鋼筋混凝土矩形截面單向偏心受壓柱正截面承載力討論

覃銀輝 成潔筠

摘?要：在對鋼筋混凝土矩形截面單向偏心受壓柱的正截面承載力計(jì)算時(shí)，通常有兩種計(jì)算方法，對稱配筋與非對稱配筋，無論哪種計(jì)算方法，首先需要初步判別大小偏心類型，再進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。本文通過算例說明，對于大偏壓情況下的非對稱配筋，初步判別不能作為最終的偏心構(gòu)件判別標(biāo)準(zhǔn)，必須在初步判別的基礎(chǔ)上合理選擇鋼筋直徑和根數(shù)，得到確切的鋼筋面積后進(jìn)行復(fù)核，才能確保ξξb，從而保證大偏心受壓破壞。對于對稱配筋，當(dāng)ei0.3h0且NNb，定義構(gòu)件的大小偏心意義并不大，按照構(gòu)造配筋即可滿足構(gòu)件正截面承載力要求。

關(guān)鍵詞：偏心受壓柱;對稱配筋;非對稱配筋;大小偏壓;復(fù)核

在框架結(jié)構(gòu)中，柱子作為最核心的受力構(gòu)件，起著非常重要的作用，所以在設(shè)計(jì)過程中需要遵循“強(qiáng)柱弱梁”的原則，柱子一旦損壞將發(fā)生難以預(yù)計(jì)的后果，造成難以估量的損失?？蚣芙Y(jié)構(gòu)柱有矩形、工字形、圓形等，最常見的為矩形。柱的受力狀態(tài)通常為偏心受力，即截面上既作用軸向力N，又作用彎矩M，偏心又分為單向偏心和雙向偏心，單向偏心承載力計(jì)算為雙向偏心受壓承載力計(jì)算的基礎(chǔ)，因此，主要討論單向偏心受壓承載力計(jì)算。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2012）（2015版）[1]，單向偏心受壓可以分為大偏心受壓與小偏心受壓兩種受力狀態(tài)[2]，大偏心受壓的破壞特征是離軸向力較遠(yuǎn)一側(cè)的鋼筋首先受拉屈服，然后受壓區(qū)混凝土壓壞，這種破壞具有明顯的預(yù)兆，變形急劇增大，屬于延性破壞;小偏心受壓的破壞特征是，受壓區(qū)混凝土達(dá)到其抗壓強(qiáng)度，而遠(yuǎn)離軸向力一側(cè)的鋼筋并未受拉屈服，破壞沒有明顯的預(yù)兆，屬于脆性破壞。大小偏心判別的標(biāo)準(zhǔn)是遠(yuǎn)離軸向力一側(cè)的縱向鋼筋是否受拉屈服，用公式表述為ξξb。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)開始時(shí)無法得到確切的ξ值，通常采用先初步判別再設(shè)計(jì)的方法，初步判別的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)設(shè)計(jì)要求的不同而不同，設(shè)計(jì)要求通常有對稱配筋與非對稱配筋兩種情況。初步判別有助于設(shè)計(jì)人員迅速找到合適的公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但如果在設(shè)計(jì)過程中，僅僅依賴初步判別結(jié)果，而忽略后續(xù)的細(xì)節(jié)，也可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的不合理，從而帶來可能的安全隱患。

一、非對稱配筋正截面設(shè)計(jì)

非對稱配筋，即在圖1中，As≠As′。對于非對稱配筋，常用的設(shè)計(jì)步驟為：（1）根據(jù)初始偏心距的大小進(jìn)行大小偏壓的初步判別，如偏心距較大，則為大偏壓，否則為小偏壓;由于不同強(qiáng)度等級的混凝土和不同強(qiáng)度等級的鋼筋最小相對界限偏心距在0.3h0左右，所以本文采用ei與0.3h0來判斷大小偏心，如ei>0.3h0，則初步判別為大偏壓，否則為小偏壓。（2）根據(jù)初步判別的偏心類型選擇相對應(yīng)的公式進(jìn)行As，As′的計(jì)算;（3）判別計(jì)算出的As，As′是否滿足最小配筋率等構(gòu)造要求;（4）選擇既滿足構(gòu)造要求，又滿足計(jì)算要求的鋼筋根數(shù)和直徑[3]，得到確切的鋼筋面積。在上述的設(shè)計(jì)步驟中，忽略了一個(gè)重要的過程，沒有進(jìn)行鋼筋面積的復(fù)核，而把初步判別結(jié)果作為了最終判別大小偏心的依據(jù)。但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，對于非對稱配筋大偏心受壓破壞，配置出的鋼筋如果不重新進(jìn)行ξ的復(fù)核，而僅僅滿足構(gòu)造要求與計(jì)算要求，柱在極限狀態(tài)下有可能發(fā)生的是小偏心受壓破壞（脆性），而不是大偏心受壓破壞（延性），從而帶來巨大的安全隱患，并且?guī)聿槐匾膿p失和浪費(fèi)，接下來用一個(gè)算例來說明復(fù)核的重要性。

算例1：已知矩形截面鋼筋混凝土柱，構(gòu)件環(huán)境類別為一類，設(shè)計(jì)使用年限為50年。截面設(shè)計(jì)尺寸：b×h=300mm×500mm，荷載產(chǎn)生的軸向壓力設(shè)計(jì)值為N=850kN，柱兩端彎矩設(shè)計(jì)值分別為M1=153kN·m，M2=252kN·m。柱的計(jì)算長度l0=4.8m。該柱采用HRB400級鋼筋，混凝土強(qiáng)度等級為C30。采用非對稱配筋，試配置鋼筋[2]。

解答過程如下：（1）計(jì)算彎矩設(shè)計(jì)值M（考慮二階效應(yīng)）（計(jì)算過程略）：

（4）選配鋼筋，為了證明復(fù)核的重要性，選擇5種鋼筋進(jìn)行計(jì)算。

從表中結(jié)果可以看出，五種情況選配的鋼筋都滿足受力要求及構(gòu)造要求，但是從復(fù)核情況來看，僅僅兩種情況與預(yù)判結(jié)果相一致，為大偏心受壓破壞，其余兩種情況都為小偏心受壓破壞，所以在非對稱配筋計(jì)算過程中，選擇鋼筋以后的復(fù)核步驟必不可少。同時(shí)，從表中結(jié)果可以看出，當(dāng)受壓一側(cè)鋼筋不變時(shí)，僅僅受拉一側(cè)鋼筋出現(xiàn)變化，但偏心種類依然發(fā)生改變。因此在大偏心非對稱配筋過程中，首先需要確定受壓鋼筋的面積，然后根據(jù)受壓一側(cè)鋼筋的面積，合理選擇受拉一側(cè)的鋼筋，再進(jìn)行ξ的復(fù)核，確保在極限狀態(tài)下發(fā)生的破壞是大偏心受壓破壞。配置過多的遠(yuǎn)側(cè)受拉鋼筋很有可能使得構(gòu)件在極限狀態(tài)下鋼筋無法受拉屈服，從而發(fā)生小偏壓破壞的可能，除了在破壞形態(tài)帶來不利影響外，還造成不必要的浪費(fèi)。

二、對稱配筋正截面承載力計(jì)算

算例2：已知某矩形截面偏心受壓構(gòu)件b×h=400mm×600mm，l0=6m，構(gòu)件環(huán)境類別為一類，設(shè)計(jì)使用年限為50年。在截面上作用一偏心力N=475kN，其偏心距ei=120mm，采用對稱配筋，該柱采用的混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼筋等級為HRB400級，試配置鋼筋[7]。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，算例2與算例3的最大拉應(yīng)力都很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋的抗拉屈服強(qiáng)度。因此，當(dāng)截面偏心距很小且承擔(dān)的軸力也小于Nb時(shí)，截面很難達(dá)到承載力極限狀態(tài)，遠(yuǎn)側(cè)鋼筋無論是受拉還是受壓都很難屈服，所以定義為大偏壓還是小偏壓意義并不太大[8]，按照構(gòu)造配筋即可滿足構(gòu)件承載力的要求。

結(jié)語

根據(jù)上述算例可以看出，對于非對稱配筋的大偏心受壓構(gòu)件，計(jì)算出的As、As′除了需要滿足計(jì)算要求和構(gòu)造要求外，在選擇合適的鋼筋根數(shù)和直徑得到確切的鋼筋面積后，必須進(jìn)行ξ的復(fù)核，以免實(shí)際破壞模式與預(yù)判破壞模式不一致，帶來可能的安全隱患;對于對稱配筋的偏心受力構(gòu)件，當(dāng)ei0.3h0且NNb，無論是按照受力分析還是破壞特征，判斷大小偏心并沒有太大意義，按照構(gòu)造配筋即可滿足計(jì)算要求。

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作者簡介：覃銀輝（1981—?），女，土家族，湖南常德人，碩士，講師，研究方向：混凝土裝配式結(jié)構(gòu)。