[抗震][结构设计][规范] 非抗震设计情况下混凝土柱的“轴压比”可达多大?

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题目可能好像提的不是太专业,因为通常轴压比说的是抗震的情况下的概念,所以这里加上了双引号。不过,不要在意这些细节。起因是,小伙伴在群里讨论轴压比的相关问题:混凝土柱的轴压比是不是不能大于1.0,非抗震情况下是不是不能比1.0大太多?

先引出轴压比的公式,对于普通混凝土柱,设计轴压比的定义为 N/(fc*A)。N为设计轴力(抗规为考虑地震组合下的轴力值),fc为混凝土轴心抗压强度,A为混凝土截面面积。

这里面有两个问题:

(1)轴压比是否大于1.0?

(2)轴压比如果能大于1.0,能大多少?

在混凝土结构设计中,构件的轴压比,是抗震设计时提出的概念。在地震作用下,构件存在往复变形,限制竖向RC构件的轴压比不过大主要是为了提高构件在往复荷载作用下的延性。因为,在相同构件配筋条件下,轴压比越大,构件越倾向于小偏心受压破坏(脆性),轴压比越小,越倾向于大偏心受压破坏(延性好)。在非抗震设计情况下,因为构件不存在地震情况下的往复荷载作用,因此对延性无直接控制要求,侧重强调构件的承载力,规范对“轴压比”无直接控制。

限制轴压比,主要是控制构件延性。从轴压比的公式也可以看出,轴压比等于1.0也不是构件破坏的临界条件,因为公式没有考虑钢筋的作用,1.0仅表示压力全为混凝土承担,素混凝土情况下,构件破坏。

因此,问题1的回答是:

轴压比是可以大于1.0的,即便是抗震设计情况下,也可以大于1.0。抗震规范规定,当对柱子采取了可靠的提高延性的加强措施后(如附加芯柱、对柱的箍筋采用螺旋箍加密布置等等),可以提高柱的轴压比限值,最大不大于1.05。

对于问题2,抗震设计时,规范要求不大于1.05,对于非抗震设计的柱子,虽然不直接控制柱的轴压比,但柱的要满足承载力要求,当柱达到极限受压承载力时,也有对应的“轴压比”,此时的“轴压比”可以有多大?

对于常规柱,当柱不受弯仅受压时,即轴心受压时,柱能承受的轴压力最大,轴压比也最大(从PM曲线可知)。

为此,以轴心受压柱为例,通过求解轴心受压柱的承载力,即可反算出非抗震情况下,柱的轴压比。

假定柱子截面尺寸为 500*500,混凝土强度等级为C35,钢筋采用HRB400,层高为3300的底层柱,则依据《混凝土结构设计规范》6.2.15节,在假定柱配筋率的情况下,可反算柱的轴心抗压承载力N,由N可计算对应的“轴压比”。具体计算过程如下:

由以上分析可见:随着配筋率的增加,轴压比线性增加,对于混凝土等级C35,常规配筋率为2~5%的柱,最大轴压比为1.270-1.825之间,最大轴压比均大于1.0,最大为1.825。

采用同样的方式,我们可以获得C35~C60的柱子随着配筋率的变化最大轴压比的变化,如下图所示:

由上图可见,相同配筋率情况下,混凝土等级越大,最大轴压比越小。

将不同混凝土等级5%配筋率情况下柱的最大轴压比数据进行整理,并绘图,结果如下:

由此可见,非抗震情况下,C60柱最大轴压比为1.444,C35柱最大轴压比1.825。由于5%配筋率是一个较大的配筋率,因此,上述5%配筋率反算的柱的最大轴压比,可以认为是一个较大值。

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