第8章受拉构件的承载力计算 8.1概述 当纵向拉力作用线与构件截面形心轴线相重合时,此构件为轴心受拉构件。当纵向拉 力作用线偏离构件截面形心轴线时,或者构件上既作用有拉力,同时又作用有弯矩时,则为 偏心受拉构件。 在钢筋混凝土桥中,常见的受拉构件有桁架拱、桁梁中的拉杆和系杆拱的系杆等 钢筋混凝土受拉构件需配置纵向钢筋和箍筋,箍筋直径应不小于8mm,间距一般为 (150-200)mm(图8-1)。由于混凝土的抗拉强度很低,所以,钢筋混凝土受拉构件即使在外 力不甚大时,混凝土就会出现表面裂缝。为此,可对受拉构件施加一定的预应力而形成预应 力混凝土受拉构件,以改善受拉构件的抗裂性能。 6 图81钢筋混凝土受拉构件的钢筋 8.2轴心受拉构件 钢筋混凝土轴心受拉构件,在开裂以前,混凝土与钢筋共同负担拉力。当构件开裂后, 裂缝截面处的混凝士己完全退出工作,全部拉力由钢筋承担。而当钢筋拉应力到达屈服强度 时,构件也到达其极限承载能力。轴心受拉构件的正截面承载力计算式如下且应满足: yoNa≤N.=fa4 (8-1) 式中N,一一轴向拉力设计值: ∫a一一钢筋抗拉强度设计值: A,一截面上全部纵向受拉钢筋截面面积。 取轴向力计算值N=yN,则由式(8一1)可得轴心受拉构件所需的纵向钢筋面积并 1
8-1 第 8 章 受拉构件的承载力计算 8.1 概述 当纵向拉力作用线与构件截面形心轴线相重合时,此构件为轴心受拉构件。当纵向拉 力作用线偏离构件截面形心轴线时,或者构件上既作用有拉力,同时又作用有弯矩时,则为 偏心受拉构件。 在钢筋混凝土桥中,常见的受拉构件有桁架拱、桁梁中的拉杆和系杆拱的系杆等。 钢筋混凝土受拉构件需配置纵向钢筋和箍筋,箍筋直径应不小于 8mm,间距一般为 (150~200)mm(图 8-1)。由于混凝土的抗拉强度很低,所以,钢筋混凝土受拉构件即使在外 力不甚大时,混凝土就会出现表面裂缝。为此,可对受拉构件施加一定的预应力而形成预应 力混凝土受拉构件,以改善受拉构件的抗裂性能。 箍筋 纵向钢筋 箍筋 图 8-1 钢筋混凝土受拉构件的钢筋 8.2 轴心受拉构件 钢筋混凝土轴心受拉构件,在开裂以前,混凝土与钢筋共同负担拉力。当构件开裂后, 裂缝截面处的混凝土已完全退出工作,全部拉力由钢筋承担。而当钢筋拉应力到达屈服强度 时,构件也到达其极限承载能力。轴心受拉构件的正截面承载力计算式如下且应满足: 0Nd ≤ u sd As N = f (8-1) 式中 Nd ——轴向拉力设计值; sd f ——钢筋抗拉强度设计值; As ——截面上全部纵向受拉钢筋截面面积。 取轴向力计算值 N 0Nd = ,则由式(8-1)可得轴心受拉构件所需的纵向钢筋面积并
应满足: 《公路桥规》规定轴心受拉构件一侧纵筋的配筋率(%)应按毛截面面积计算,其值应 不小于45fa1fu,同时不小于0.2。 8.3偏心受拉构件 按照纵向拉力作用位置的不同,偏心受拉构件可分为两种情况:当偏心拉力作用点在截 面钢筋A合力点与A合力点之间时,属于小偏心受拉情况:当偏心拉力作用点在截面钢筋 A,合力点与A,合力点范围以外时,属于大偏心受拉情况。 由于偏心受拉构件一般采用矩形截面,故本节仅介绍矩形截面偏心受拉构件的正截面承 载力计算。 8.3.1小偏心受拉构件的正截面承载力计算 对于矩形截面偏心受拉构件,当偏心距≤(h/2-a,)时,即轴心拉力作用在截面钢 A,和A位置之间时,按小偏心受拉构件计算。在小偏心受拉情况下,构件临破坏前截面混 凝土已全部裂通,拉力完全由钢筋承担。因此,小偏心受拉构件的正截面承载力计算图式(图 8-2)中,不考虑混凝土的受拉工作:构件破坏时,钢筋A及A的应力均达到抗拉强度设 计值厂d,基本计算式如下: B 留82小偏心受拉构件正截面承载力计算图式 oNe≤Ne,=f4A(a-a,) (8-2) oNe≤N.e=faA(h-d) (8-3 式(8-2)和式(8-3)中的e,和e,分别根据下式计算: (8.4)
8-2 应满足: s min sd N A bh f = 《公路桥规》规定轴心受拉构件一侧纵筋的配筋率(%)应按毛截面面积计算,其值应 不小于 td sd 45 f / f ,同时不小于 0.2。 8.3 偏心受拉构件 按照纵向拉力作用位置的不同,偏心受拉构件可分为两种情况:当偏心拉力作用点在截 面钢筋 As 合力点与 ' As 合力点之间时,属于小偏心受拉情况;当偏心拉力作用点在截面钢筋 As 合力点与 ' As 合力点范围以外时,属于大偏心受拉情况。 由于偏心受拉构件一般采用矩形截面,故本节仅介绍矩形截面偏心受拉构件的正截面承 载力计算。 8.3.1 小偏心受拉构件的正截面承载力计算 对于矩形截面偏心受拉构件,当偏心距 0 ( 2 ) s e h a − 时,即轴心拉力作用在截面钢筋 A s 和 ' A s 位置之间时,按小偏心受拉构件计算。在小偏心受拉情况下,构件临破坏前截面混 凝土已全部裂通,拉力完全由钢筋承担。因此,小偏心受拉构件的正截面承载力计算图式(图 8-2)中,不考虑混凝土的受拉工作;构件破坏时,钢筋 As 及 ' As 的应力均达到抗拉强度设 计值 sd f ,基本计算式如下: 图 8-2 小偏心受拉构件正截面承载力计算图式 0N ed s ≤ ( ) ' ' N e f A h a u s sd s s = − 0 (8-2) ' 0N ed s ≤ ( ) ' N e f A h a u s sd s s 0 = − (8-3) 式(8-2)和式(8-3)中的 s e 和 ' s e 分别根据下式计算: 0 2 s s h e e a = − − (8-4)
(8-5) 式(8-2)和式(8-3)中的符号意义详见图8-2。 对于偏心拉力的作用,可看成是轴向拉力和弯矩的共同作用,在设计中如有若干组不 同的内力组合(M,、N,)时,应按最大的轴向拉力组合设计值N,与相应的弯矩组合设 计值M,计算钢筋面积。当对称布筋时,离轴向力较远一侧的钢筋A,的应力可能达不到其 抗拉强度设计值,因此,截面设计时,钢筋A,和A值均按式(8-2)来求解 《公路桥规》规定小偏心受拉构件一侧受拉纵筋的配筋率(%)应按构件毛截面面积计 算,其值应不小于45fa/fa,同时不小于0.2。 例81己知一偏心受拉构件,承受轴向拉力组合设计值N=672kW,弯矩组合设计 值M=60.5kNm。I类环境条件,结构安全等级为二级(Y。=1.0)。截面尺寸为 b×h=300mm×450mm.采用C20混凝土和HRB335级钢筋,/a=l.06MPa,fa-280MPa, 求截面配筋。 解:设a,=d=40mm,h=h-a,=450-40=410mm,%=410mm。 (1)判断偏心情况 672000 表明纵向力作用在钢筋A和A,合力点之间,属小偏心受拉。 (2)计算A,和A 由式(8-4)和式(8-5)可得到 C.=90+450-40=275mm 2 450-90-40=95mm 由式(8-2)可得到 1.0x672000×95 A= fa(h-a,)280×(410-40) =616mm2 选用220,A=628mm2 由式(8-3)可得到 8-3
8-3 ' ' 0 2 s s h e e a = + − (8-5) 式(8-2)和式(8-3)中的符号意义详见图 8-2。 对于偏心拉力的作用,可看成是轴向拉力和弯矩的共同作用,在设计中如有若干组不 同的内力组合( M d 、 Nd )时,应按最大的轴向拉力组合设计值 Nd 与相应的弯矩组合设 计值 Md 计算钢筋面积。当对称布筋时,离轴向力较远一侧的钢筋 ' A s 的应力可能达不到其 抗拉强度设计值,因此,截面设计时,钢筋 A s 和 ' A s 值均按式(8-2)来求解。 《公路桥规》规定小偏心受拉构件一侧受拉纵筋的配筋率(%)应按构件毛截面面积计 算,其值应不小于 td sd 45 f / f ,同时不小于 0.2。 例 8-1 已知一偏心受拉构件,承受轴向拉力组合设计值 Nd = 672kN ,弯矩组合设计 值 Md = 60.5kNm 。I 类环境条件,结构安全等级为二级( 0 =1.0)。截面尺寸为 bh = 300mm450mm。采用C20混凝土和HRB335级钢筋, td f =1.06MPa, sd f =280MPa, 求截面配筋。 解:设 40 s s a a mm = = , 0 450 40 410 s h h a mm = − = − = , ' 0 h mm = 410 。 (1)判断偏心情况 6 0 60.5 10 90 672000 e mm = = < 450 ( 40 185 ) 2 2 s h − = − = a mm 表明纵向力作用在钢筋 As 和 ' As 合力点之间,属小偏心受拉。 (2)计算 As 和 ' As 由式(8-4)和式(8-5)可得到 ' 450 90 40 275 2 s e mm = + − = 450 90 40 95 2 s e mm = − − = 由式(8-2)可得到 ( ) ( ) ' 0 ' 0 2 1.0 672000 95 280 410 40 616 d s s sd s N e A f h a mm = = − − = 选用 2 20, ' 2 As = 628mm 由式(8-3)可得到
4=g 1.0×672000×275 fa(h-a,) 280×(410-40) ≈1784mm2 选用425(图8-3),A,=1964mm2。 220 425 图及3例8-1的钢筋布置图(尺寸单位:mm) (公路桥规》规定的一侧受拉钢筋最小配筋率Pm=45/a/厂u=45X1.06280-0.17, 同时不应小于0,2,故取P=0.2,一侧纵筋最小配筋面积为0.2%×bM0.2%×300 450=270m㎡2。图8-3的设计表明,每侧钢筋面积满足要求。 8.3.2大偏心受拉构件的正截面承载力计算 当矩形截面偏心距>(h/2-a,)时,即轴向拉力作用在截面钢筋A和A,范围以外时 称为大偏心受拉构件。对于正常配筋的矩形截面,当轴向力作用在钢筋A,合力点和A,合力 点范围以外时,离轴向力较近一侧将产生裂缝,而离轴向力较远一侧的混凝土仍然受压。因 此,裂缝不会贳通整个截面。破坏时,钢筋A,的应力达到其抗拉强度,裂缝开展很大,受 压区混凝土被压碎。当受拉钢筋配筋率不很大时,受压区混凝士压碎程度往往不明显。在这 种情况下,一般以裂缝开展宽度超过某一限值作为截面破坏的标志。这种破坏特征称为大偏 心受拉破坏。 矩形截面大偏心受拉构件正截面承载力计算图式如图8-4所示,纵向受拉钢筋A,的应 力达到其抗拉强度设计值∫。,受压区混凝土应力图形可简化为矩形,其应力为混凝土抗压 强度设计值厂。受压钢筋A,的应力可假定达到其抗压强度设计值。根据平衡条件可得基本 计算式如下:
8-4 ( ) ( ) ' 0 ' 0 2 1.0 672000 275 280 410 40 1784 d s s sd s N e A f h a mm = = − − 选用 4 25(图 8-3), 2 As =1964mm 。 图 8-3 例 8-1 的钢筋布置图(尺寸单位:mm) 《公路桥规》规定的一侧受拉钢筋最小配筋率 min = td sd 45 f / f =45×1.06/280=0.17, 同时不应小于 0.2,故取 min =0.2,一侧纵筋最小配筋面积为 0.2%×bh=0.2%×300× 450=270mm2。图 8-3 的设计表明,每侧钢筋面积满足要求。 8.3.2 大偏心受拉构件的正截面承载力计算 当矩形截面偏心距 0 ( 2 ) s e h a − 时,即轴向拉力作用在截面钢筋 A s 和 ' A s 范围以外时, 称为大偏心受拉构件。对于正常配筋的矩形截面,当轴向力作用在钢筋 A s 合力点和 ' A s 合力 点范围以外时,离轴向力较近一侧将产生裂缝,而离轴向力较远一侧的混凝土仍然受压。因 此,裂缝不会贯通整个截面。破坏时,钢筋 A s 的应力达到其抗拉强度,裂缝开展很大,受 压区混凝土被压碎。当受拉钢筋配筋率不很大时,受压区混凝土压碎程度往往不明显。在这 种情况下,一般以裂缝开展宽度超过某一限值作为截面破坏的标志。这种破坏特征称为大偏 心受拉破坏。 矩形截面大偏心受拉构件正截面承载力计算图式如图 8-4 所示,纵向受拉钢筋 A s 的应 力达到其抗拉强度设计值 sd f ,受压区混凝土应力图形可简化为矩形,其应力为混凝土抗压 强度设计值 cd f 。受压钢筋 ' A s 的应力可假定达到其抗压强度设计值。根据平衡条件可得基本 计算式如下:
图8-4大偏心受拉构件计算图式 oN,≤N.=fuA-faA-fbx (8-6) YoNe,N.e,foubx(h)+f(ho-a,) (87) fhe,-fhe,=fobx(e,+) (8-8) 式中 g=6-+a 公式的适用是条件: 2a,≤x≤5h (8-9) 式中5。为混凝土相对界限受压区高度界,其值见表3-2。 在不满足式(89)中x≥2,要求时,因受压钢筋离中和轴距离很近,破坏时其应力不 能达到抗压强度设计值。此时,可假定混凝土合力中心与受压钢筋A,重合,即近似地取x =2a,进行承载力计算,计算式为 YNe,≤N.=faAh。-a,) (8-10) 当已知截面尺寸b×h、偏心拉力组合值N、偏心距需求钢筋面积时,为了能充分 发挥材料的强度,宜取x=5h,此时的设计当最为经济。由此,从式(86)和式(87) 可得到 A-Ve-b050-0.55) (8-11) f(h-a,) A=V,+4+f5 (8-12) Jd 若按式(8-11)求得的A过小或为负值,可按最小配筋率或有关构造要求配置A,然
8-5 图 8-4 大偏心受拉构件计算图式 0Nd ≤ N f A f A f bx u = sd s − sd s − cd ' ' (8-6) 0N ed s ≤ ( ) ' ' ' 0 0 ( ) 2 u s cd sd s s x N e f bx h f A h a = − + − (8-7) ' ' ' 0 ( ) 2 sd s s sd s s cd s x f A e f A e f bx e h − = + − (8-8) 式中 0 2 s s h e e a = − + 公式的适用是条件: ' 2 s a x ≤ 0 h b (8-9) 式中 b 为混凝土相对界限受压区高度界,其值见表 3-2。 在不满足式(8-9)中 ' 2 s x a 要求时,因受压钢筋离中和轴距离很近,破坏时其应力不 能达到抗压强度设计值。此时,可假定混凝土合力中心与受压钢筋 ' As 重合,即近似地取 x = ' 2 s a 进行承载力计算,计算式为 ' 0N ed s ≤ ( ) ' u sd As h0 as N = f − (8-10) 当已知截面尺寸 b h 、偏心拉力组合值 Nd 、偏心距 0 e 需求钢筋面积时,为了能充分 发挥材料的强度,宜取 x = 0 h b ,此时的设计当最为经济。由此,从式(8-6)和式(8-7) 可得到 ( ) ( ) 2 ' 0 0 ' ' 0 1 0.5 d s cd b b s sd s N e f bh A f h a − − = − (8-11) sd d sd s cd b s f N f A f bh A 0 ' ' 0 + + = (8-12) 若按式(8-11)求得的 ' A s 过小或为负值,可按最小配筋率或有关构造要求配置 ' A s ,然
后按式(8-6)~式(8-8)计算A,。一般情况下,计算的x往往小于2a,这时可按式(8-10) 求A,。 当为对称配筋的大偏心受拉构件时,由于∫=∫,A=A,若将上述各值代入式 (8-6)后,必然会求得负值x,亦即属于xa(60-40-260mnm 2 表明纵向力不作用在A,合力点与A,合力点之间,属于大偏心受拉构件。由式(8-8)和式 (85)可得到 g=6-+a=818-600+40 2 =558mm 6=6+分-a=818+0-40 =1078mm h=h-a,=600-40-560mm (2)计算所需纵向钢筋截面面积 取5=56=0.62,则可得到 A-N-Jb然50-05 f(h。-a,) _10x140600x58-92×350x(560y2×0.62×1-0.5×0.62) 195×(560-40) =-3487mm2 6
8-6 后按式(8-6)~式(8-8)计算 A s 。一般情况下,计算的 x 往往小于 ' 2 s a ,这时可按式(8-10) 求 A s 。 当为对称配筋的大偏心受拉构件时,由于 ' sd sd f = f , ' As = As ,若将上述各值代入式 (8-6)后,必然会求得负值 x ,亦即属于 x < ' 2a 的情况。此时可按式(8-10)求得 As 值。 《公路桥规》规定大偏心受拉构件一侧受拉纵筋的配筋百分率(%)按 0 / A bh s 计算, 其中 0 h 为截面有效高度。其值应不小于 td sd 45 f / f ,同时不小于 0.2。 例 8-2 已知偏心受拉构件的截面尺寸为 bh = 350mm600mm ,采用 C20 混凝土和 R235 级钢筋,承受轴拉力组合设计值 Nd =140.6kN ,弯矩组合设计值 Md =115kNm , I 类环境条件,结构安全等级为二级( 0 =1.0 ) 9.2 cd f MPa = , 1.06 td f MPa = , 195 sd a f MP = 。试进行截面配筋计算。 解:(1)判定纵向力位置 设 as as 40mm ' = = ,则偏心距为 6 0 3 115 10 818 140.6 10 d d M e mm N = = = > 40 260 ) 2 600 ( 2 a mm h − s = − = 表明纵向力不作用在 As 合力点与 ' As 合力点之间,属于大偏心受拉构件。由式(8-8)和式 (8-5)可得到 0 ' ' 0 0 600 818 40 2 2 558 600 818 40 2 2 1078 600 40 560 s s s s s h e e a mm h e e a mm h h a mm = − + = − + = = + − = + − = = − = − = (2)计算所需纵向钢筋截面面积 取 0.62 b = = ,则可得到 ( ) ( ) 2 ' 0 0 ' ' 0 2 2 (1 0.5 ) 1.0 140600 558 9.2 350 (560) 0.62 (1 0.5 0.62) 195 560 40 3487 d s cd b b s sd s N e f bh A f h a mm − − = − − − = − = −
计算得A为负值,表明此时可不必配置受压钢筋。截面一侧最小配筋率的构造要求 45fa/fa=(45×1.06)/195=0.245和0.2,则最小配筋面积为 A=0.00245bM,=0.00245×350×560=480mm2,现选用3中16,A=603mm2。 由式(87)计算混凝土受压区高度x为 =--2x-- feab =560-J35602-2x10x140600x58-195x603×1560-40 9.2×350 =9.7mm<2a,(=2×40=80mm) 此时应按式(810)计算所需的A,值: ynN,·e A,=- 10x140600x1078=1494.7mm2 a(h-a,)195x(560-40) 选用4少22,A=1520mm2。钢筋配置详见图8-5。 016 图8-5例8-2钢筋布置图(尺寸单位:mm) 复习思考题与习题 8-1大、小偏心受拉构件的界限如何区分?它们的受力特点与破坏特征各有何不同? 8-2试从破坏形态、截面应力、计算公式及计算步骤来分析大、小偏心受拉与受压有什 么不同之处? 83《公路桥规》对大、小偏心受拉构件纵向钢筋的最小配筋率有哪些要求? 84分析矩形截面受弯构件、偏心受压构件和偏心受拉构件正截面承载能力基本计算公 式的异同性。 8-5一钢筋混凝土偏心受拉构件,b×h-250mm×450mm,a,=a,=35mm。1类环境条
8-7 计算得 ' As 为负值,表明此时可不必配置受压钢筋。截面一侧最小配筋率的构造要求 45 (45 1.06) /195 0.245 td sd f f = = 和 0.2 , 则 最 小 配 筋 面 积 为 ' 2 0 0.00245 0.00245 350 560 480 A bh mm s = = = ,现选用 3φ16, ' 2 603 A mm s = 。 由式(8-7)计算混凝土受压区高度 x 为 ( ) ( ) ' ' ' 2 0 0 0 0 2 2 1.0 140600 558 195 603 560 40 560 560 2 9.2 350 d s sd s s cd N e f A h a x h h f b − − = − − − − = − − = 9.7mm < 2 ( 2 40 80 ) ' as = = mm 此时应按式(8-10)计算所需的 As 值: ( ) ( ) ' 0 2 ' 0 1.0 140600 1078 1494.7 195 560 40 d s s sd s N e A mm f h a = = = − − 选用 4φ22, 2 1520 A mm s = 。钢筋配置详见图 8-5。 图 8-5 例 8-2 钢筋布置图(尺寸单位:mm) 复习思考题与习题 8-1 大、小偏心受拉构件的界限如何区分?它们的受力特点与破坏特征各有何不同? 8-2 试从破坏形态、截面应力、计算公式及计算步骤来分析大、小偏心受拉与受压有什 么不同之处? 8-3 《公路桥规》对大、小偏心受拉构件纵向钢筋的最小配筋率有哪些要求? 8-4 分析矩形截面受弯构件、偏心受压构件和偏心受拉构件正截面承载能力基本计算公 式的异同性。 8-5 一钢筋混凝土偏心受拉构件,b×h=250mm×450mm, s a = ' s a =35mm。I 类环境条
件,结构安全等级为二级,C25混凝土,纵筋HRB335级,箍筋R235级。已知N,=50OkN, e,=150mm,求不对称配筋时的钢筋面积。 8-6在题8-5中,若e。=300mm,其它条件不变,求非对称配筋时的钢筋面积。 87条件同题8-6,求对称配筋时的钢筋面积 8-8试对例题8-2进行截面复核
8-8 件,结构安全等级为二级,C25 混凝土,纵筋 HRB335 级,箍筋 R235 级。已知 Nd =500kN, 0 e =150mm,求不对称配筋时的钢筋面积。 8-6 在题 8-5 中,若 0 e =300mm,其它条件不变,求非对称配筋时的钢筋面积。 8-7 条件同题 8-6,求对称配筋时的钢筋面积。 8-8 试对例题 8-2 进行截面复核