受压构件正截面力学破坏特征分析

受压构件包括：

5.1.3.1　轴心受压普通箍筋短柱的正截面受压破坏特征

图5.9　短柱的破坏

配有纵筋和箍筋的短柱，在轴心荷载作用下，整个截面的应变基本上是均匀分布的。当荷载较小时，混凝土和钢筋都处于弹性阶段，柱子压缩变形的增加与荷载的增加成正比，纵筋和混凝土的压应力的增加也与荷载的增加成正比。当荷载较大时，由于混凝土塑性变形的发展，压缩变形增加的速度快于荷载增长速度；纵筋配筋率越小，这个现象越为明显。同时，在相同荷载增量下，钢筋的压应力比混凝土的压应力增加得快。随着荷载的继续增加，柱中开始出现微细裂缝，在临近破坏荷载时，柱四周出现明显的纵向裂缝，箍筋间的纵筋发生压屈，向外凸出，混凝土被压碎，柱子即告破坏，如图5.9 所示。

试验表明，素混凝土棱柱体构件达到最大压应力值时的压应变值ε0一般随混凝土强度等级不同在1.5×10—3～2.5×10—3之间变动^[4]，而钢筋混凝土短柱达到应力峰值时的压应变一般在2.5×10—3～3.5×10—3之间变动。其主要原因是纵向钢筋起到了调整混凝土应力的作用，使混凝土的塑性性质得到了较好的发挥，改善了受压破坏的脆性性质。在破坏时，一般是纵筋先达到屈服强度，此时可继续增加一些荷载。最后混凝土达到极限压应变值，构件破坏。

5.1.3.2　轴心受压普通箍筋长柱的正截面受压破坏特征

对于长细比^[5]较大的柱子，试验表明，由于各种偶然因素造成的初始偏心距影响是不可忽略的。加载后，初始偏心距导致产生附加弯矩和相应的侧向挠度，而侧向挠度又增大了荷载的偏心距；随着荷载的增加，附加弯矩和侧向挠度将不断增大。这样相互影响的结果，使长柱在轴力和弯矩的共同作用下发生破坏。破坏时，首先在凹侧出现纵向裂缝，随后混凝土被压碎，纵筋被压屈向外凸出；凸侧混凝土出现垂直于纵轴方向的横向裂缝，侧向挠度急剧增大，柱子破坏，如图5.10 所示。

图5.10　长柱的破坏

试验表明，长柱的破坏荷载低于其他条件相同的短柱破坏荷载，其原因在于，长细比越大，由于各种偶然因素造成的初始偏心距将越大，从而产生的附加弯矩和相应的侧向挠度也越大，承载能力降低越多。对于长细比很大的细长柱，还可能发生失稳破坏现象。此外，在长期荷载作用下，由于混凝土的徐变，侧向挠度将增大更多，从而使长柱的承载力降低更多，长期荷载在全部荷载中所占的比例越多，其承载力降低得越多。

5.1.3.3　轴心受压螺旋式箍筋柱的正截面受压破坏特征

当柱承受很大轴心压力，并且柱截面尺寸由于建筑上或使用上的要求受到限制，而设计成普通箍筋的柱，即使提高了混凝土强度等级和增加了纵筋配筋量也不足以承受该轴心压力时，可考虑采用螺旋筋或焊接环筋^[6]以提高承载力。这种柱的截面形状一般为圆形或多边形，如图5.11 所示。

图5.11　螺旋筋柱和焊接环筋柱

螺旋筋柱和焊接环筋柱的配箍率高，而且不会像普通箍筋那样容易 “崩出”，因而能约束核心混凝土在纵向受压时产生的横向变形，从而提高了混凝土抗压强度和变形能力。同时，螺旋筋或焊接环筋中产生了拉应力。当外力逐渐加大，它的应力达到抗拉屈服强度时，就不再能有效地约束混凝土的横向变形，混凝土的抗压强度就不能再提高，这时构件破坏。螺旋筋或焊接环筋外的混凝土保护层在螺旋筋或焊接环筋受到较大拉应力时就开裂，故在计算时不考虑此部分混凝土。

5.1.3.4　偏心受压短柱的正截面受压破坏特征

试验表明，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情况。

1.受拉破坏形态(www.xing528.com)

受拉破坏又称大偏心受压破坏，发生于轴向力N 的相对偏心距较大，且受拉钢筋配置得不太多时。此时，在靠近轴向力作用的一侧受压，另一侧受拉。随着荷载的增加，首先在受拉区产生横向裂缝；荷载继续增加，拉区的裂缝随之不断开展，在破坏前主裂缝逐渐明显，受拉钢筋应力达到屈服强度，进入流幅阶段，受拉变形的发展大于受压变形，中和轴上升，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，出现纵向裂缝而混凝土被压碎，构件破坏如图5.12 所示。

受拉破坏形态的特点是受拉钢筋先达到屈服强度，导致压区混凝土压碎，压区的纵筋也能达到受压屈服强度，是与适筋梁破坏形态相似的延性破坏类型。

2.受压破坏形态

受压破坏又称小偏心受压破坏，发生于：①当轴向力N 的相对偏心距较小时；②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时。

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。一般情况下截面破坏是从靠近轴向力N 一侧受压边缘处的压应变达到混凝土极限压应变值而开始的。破坏时，受压应力较大一侧的混凝土被压坏，同侧的受压钢筋应力也达到抗压屈服强度。而离轴向力N 较远一侧的钢筋，可能受拉也可能受压，但都达不到屈服强度，如图5.13所示。只有当偏心距很小^[7]而轴向力N 又较大^[8]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，当纵向受压钢筋比纵向受拉钢筋多很多时，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，这称为“反向破坏”。

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，破坏越有突然性。

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，但都达不到屈服强度，属于脆性破坏类型。

综上所述，受拉破坏形态与受压破坏形态都属于材料破坏^[9]，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，即截面受拉部分和受压部分谁先发生破坏。前者是受拉钢筋先屈服而后受压混凝土被压碎；后者是截面的受压部分先发生破坏。

图5.12　受拉破坏时截面的应力图

图5.13　受压破坏时截面的应力图

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：在受拉钢筋应力达到屈服强度的同时，受压区混凝土被压碎。界限破坏形态也属于受拉破坏形态。

5.1.3.5　偏心受压长柱的正截面受压破坏特征

试验表明，对于长细比比较大的柱（长柱），在承受偏心受压荷载后，会产生比较大的纵向弯曲，设计时必须予以考虑。图5.14 是一根长柱的荷载—侧向变形（N—f）试验曲线。

偏心受压长柱在纵向弯曲影响下，可能发生两种形式的破坏。长细比很大时，构件的破坏不是由于材料引起的，而是由于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^[10]增加到ei＋f，使柱的承载能力比同样截面的短柱减小，但就其破坏本质来讲，与短柱破坏相同，属于“材料破坏”。

图5.14　长柱实测N—f 曲线

图5.15 所示为三根截面尺寸、配筋和材料强度等完全相同，仅长细比不相同的柱，从加载到破坏的示意图。图中曲线ABCD 表示某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M 和N的关系线，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M 和N 的关系线，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 为变数，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△N 可引起不收敛的弯矩M的增加而破坏，即 “失稳破坏”。曲线OE 即属于这种类型的破坏，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5.15 中还能看出，这三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，分别为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，当长细比较大时，偏心受压构件的纵向弯曲引起了不可忽略的二阶弯矩。