2019一級(jí)結(jié)構(gòu)工程師《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》講義：第六章第三節(jié)

6.3 偏心受壓構(gòu)件正截面受壓破壞形態(tài)

3.1 偏心受壓短柱的破壞形態(tài)

鋼筋混凝土偏心受壓短柱的破壞形態(tài)有受拉破壞和受壓破壞兩種。

1.受拉破壞形態(tài)

受拉破壞又稱大偏心受壓破壞，它發(fā)生于軸向力 N 的相對(duì)偏心距e0/h較大，且受拉鋼筋配置得不太多時(shí)。

(1) 受力分析

在靠近軸向力作用的一側(cè)受壓，另一側(cè)受拉。首先在受拉區(qū)產(chǎn)生橫向裂縫,隨之不斷地開展，在破壞前主裂縫逐漸明顯，受拉鋼筋的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，中和軸上升，使混凝土壓區(qū)高度迅速減小，最后壓區(qū)混凝土被壓碎，構(gòu)件破壞。見圖6-12。

(2) 受拉破壞形態(tài)的特點(diǎn)

受拉鋼筋先達(dá)到屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致壓區(qū)混凝土壓碎，是與適筋梁破壞形態(tài)相似的延性破壞類型。

圖 6-12 受拉破壞時(shí)的截面應(yīng)力和受拉破壞形態(tài)

(a) 截面應(yīng)力; (b) 受拉破壞形態(tài)

2. 受壓破壞形態(tài)

(1) 受力分析

受壓破壞形態(tài)又稱小偏心受壓破壞，截面破壞是從受壓區(qū)開始的，發(fā)生于以下兩種情況。

1) 當(dāng)軸向力 N 的相對(duì)偏心距e0/h較小時(shí)，構(gòu)件截面全部受壓或大部分受壓。破壞時(shí)，受壓應(yīng)力較大一側(cè)的混凝土被壓壞，同側(cè)的受壓鋼筋的應(yīng)力也達(dá)到抗壓屈服強(qiáng)度。而離軸向力N較遠(yuǎn)一側(cè)的鋼筋(以下簡稱“遠(yuǎn)側(cè)鋼筋”)，可能受拉也可能受壓，但都不屈服，分別見圖 6-13(a)和(b)。

圖 6-13 受壓破壞時(shí)的截面應(yīng)力和受壓破壞形態(tài)

(a)、(b) 截面應(yīng)力; (c) 受壓破壞形態(tài)

(2) 當(dāng)軸向力N的相對(duì)偏心距e0/h雖然較大，但卻配置了特別多的受拉鋼筋，致使受拉鋼筋始終不屈服。破壞時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓壞，受壓鋼筋應(yīng)力達(dá)到抗壓屈服強(qiáng)度，而遠(yuǎn)側(cè)鋼筋受拉而不屈服，見圖6-13 (a)所示。

(2) 受壓破壞形態(tài)的特點(diǎn)

混凝土先被壓碎，遠(yuǎn)側(cè)鋼筋可能受拉也可能受壓，但都不屈服，屬于脆性破壞類型。

綜上可知，“受拉破壞形態(tài)”與“受壓破壞形態(tài)”都屬于材料破壞。它們不同之處在于截面破壞的起因，即截面受拉部分和受壓部分誰先發(fā)生破壞。前者是受拉鋼筋先屈服而后受壓混凝土被壓碎;后者是截面的受壓部分先發(fā)生破壞。

3.界限破壞

在“受拉破壞形態(tài)”與“受壓破壞形態(tài)”之間存在著一種界限破壞形態(tài)，稱為“界限破壞”。它不僅有橫向主裂縫，而且比較明顯。其主要特征是：在受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度的同時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓碎。界限破壞形態(tài)也屬于受拉破壞形態(tài)。

6.3.2 長柱的正截面受壓破壞

試驗(yàn)表明，鋼筋混凝土柱在承受偏心受壓荷載后，會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲。但長細(xì)比小的柱，即所謂“短柱”，由于縱向彎曲小，在設(shè)計(jì)時(shí)一般可忽略不計(jì)。對(duì)于長細(xì)比較大的柱則不同，它會(huì)產(chǎn)生比較大的縱向彎曲，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮。見圖6-15。

圖6-15 長柱實(shí)測 N-f 曲線

1.長柱的破壞形式

偏心受壓長柱在縱向彎曲影響下，可能發(fā)生兩種形式的破壞：

(1) 失穩(wěn)破壞

長細(xì)比很大時(shí)，構(gòu)件的破壞不是由于材料引起的，而是由于構(gòu)件縱向彎曲失去平衡引起的，稱為“失穩(wěn)破壞”。

(2) 材料破壞

當(dāng)柱長細(xì)比在一定范圍內(nèi)時(shí)，在承受偏心受壓荷載后，雖然偏心距由ei —→ ei +f，使柱的承載能力比同樣截面的短柱減小，但就其破壞本質(zhì)來講，跟短柱破壞相同，屬于“材料破壞”，即為截面材料強(qiáng)度耗盡的破壞。

2.不同長細(xì)比柱從加載到破壞的 N-M 關(guān)系

圖6-16示出了截面尺寸、配筋和材料強(qiáng)度等完全相同，僅長細(xì)比不相同的3根柱，從加載到破壞的示意圖。曲線ABCD表示某鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件截面材料破壞時(shí)的承載力M與N之間的關(guān)系。

圖 6-16 不同長細(xì)比柱從加載到破壞的 N-M 關(guān)系

(1) 短柱從加載到破壞的N-M關(guān)系(直線OB)：其變化軌跡是直線，M/N為常數(shù)，表示偏心距自始至終是不變的。屬“材料破壞”

(2) 長柱從加載到破壞的N-M關(guān)系(曲線OC)：其變化軌跡呈曲線形狀，M/N是變數(shù)，表示偏心距是隨著縱向力N的加大而不斷非線性增加的。也屬“材料破壞”。

(3) 長細(xì)比很大的長柱從加載到破壞的N-M關(guān)系(曲線OE)：柱的長細(xì)比很大時(shí)，則在沒有達(dá)到M、N的材料破壞關(guān)系曲線ABCD前，由于軸向力的微小增量ΔN可引起不收斂的彎矩M的增加而破壞，即“失穩(wěn)破壞”。此時(shí)鋼筋和混凝土材料強(qiáng)度均未得到充分發(fā)揮。

在圖6-16中還能看出，這三根柱的軸向力偏心距ei 值雖然相同，但其承受縱向力N值的能力是不同的，分別為 N0>N1>>N2 。這表明構(gòu)件長細(xì)比的加大會(huì)降低構(gòu)件的正截面受壓承載力。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：當(dāng)長細(xì)比較大時(shí)，偏心受壓構(gòu)件的縱向彎曲引起了不可忽略的二階彎矩。