图2.4-18所示为双向偏心受压构件，纵向钢筋一般沿截面四周布置。双向偏心受压构件的正截面在双向偏心压力N作用下，中和轴是倾斜的，与y轴有一个φ的夹角。对于沿周边布置钢筋的单向偏心受压构件的承载力计算仍需根据平截面假定计算钢筋的应力。......
2023-08-28
偏心受压构件正截面受压破坏形态的设计计算
【摘要】：试验表明，钢筋混凝土偏心受压短柱的破坏形态有受拉破坏和受压破坏两种。图5.14偏心受压构件截面实测的平均应变分布2)偏心受压长柱的破坏类型试验表明，钢筋混凝土柱在承受偏心受压荷载后，会产生纵向弯曲。其中，曲线ABCD表示某钢筋混凝土偏心受压构件截面材料破坏时的承载力M与N之间的关系。这表明构件长细比的加大会降低构件的正截面受压承载力。
试验表明，钢筋混凝土偏心受压短柱的破坏形态有受拉破坏和受压破坏两种。
1)偏心受压短柱的破坏形态
(1)受拉破坏
受拉破坏又称大偏心受压破坏，它发生于轴向压力N的相对偏心距较大，且受拉钢筋配置得不太多时。此时，靠近轴向压力的一侧受压，另一侧受拉。随着荷载的增加，首先在受拉区产生横向裂缝；荷载再增加，拉区的裂缝不断地开展，在破坏前主裂缝逐渐明显，受拉钢筋的应力达到屈服强度，进入流幅阶段，受拉变形的发展大于受压变形，中性轴上升，使混凝土压区高度迅速减小，最后压区边缘混凝土达到其极限压应变值，出现纵向裂缝而被压碎，构件即告破坏，这种破坏属延性破坏类型；破坏时，压区的纵向钢筋也能达到受压屈服强度。总之，受拉破坏形态的特点是受拉钢筋先达到屈服强度，最终导致受压区边缘混凝土压碎截面破坏。这种破坏形态与适筋梁的破坏形态相似。构件破坏时，其正截面上的应力状态如图5.12(a)所示，构件破坏时的立面展开图如图5.12(b)所示。
(2)受压破坏
受压破坏又称小偏心受压破坏，截面破坏是从受压区边缘开始的，发生于以下两种情况。
①第一种情况：当轴向力N的相对偏心距较小时，构件截面全部受压或大部分受压，如图5.13(a)或(b)所示。一般情况下，截面破坏从靠近轴向力N一侧受压区边缘处的压应变达到混凝土极限压应变值而开始。破坏时，受压应力较大一侧的混凝土被压坏，同侧的受压钢筋的应力也达到抗压屈服强度。而离轴向力N较远一侧的钢筋(以下简称“远侧钢筋”)可能受拉也可能受压，但都未达到受拉屈服，分别如图5.13(a)、(b)所示。只有当偏心距很小(对矩形截面e0≤0.15 h0)而轴向力N又较大(N＞α1fcb h0)时，远侧钢筋也可能受压屈服。另外，当相对偏心距很小时，由于截面的实际形心和构件的几何中心不重合，若纵向受压钢筋比纵向受拉钢筋多很多，也会发生离轴向力作用点较远一侧的混凝土先压坏的现象，也称为“反向破坏”。
②第二种情况：当轴向力N的相对偏心距虽然较大，但却配置了特别多的受拉钢筋，致使受拉钢筋始终不屈服。破坏时，受压区边缘混凝土达到极限压应变值，受压钢筋应力达到抗压屈服强度，而远侧钢筋受拉而不屈服，其截面上的应力状态如图5.13(a)所示。破坏无明显预兆，压碎区段较长，混凝土强度越高，破坏越突然，如图5.13(c)所示。
图5.12 受拉破坏时的截面应力和受拉破坏形态(单位：kN)
总之，受压破坏形态或称小偏心受压破坏形态的特点是混凝土先被压碎，远侧钢筋可能受拉也可能受压，但都未达到受拉屈服，属于脆性破坏。
图5.13 受压破坏的截面应力和受压破坏形态(单位：kN)
综上可知，“受拉破坏形态”与“受压破坏形态”都属于材料发生了破坏，它们相同之处是截面的最终破坏都是受压区边缘混凝土达到其极限压应变值而被压碎；不同之处在于截面破坏的起因，受拉破坏的起因是受拉钢筋屈服，受压破坏的起因是受压区边缘混凝土被压碎。
在“受拉破坏形态”与“受压破坏形态”之间存在着一种界限破坏形态，称为“界限破坏”。它不仅有横向主裂缝，而且比较明显。其主要特征是：在受拉钢筋达到受拉屈服强度的同时，受压区边缘混凝土被压碎。界限破坏也属于受拉破坏形态。
试验还表明，从加载开始到接近破坏为止，沿偏心受压构件截面高度，用较大的测量标距量测到的偏心受压构件的截面各处的平均应变值都较好地符合平截面假定。图5.14反映了两个偏心受压试件中，截面平均应变沿截面高度变化规律的情况。
图5.14 偏心受压构件截面实测的平均应变分布
2)偏心受压长柱的破坏类型
试验表明，钢筋混凝土柱在承受偏心受压荷载后，会产生纵向弯曲。但长细比小的柱，即所谓“短柱”，由于纵向弯曲小，在设计时一般可忽略不计。对于长细比较大的柱则不同，它会产生比较大的纵向弯曲，设计时必须予以考虑。图5.15所示为一根长柱的荷载-侧向变形(N-f)试验曲线。
图5.15 长柱实测N-f曲线
偏心受压长柱在纵向弯曲影响下，可能发生失稳破坏和材料破坏两种破坏类型。长细比很大时，构件的破坏不是由材料引起的，而是由构件纵向弯曲失去平衡引起的，称为“失稳破坏”。当柱长细比在一定范围内时，虽然在承受偏心受压荷载后，偏心距由ei增加到ei+f，使柱的承载能力比同样截面的短柱减小，但就其破坏特征来说，与短柱一样都属于“材料破坏”，即因截面材料强度耗尽而破坏。
图5.16所示为截面尺寸、配筋和材料强度等完全相同，仅长细比不相同的3根柱，从加载到破坏的示意图。其中，曲线ABCD表示某钢筋混凝土偏心受压构件截面材料破坏时的承载力M与N之间的关系。直线OB表示长细比小的短柱从加载到破坏点B时N和M的关系曲线。由于短柱的纵向弯曲很小，可假定偏心距自始至终是不变的，即M/N为常数，所以其变化轨迹是直线，属“材料破坏”。曲线OC是长柱从加载到破坏点C时N和M的关系曲线。在长柱中，偏心距是随着纵向力的加大而不断非线性增加的，也即M/N是变量，所以其变化轨迹呈曲线形状，但也属“材料破坏”。若柱的长细比很大时，则在没有达到M、N的材料破坏关系曲线ABCD前，由于轴向力的微小增量ΔN可引起不收敛的弯矩M的增加而破坏，即“失稳破坏”。曲线OE即属于这种类型，在E点的承载力已达最大，但此时截面内的钢筋应力并未达到屈服强度，混凝土也未达到极限压应变值。从图5.16中还能看出，这3根柱的轴向力偏心距ei值虽然相同，但其承受纵向力N值的能力是不同的，分別为N0＞N1＞N2。这表明构件长细比的加大会降低构件的正截面受压承载力。产生这一现象的原因是，当长细比比较大时，偏心受压构件的纵向弯曲引起了不可忽略的附加弯矩，或称二阶弯矩。
图5.16 不同长细比柱从加荷到破坏的N-M关系
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