辨析结构设计中剪跨比、轴压比和剪压比.pdf

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1、辨析结构设计中剪跨比、轴压比和剪压比赵清清(建研科技股份有限公司设计软件事业部)一、前言结构设计中经常会碰到“剪跨比”“轴压比”和“剪压比”这3个概念。虽然规范中关于这3个概念有明确的条文和说明,但当放下规范,对于这3个概念还是有些混淆和疑问。本文对这3个概念进行了辨析,希望能有助于设计人员的理解。二、剪跨比砼规2.1.23有明确定义:截面弯矩与剪力和有效高度乘积的比值,M/Vh。0剪跨比实质上是截面上正应力σ与剪应力τ的比值关系。正应力σ与剪应力τ决定了主应力的大小和方向,所以必然对斜截面的抗剪性能和破坏形态起着重要影

2、响。梁1.013.03.0破坏形态斜压破坏剪压破坏斜拉破坏表1剪跨比对梁的破坏形态的影响斜压破坏和斜拉破坏都属于突然的脆性破坏,结构设计时要尽量避免。柱1.51.52.02.0类型极短柱短柱长柱破坏形态剪切斜拉破坏剪切破坏多发生弯曲破坏表2剪跨比对柱的破坏形态的影响砼规11.4.11:抗震设计时柱的剪跨比宜大于2。这是因为弯曲破坏是延性破坏。对于不同构件,剪跨比可能有不同的变形公式。构件斜截面抗剪承载力梁集中荷载下ah/0,且1.53.0。a为集中荷载至支座的距离。对框架结构中的框架柱,

3、当反弯点在层高范围内,Hh/2,且13.0;n0柱其他偏心受压构件,同梁。1.52.2,当计算截面与墙底之间的距离小于0.5h时,应取距墙底0.5h处w0w0墙计算。Hn说明:对于框架柱,当反弯点在层高范围内(中点)时,MV,代入Hh/2。n02砼规中跟剪跨比相关的条文(基本都跟柱相关):11.4.12-3框支柱和剪跨比小于2的框架柱应在全高范围内加密箍筋,且箍筋间距应符合本条第2款一级抗震等级的要求,即箍筋最小直径10mm,间距取6D和100mm的较小者;11.4.12-4四级抗震等级框架柱剪跨比小

4、于2时,箍筋直径不小于8mm。11.4.13当按一级抗震等级设计,且柱的剪跨比小于2时,柱每侧纵向钢筋的配筋率不宜大于1.2%。11.4.17-4当剪跨比小于2时,宜采用复合螺旋箍或井字复合箍,其箍筋体积配箍率不应小于1.2%;9度设防烈度一级抗震等级时,不应小于1.5%11.6.8当框架柱的剪跨比小于2时,其节点核心区体积配箍率不宜小于核心区上、下柱端体积配箍率中的较大值。11.4.16剪跨比小于2时,轴压比限值应降低0.05。通过以上条文,再次验证11.4.11,即抗震设计时,柱的剪跨比宜大于2,当剪跨比小于2时,则应采

5、取相应的配筋构造措施来加强。三、轴压比柱的轴压比:砼规11.4.16注1,指柱地震作用组合的轴向压力设计值与柱的全截面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值。墙的轴压比:砼规11.7.16注,指重力荷载代表值作用下墙的轴压力设计值与墙的全截面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。即墙采用“名义”轴压比。这可能是由于墙承受着大部分地震剪力,而这个力是水平作用力,故轴力不计入地震作用力。以柱为例:轴压比是影响柱破坏形态和延性的一个重要因素。试验研究表明:随着轴压比增大,柱延性降低,耗能能力减少。在柱截面中,多数是对称配筋,由极

6、限状态下截面内力平衡条件可知,轴压比实际上反映了柱截面中混凝土受压区相对高度x/h的大小。轴压0比限值的实质是大偏心受压与小偏心受压的界限。当xh/时,就会出现小偏心受压破0b坏,几乎没有延性。因此,抗震设计规范控制框架柱轴压比的意义,就在于使柱尽量处于大偏心受压状态,避免出现延性差的小偏心受压破坏。这正是轴压比限值的意义。轴压比是抗震中特有的概念之一。柱和墙是竖向关键构件,完全承受竖向荷载。抗震设计时,必须保证柱和墙具有充分的延性。试验表明,在这些竖向构件中配置箍筋是提高构件延性的有效措施。箍筋的存在约束了混凝土的横向

7、变形,提高了混凝土的极限变形能力。可以看到竖向荷载是这些构件破坏的外力(效应),而箍筋是一种抗力,二者之间应该有着某种关联。当“竖向荷载”大,可以通过多配置箍筋来抵消破坏的不利趋势。当“竖向荷载”ft较小时,则可以少配置箍筋,以求经济。联系到梁的面积配箍率0.24,柱和墙引入了fyvfc体积配箍率。之所以用体积配箍率,是因为只有“体积”才能表征这种约束能力。而vfyv配箍特征值正类似于梁面积配筋率中的0.24。不过不再是一个定值,而是和轴压比(竖vv向荷载)相关。~这正是柱、墙跟梁的一个不同之处。Nv柱的最小配箍特

8、征值见表11.4.17。墙的最小配箍特征值见表11.4.18。需要着重说明的一点是:轴压比的限值跟剪跨比相关,可参见表11.4.16注。轴压比却影响着配箍特征值。四、剪压比剪压比:是截面上平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值,用于说明截面上承受名义剪应力的大小。以梁为例,来说明限制剪

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