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第八章：短柱
8.1引言,轴向压缩
柱定义为主要承载压缩的构件。 通常，柱也承载围绕横截面的一个或两个轴线的弯曲力矩，并且弯曲动作可以在横截面的一部分上产生张力。 即使在这种情况下。 柱通常被称为压缩构件，因为压缩力支配它们的行为。 除了最常见类型的压缩构件，即结构中的垂直元件，压缩构件包括拱形件;倾斜或以其他方式的刚性框架构件; 桁架，壳或其中承载轴向压缩的部分处的压缩元件; 和其他形式。在本章中，术语柱将与术语压缩构件互换使用，以简洁并符合一般用法。
三种类型的钢筋混凝土压缩构件的使用方法：
1.构件用纵向杆和侧向加强筋加固。
2.用一个纵向杆和连续螺旋加固的构件。
3.复合压缩构件纵向用结构钢加固形状，管道或管道，具有或不具有附加的纵向杆，以及各种类型的横向钢筋。
类型1和2是迄今为止最常见的，而且大多数讨论在这里章节将指向它们。
柱的主要加固是纵向的，平行于方向负载，并且由布置成正方形，矩形或圆形样式的条构成，如图所示。 1.15。图8.1显示了在北卡罗来纳州夏洛特的60层美国银行公司中心建造期间，铁工紧固主要钢筋的接头。根据ACI规则10.9.1，纵向钢面积Ast与总混凝土横截面Ag的比率在0.01至0.08的范围内。下限对于确保在分析中不考虑的抗弯矩以及减少混凝土在持续压缩下的蠕变和收缩的影响是必要的。高于0.08的比率不仅不经济，而且还会由于钢筋的拥挤而造成困难，特别是在钢筋必须拼接的情况下。大多数色谱柱的设计比率低于0.04。较大直径的棒用于降低放置成本，并避免不必要的堵塞。特殊大直径14号和18号（43号和57号）棒主要用于柱子。根据ACI Code10.9.2，当钢筋由间隔的矩形或圆形钢筋包围时，至少需要四根纵向钢筋，当钢筋用连续螺旋线包围时，必须最少使用六根钢筋。
图8.1
初级加固一栋60层的美国银行，公司
中心在夏洛特，北卡罗来纳州。
（由WalterP.Moore和他的同事提供）
柱可以分为两大类：短柱，其强度由材料的强度和横截面和延伸柱的几何形状决定，对于这些短柱的强度可以通过横向偏转显着减小。多年前，ACI_ASCE调查表明，90％的列支撑了侧面，40％的未支撑的列可以设计为短柱。通常通过剪切壁，电梯和楼梯以及井轴提供防止柱的两个端部的相对横向运动的有效侧向间隔。对角支撑，或这些的组合。虽然细长的柱子更普遍现在是因为更广泛地使用高强度材料和改进的方法：尺寸成员，大多数柱在普通的实践中仍然可以被认为是短柱。本章将只讨论短柱：细长度对减少柱强度的影响将在第9章中讨论。
对短的，轴向加载的压缩构件的情况进行讨论,第1.9节介绍钢筋混凝土的基本方面。 建议在这一点查看早期的材料。 在1.9节中，证明了对于两种材料都保持弹性的较低负载，钢承载总负载的相对较小的部分。 钢应力fs等于混凝土应力的n倍：
fs = nfc （8.1）
图8.2：轴向压缩变形截面
Ast
实际部分 转换部分 变换截面
At =Ac nAst At=Ag (n-1)Ast
(a) （b) (c)
其中n = Es / Ec是模比。 在该范围内，轴向载荷P由下式给出：
P=fc[Ag (n-1)Ast] （8.2）
其中Ag是横截面的总面积，Ast是加强钢的总面积，括号中的项是变形部分的面积（见图8.2）。 如果两种材料保持弹性，则公式（8.2）和（8.1）可用于分别给出给定载荷的混凝土和钢应力。 例子1.1演示了这些方程的使用。
在1.9节中，进一步表明轴向的标称强度可以发现，识别两个材料的非线性响应。
Pn=0.85fcrsquo;Ac Astfy (8.3a)
其中Ac =混凝土的净面积，或
Pn=0.85fcrsquo;(Ag-Ast) Astfy (8.3b)
即通过对列的两个分量的强度贡献求和。在这个阶段，钢承载比在较低总负载的情况下显着更大的负载部分。轴向加载柱的标称强度的计算在1.9节中进行了说明。
根据ACI Code 10.3.6，轴向加载柱的设计强度是基于公式。（8.3b），引入一定的强度降低因子。 柱的ACI因子低于梁，反映了它们在结构中的重要性。束失效通常仅影响局部区域，而柱失效可能导致整个结构的崩溃。 此外，这些因素反映了柱和螺旋钢筋柱的行为差异，这将在8.2节中进行讨论。 基本phi;因子0.75用于螺旋钢筋柱，0.65用于固定柱，对于大多数梁，phi;为0.90。
ACI代码10.3.6则对柱强度的进一步限制。对于在分析中未考虑的负载的意外偏心。 这是通过对轴向载荷施加小于计算设计强度的上限来实现的。该上限被认为是螺旋增强柱的设计强度的0.85倍和栓柱的计算强度的0.80倍。因此，根据ACI Code 10.3.6，对于螺旋钢筋柱
phi;Pn(max)=0.85phi;[0.85fcrsquo;(Ag-Ast) fyAst] (8.4a)
对于柱子，phi;= 0.75。
phi;Pn(max)=0.80phi;[0.85fcrsquo;(Ag-Ast) fyAst] (8.4b)
phi;= 0.65。
8.2边缘和螺旋
图1.15显示了最简单类型的螺旋形钢筋或横向钢筋的横截面。在建筑物和桥梁中常见的其他横截面如图8.3所示。通常，在具有大轴向力和小力矩的构件中，纵向杆或多或少地围绕周边均匀地间隔开（图8.3a至d）。当弯矩大时，大部分纵向钢就集中在最高压缩或张力的面上，即在离弯曲轴线的最大距离处（图8.3e至h）。对于许多条的组合和排列，具体推荐的模式可以在参考文献中找到。8.1和8.2。在具有大钢百分比的重负荷柱中，大量钢筋的结果是钢筋混凝土的形式和困难，每个钢筋通过连接件单独定位和保持。 在这种情况下，经常使用捆扎棒。 束包括直接接触，有线或以其他方式紧固在一起的三个或四个杆。 这些通常放在角落里。测试表明，充分捆绑棒作为一个单位;即，它们被详细地说明，如同束构成单个圆形棒区域，其等于束状棒的总和。
图8.3：正方形和矩形柱的系带布置
侧向加强件，以单个相对较宽间隔的形式连续紧密间隔的螺旋，有以下几个功能。例如，当混凝土被放置时，需要这样的加强以将纵向杆保持在形式中的适当位置。为此，将纵向钢和横向钢连接在一起以形成笼，然后在放置混凝土之前，将笼移动成形，并且适当地定位。另一方面，需要横向加强以防止高应力细长纵向杆通过破裂薄混凝土盖而向外弯曲。
间隔很近的螺旋提供这两个功能。可以以各种方式布置和间隔的系带必须被设计成满足这两个要求。这意味着间距必须足够小，以防止系带之间的弯曲，并且在任何系杆平面中，必须提供足够数量的系杆以定位和保持所有杆。 另一方面，在具有纵筋的立柱中，如果柱截面由过多的连接件交叉，则它们干扰混凝土在模板中的放置。为了实现足够的系结，将系杆数保持在最小值，ACI Code7.10.5给出了系杆安排的规定：
所有柱子的柱子应用侧向连接件包围，至少3号（10号）尺寸的纵向柱子至10号（32号）和至少4号（13号） 对于Nos.11,14和18（编号36,43和57）和成束的纵向杆。这些间距不应超过纵向钢筋的直径16倍，连杆的48倍直径，也不应超过立柱的最小尺寸。系杆应布置成使得每个角和纵向钢筋应当具有由具有不大于135°的夹角的系杆的角提供的侧向支撑，并且在这种情况下，杆的任一侧上不应超过6英寸，横向支撑的杆可以使用等效面积的变形线或焊接线织物来代替扎带。在条围绕圆的周边设置的情况下，可以使用完整的圆形系带。
对于螺旋钢筋柱ACI Code7.10.4对侧向钢筋的要求可归纳如下：
螺旋应由直径不小于3/8英寸的连续杆或线组成，螺旋线之间的净间距不得超过3英寸，也不得小于1英寸。
此外，施加螺旋钢的最小比率，使得与其它相同的系紧柱相比，相对于极限载荷和失效类型，柱的结构性能显着提高。
通过考虑作为模型容易地可视化螺旋的结构效应。
装满砂的钢桶如下（图8.4）。
图8.4：螺旋的行动的模型
当载荷施加在砂上时，砂上的侧向压力施加在滚筒上，这导致钢壁中的环向张力。 可以增加砂上的负载，直到环向张力变得足够大以使鼓破裂。砂桩单独，如果不被限制在滚筒中，将几乎不能支撑任何负载。圆柱形混凝土柱，确实具有确定的强度，没有任何横向约束。 当其被加载时，其根据泊松比（Poissons ratio）纵向缩短并横向扩展。紧密间隔的螺旋限制柱抵消膨胀，如在模型中的钢鼓。这导致螺旋中的环向张力，而核心中的受限混凝土的承载能力大大增加。仅当螺旋钢屈服时，才会发生破坏，这大大降低了其约束效应，或者当其破裂时。
绑定列在给出的负载处失效。（8.3a或b）。在这种情况下，混凝土通过沿倾斜平面向外挤压和剪切，而纵向钢通过在捆扎带之间向外弯曲而失效（图8.5）。在螺旋增强柱中，当达到相同的载荷时，防止芯中的纵向钢和混凝土通过螺旋向外移动。然而，外壳中的混凝土不是如此限制，确实失败;即，当达到负载P时，外部温度关闭。在这个阶段，螺旋的约束作用具有显着的效果，并且如果提供相当大的螺旋，则通过使螺旋形变形屈服或断裂而最终破坏柱的螺旋可以比壳脱落时大得多。此外，当柱失效时的轴向应变极限将大大大于其他情况;柱的韧性已经大大增加。
与一些外国的做法相反，它在联合国是合理的规定超过壳体剥落载荷的任何超载能力都是浪费的，因为该成员虽然实际上并未实际受到损害，但不再被视为可用。出于这个原因，ACI规则提供了一个最小的螺旋加强，其数量使得其对承载能力的贡献刚好略大于壳体中的混凝土的贡献。从图中可以最好地理解这种情况。如图8.6，其将捆扎柱的性能与其剥落载荷等于捆扎柱的极限载荷的螺旋柱的性能进行比较。栓柱的故障是突然和完整的。这是真实的，几乎相同程度的螺旋柱具有如此轻的螺旋，使得其强度贡献显着小于在剥落壳中损失的强度。对于重螺旋，相反是真实的，并且在相当大的先前变形的情况下，剥落的柱将在较高负载下失效。“ACI螺旋”，其对补偿在剥落壳中损失的强度贡献几乎不增加极限载荷。然而，通过防止混凝土的瞬时堵塞和钢的屈曲，其产生更加渐进和延性的失效，即更坚韧的柱。
图8.5：柱的变形
图8.6：螺旋钢筋和柱子的屈服情况
实验已经发现（参考文献8.3至8.5）压缩的增加，通过螺旋钢的约束效应提供的塔中的核心混凝土的强度由方程式来表示
fc*-0.85fcrsquo;=4.0f2rsquo; （a）
其中fc*=螺旋约束核心混凝土的抗压强度；
0.85fc=如果没有约束的混凝土的抗压强度；
f2=由螺旋形产生的岩心混凝土中的横向约束应力；
限制应力f2是假设当柱最终失效时螺旋钢达到其屈服应力fy而计算的。
图8.7核心混凝土由于环向张力的约束
参考图8.7。如图8.7所示，对由一圈侧向钢板限定的一段短段的理想化模型的环向张力分析表明：
f2，= (b)
其中，Asp=螺旋线的横截面积;
fyt =螺旋钢的屈服强度;
dc =螺旋的外径;
s =螺旋线的间距或螺距。
体积定义为螺旋钢的体积与核心混凝土的体积的比率：
s=
从其中得到：
Asp=
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