何章權(quán)， 楊智良， 王 強(qiáng)

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036)

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偏壓構(gòu)件在農(nóng)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

何章權(quán)， 楊智良， 王 強(qiáng)

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036)

摘要在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程中，混凝土類構(gòu)件應(yīng)用廣泛，可使用混凝土構(gòu)件預(yù)制或現(xiàn)澆構(gòu)件作為農(nóng)業(yè)類建筑,如農(nóng)業(yè)大棚、農(nóng)業(yè)倉(cāng)庫(kù)等建筑的豎向受力構(gòu)件。就農(nóng)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的柱類構(gòu)件進(jìn)行理論分析，討論該類構(gòu)件在實(shí)際工程中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)方法。以合肥地區(qū)某生產(chǎn)蔬菜的農(nóng)業(yè)大棚為例，分析大偏壓構(gòu)件和小偏壓構(gòu)件的計(jì)算分析和在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況。對(duì)此類構(gòu)件的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行正確的分析，可以安全、經(jīng)濟(jì)、有效地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)類建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞大偏心受壓構(gòu)件；小偏心受壓構(gòu)件；農(nóng)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)；軸壓比；延性

在農(nóng)業(yè)建筑工程設(shè)計(jì)中，混凝土柱類構(gòu)件有著廣泛的應(yīng)用[1]，如何進(jìn)行科學(xué)經(jīng)濟(jì)的配筋設(shè)計(jì)以降低鋼筋的用量而不減少構(gòu)件的承載能力是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。學(xué)者和工程技術(shù)人員已通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論的研究系統(tǒng)地得出了影響配筋經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵控制因素，即控制偏壓構(gòu)件的相對(duì)受壓區(qū)的高度ξ。因此，筆者討論了在農(nóng)業(yè)建筑工程如預(yù)制農(nóng)業(yè)大棚、農(nóng)業(yè)倉(cāng)庫(kù)等的柱類構(gòu)件的相對(duì)受壓區(qū)高度ξ對(duì)配筋經(jīng)濟(jì)性的影響。在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)應(yīng)不同的荷載工況條件下，控制ξ在合理的范圍內(nèi)從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)安全且科學(xué)的設(shè)計(jì)效果。

1混凝土偏壓構(gòu)件的應(yīng)用范圍及破壞特點(diǎn)

混凝土柱類構(gòu)件，絕大部分屬于偏心受壓構(gòu)件，即受到軸向壓力和彎矩的組合作用，可以按照彎矩與軸力的大小分為大偏心受壓構(gòu)件和小偏心受壓構(gòu)件，分別簡(jiǎn)稱大偏壓和小偏壓。圖1是實(shí)際工程中常用的對(duì)稱配筋柱在軸力—彎矩作用下到達(dá)極限狀態(tài)時(shí)的承載力Nu—Mu 的相關(guān)關(guān)系，其中縱坐標(biāo)為N，橫坐標(biāo)為M，大、小偏心交界處的軸力為Nb。以Nb為界，柱將產(chǎn)生2種破壞形態(tài)，當(dāng)N大于Nb時(shí)是小偏心受壓破壞，主要工作部位是下側(cè)的幾層柱子，其破壞時(shí)縱向主筋受壓或者受拉，最終破壞以受壓側(cè)混凝土被壓碎為構(gòu)件破壞的主要標(biāo)志。由于小偏心受壓破壞時(shí)框架柱的變形性能由受壓區(qū)混凝土壓碎控制，所以延性很差。大偏心受壓構(gòu)件主要是在頂部幾層柱的配筋，大偏心受壓破壞時(shí)框架的變形性能由受拉鋼筋屈服控制，類似于梁類構(gòu)件中的適筋梁，其破壞具有明顯良好的延性。大偏壓的受力特點(diǎn)是，軸向力比較小，彎矩比較大。對(duì)于農(nóng)業(yè)類建筑，由于其豎向荷載一般以雪荷載和維護(hù)結(jié)構(gòu)的自重為主，故而傳到柱類構(gòu)件的豎向載荷不大，即N值不大。另外，由于偏心距較大，所以引起的附加彎矩較大。故而在農(nóng)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中，柱類構(gòu)件主要是以大偏心受壓為主。

圖1　偏心荷載作用下的M—N圖Fig. 1 The M—N diagram under eccentric loading

2大偏壓構(gòu)件和小偏壓構(gòu)件的延性比較

圖1表示的Nu—Mu相關(guān)關(guān)系中，彎矩和軸力是同步增長(zhǎng)的，即M=Ne，與框架柱的實(shí)際受力情況不同。框架柱是重力荷載產(chǎn)生豎向軸壓力，水平地震作用引起的軸力往往忽略不計(jì)，故可認(rèn)為軸壓力基本穩(wěn)定，作用在框架柱上的彎矩是由于水平地震作用產(chǎn)生的。圖2為在4組軸壓比作用下的抗力M—變形關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3偏壓構(gòu)件在農(nóng)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于柱類構(gòu)件在大偏壓中，不但具有良好的延性，而且其配筋比較小[2]，因此在工程設(shè)計(jì)中盡量使得柱類混凝土構(gòu)件發(fā)生大偏心破壞，柱類構(gòu)件也是按照大偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)的。該研究以下分析基于合肥地區(qū)某農(nóng)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中混凝土柱類構(gòu)件，其截面為矩形、對(duì)稱配筋[3]，相關(guān)符號(hào)含義

圖2　偏心荷載作用下的φ—M圖Fig. 2　 The φ—M diagram under eccentric loading

與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)一致。

根據(jù)靜力平衡，有：

(1)

4軸壓比與延性的關(guān)系

由圖3可以看出，隨著軸壓比的增大，柱的延性在下降。圖3給出了不同軸壓比條件下框架柱的延性比變化規(guī)律的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，縱坐標(biāo)表示延性比，橫坐標(biāo)表示軸壓比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柱的變形能力隨著軸壓比增大而急劇降低，在大偏壓情況下延性比還是相當(dāng)好的，而在小偏壓情況下延性比接近1.0。因此，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)給出了利用控制框架柱的軸壓比來(lái)控制其在地震作用下的延性。

圖3　軸壓比與位移延性比關(guān)系Fig. 3　Relationship between axial compression ratio and displacement ductility ratio

對(duì)于小偏壓構(gòu)件，受拉鋼筋的應(yīng)力可按下式近似計(jì)算：

(2)

將式(2)代入式(1)，整理可得：

(3)

將式(3)兩邊同除以fcbh0，并取h≈1.1h0，配筋率ρ=AS/bh，整理得：

α1ξ2+1.1[ρ(fyAS+ESεcu)/fc-n]ξ-1.1β1ρESεcu/fc≥0

(4)

求解上述二次不等式，即可得到軸壓比n和混凝土相對(duì)受壓區(qū)高度系數(shù)ξ的關(guān)系。設(shè)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，則α1=1.0,ξb=0.518。假設(shè)配筋率為1.0%，則式(4)可簡(jiǎn)化為：

ξ2+1.1(0.534-n)-0.304≥0

當(dāng)軸壓比n為0.50、0.70、0.90、1.00、1.05時(shí)，混凝土相對(duì)受壓區(qū)高度系數(shù)ξ依次為0.533、0.650、0.788、0.864、0.904。由此可看出，ξ隨著軸壓比n的增大而增大，近似呈直線關(guān)系。由于ξ越大，構(gòu)件截面延性越小，因此n越大，構(gòu)件截面延性越小[5]。限制軸壓比n的目的在于限制截面混凝土受壓區(qū)高度，提高小偏壓構(gòu)件的截面延性。上述理論推導(dǎo)也就是從理論上驗(yàn)證了圖3所擬合曲線的意義。

5結(jié)論與討論

綜合以上分析可知，偏壓構(gòu)件的軸壓比滿足規(guī)范限值時(shí)，構(gòu)件依然可能發(fā)生小偏壓破壞，小偏壓構(gòu)件在實(shí)際設(shè)計(jì)中是客觀存在的。小偏壓破壞延性較小，就應(yīng)去提高構(gòu)件的延性。在橫向鋼筋的約束作用下，核心區(qū)混凝土的強(qiáng)度和極限變形能力都會(huì)得到提高，截面延性增加，關(guān)鍵是控制其相對(duì)受壓區(qū)的高度?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中將理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果加以統(tǒng)一規(guī)定，通過(guò)控制混凝土柱的軸壓比在規(guī)范容許的范圍內(nèi)，從而保證柱子的延性，不至于發(fā)生脆性破壞。對(duì)于農(nóng)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中柱類構(gòu)件主要是以大偏壓破壞為主，故而其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以大偏壓計(jì)算為主進(jìn)行計(jì)算配筋，同時(shí)為了防止由于極端荷載情況下發(fā)生超過(guò)界限破壞的小偏壓破壞，可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在偏壓構(gòu)件的底部，合理配置橫向鋼筋(包括箍筋和間接鋼筋)，增強(qiáng)對(duì)核心區(qū)混凝土的約束，從而保證工程設(shè)計(jì)中可以兼顧安全與經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[5] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn):GB 50068—2001[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

A Application of Eccentrically Compressed Members in Agricultural Building Structure

HE Zhang-quan, YANG Zhi-liang, WANG Qiang

(School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036)

AbstractIn modern agricultural engineering, concrete member had extensive applications. Prefabrication of concrete element or pouring component could be used as agricultural buildings, such as agricultural greenhouses, warehouses and other buildings verticalagriculture force member. In this research, theoretical analysis column of class member agricultural structures was carried out. Practical engineering applications and design methods were discussed. Taking a given agricultural vegetable greenhouse in Hefei as an example, we analyzed the small and large bias in the application of practical engineering. Design principle of this component was analyzed correctly, which could effectively and safely guide the structure design of agricultural building.

Key wordsLarge eccentric compression components; Small eccentric compression components; Agricultural building structure; Axial compression ratio; Ductility

作者簡(jiǎn)介何章權(quán)(1982- )，男，安徽肥東人，工程師，碩士，從事計(jì)算力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程計(jì)算機(jī)模擬研究。

收稿日期2015-12-31

中圖分類號(hào)S 22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)08-302-02