 筋、钢管、焊接网片等。
• 横向配筋的主要作用是约束其内部混凝土的横向变形。 此外，混凝土结构承受局部作用的集中力，荷载面积 下的混凝土也受到周围混凝土的约束。
• 约束混凝土处于三轴受压应力状态，提高了混凝土的 强度和变形能力，成为工程中改善受压构件或结构中 受压部分的力学性能的重要措施。
N2 fcc Acor f y As
(12 2)
式中：fcc 为约束混凝土抗压强度，也即核芯混凝土的
三轴抗压强度(3f ，1=2 )。Acor为核芯混凝土的截面
积，取箍筋内皮直径dcor计算。
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横向箍筋的体积率和配箍特征值
• 横向箍筋的体积率取为 ：
t
dcor Ast
4
建立的计算式同式(11-13)：
N1 fc Ac f y As 式中：Ac为柱的全截面积。
(1Baidu Nhomakorabea 1)
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螺旋箍筋柱的极限承载力——续
②箍筋屈服后，核芯混凝土达三轴抗压强度fcc (N2) 。此 时柱的应变很大，外围混凝土已退出工作，纵向钢筋
仍维持屈服强度不变(图12-2(b))：
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配筋的两种基本方式
• 混凝土结构中配设的受力钢筋有两种基本方式。 • 沿构件的轴力或主应力方向设置纵向钢筋，以保证抗
拉承载力或增强抗压承载力，钢筋的应力与轴力方向 一致，属直接配筋(第十一章)。 • 如果在轴压力或最大主压应力的垂直方向(即横向)配置 箍筋，以约束其内部混凝土的横向膨胀变形，从而提 高轴向抗压承载力，这种方式称横向配筋或间接配筋。
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螺旋箍筋柱的构造
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螺旋箍筋对混凝土的约束应力
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三种柱的性能对比
• 通过素混凝土柱、普通钢筋混凝土柱和螺旋箍筋柱等 三种柱的性能对比，来说明螺旋箍筋柱的受力机理和 破坏过程。
• 素混凝土柱和普通钢筋混凝土柱(第11章y<p的情况)
受轴压力后的轴力-应变曲线和截面应力状态已如前述。 • 柱内的纵向钢筋(As)虽能增强柱的抗压承载力，但对
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核芯混凝土的最大约束压应力
• 根据图12-1(b)的平衡条件，当箍筋屈服时，核芯混凝 土的最大约束压应力为：
1
2
2 f yt Ast fcdcor s
1 2
t
fc
(12 5)
• 若核芯混凝土的三轴抗压强度按Richart公式(图6-7(a))
近似取用，则得：
fcc B fc 4 2 (1 2t ) fc
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螺旋箍筋柱的构造和约束应力
• 受压柱内配设连续的螺旋形箍筋或者单独的焊接圆形 箍筋，且箍筋沿柱轴线的间距较小(s<80mm和<dcor/5)， 对其包围的核芯混凝土(面积为Acor，直径为dcor)构成 有效的约束，使其受力性能有较大的改善和提高。
• 螺旋箍筋柱的构造和约束应力见下面的图。
N-曲线上形成下降段。
• 螺旋箍筋混凝土柱的承载力提高，特别是变形性能的 很大改善是其主要受力特点，工程中可加充分利用。
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螺旋箍筋柱的极限承载力
• 从螺旋箍筋柱的受力过程(N-曲线)中看到，其极限承
载力有两个控制值：
①纵筋受压屈服，全截面混凝土达棱柱体抗压强度fc(N1)。 此时混凝土的横向应变尚小，可忽略箍筋的约束作用，
箍筋施加径向压应力(2，图12-1(b))。箍筋对核芯混 凝土的反作用应力使其处于三轴受压应力状态(1= 2)， 提高其纵向抗压强度(3f >fc第6章)。
• 所以，核芯混凝土和外围混凝土的总承载力在柱子应 变增大后仍能缓缓上升。
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三种柱的性能对比——续
• 继续加大柱子应变 ，核芯混凝土的横向膨胀和箍筋应
力不断增大。当箍筋应力达到其屈服强度人时，它对 混凝土的约束应力也达到最大值。此时，核芯混凝土
的纵向应力尚未达三轴抗压强度(3 <3f )，柱的承载
力还能增加。
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三种柱的性能对比——续
• 此后，再增大柱子应变，箍筋应力fyt保持不变，核芯 混凝土在定值约束应力下继续横向膨胀，直至纵向应 力达到混凝土的三轴抗压强度，或称约束混凝土抗压
峰值应变和下降段曲线的影响很小(图12-2)。
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三种柱的性能对比——续
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三种柱的性能对比——续
• 螺旋箍筋柱的受压轴力-应变曲线如图12-2。
• 当柱子应变低于素混凝土的峰值应变( <p)时，混凝
土的横向膨胀变形(或泊松比，见第2章)很小，箍筋 沿圆周的拉应力不大，对核芯混凝土的约束作用不明 显，故轴力-应变曲线与普通箍筋柱的曲线接近。
强度(fcc =3f )时，柱子达极限承载力N2。 • 此时，柱的纵向应变已经很大，可达P2=1010-3，外
围混凝土即使未全部剥落，所剩压应力也极小了。
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三种柱的性能对比——续
• 最后，核芯混凝土在三轴受压应力状态下发生挤压流 动(第6章)，纵向应变加大，柱子明显缩短，横向膨胀 使柱子的局部成为鼓形外凸，箍筋外露并被拉断，在
d2 cor
s
4 Ast dcor s
(12 3)
• 乘以箍筋和混凝土酌强度比值后，命定约束指标，称 配箍特征值为：
t t
f yt fc
4 f yt Ast fcdcor s
(12 4)
• 式中：Ast为箍筋的截面积；fyt为箍筋屈服强度；dcor为 螺旋箍筋的内皮直径；s为纵向间距。
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螺旋箍筋柱的极限承载力
• 将式(12-6)代人式(12-2)，并作变换后可建立：
N2 (1 2t ) fc Acor f y As
fc Acor 2 f yt t Acor f y As
• 当 =p时，螺旋箍筋柱的轴力(N1)仍与普通箍筋柱的
极限轴力(式11-13)接近。
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三种柱的性能对比——续
• 当柱的应变 >p后，箍筋外围的混凝土(面积为Ac-Acor)
进入应力下降段，开始形成纵向裂缝，并逐渐扩展， 发生表层剥落，这部分混凝土的承载力势必降低。
• 在此同时，核芯混凝土因泊松比增大而向外膨胀，对
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横向配筋的作用
• 有多种横向配筋的构造：如螺旋(圆形)箍筋、矩形箍 筋、钢管、焊接网片等。
• 横向配筋的主要作用是约束其内部混凝土的横向变形。 此外，混凝土结构承受局部作用的集中力，荷载面积 下的混凝土也受到周围混凝土的约束。
• 约束混凝土处于三轴受压应力状态，提高了混凝土的 强度和变形能力，成为工程中改善受压构件或结构中 受压部分的力学性能的重要措施。
N2 fcc Acor f y As
(12 2)
式中：fcc 为约束混凝土抗压强度，也即核芯混凝土的
三轴抗压强度(3f ，1=2 )。Acor为核芯混凝土的截面
积，取箍筋内皮直径dcor计算。
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横向箍筋的体积率和配箍特征值
• 横向箍筋的体积率取为 ：
t
dcor Ast
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建立的计算式同式(11-13)：
N1 fc Ac f y As 式中：Ac为柱的全截面积。
(1Baidu Nhomakorabea 1)
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螺旋箍筋柱的极限承载力——续
②箍筋屈服后，核芯混凝土达三轴抗压强度fcc (N2) 。此 时柱的应变很大，外围混凝土已退出工作，纵向钢筋
仍维持屈服强度不变(图12-2(b))：