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局部承压系数和约束增强有何关联?
发布时间:2025-09-01 14:14:56| 浏览次数:

局部承压系数(( \beta_l ))与约束增强作用在混凝土局部承压设计中‌互为补充、协同作用‌,其关联可从以下角度分析:

一、作用机制的互补性

  1. 局部承压系数(( \beta_l ))
    通过‌扩大有效承压面积‌提高承载力,反映混凝土局部受压时的应力扩散效应。其计算公式为:
    [
    \beta_l = \sqrt{\frac{A_b}{A_l}}
    ]
    当 ( A_b \geq 4A_l ) 时,规范取 ( \beta_l = 2.0 ),直接将局部承压承载力提升至 ( 0.75 \times 2.0f_c A_l = 1.5f_c A_l )。

  2. 约束增强作用
    通过‌抑制混凝土横向变形‌提高其本体抗压强度,使混凝土从单轴受压(强度 ( f_c ))转变为三向受压(强度 ( f_{cc} \approx 1.3f_c \sim 1.5f_c ))。

协同效果‌:
( \beta_l ) 扩大承压面积,约束增强提高材料强度,两者共同使局部承压承载力提升约 ‌2-3倍‌(例如从 ( 0.75f_c A_l ) 增至 ( 1.5f_c A_l ) 以上)。

二、工程应用的协同设计

  1. 组合楼板设计
    在压型钢板组合楼板中:

    • 约束增强‌:波峰侧壁限制混凝土横向膨胀,使局部区域混凝土强度提高至 ( 1.3f_c \sim 1.5f_c );

    • 局部承压系数‌:波峰接触面积 ( A_l ) 较小,但计算底面积 ( A_b ) 较大(( A_b \geq 4A_l )),取 ( \beta_l = 2.0 )。
      最终承载力:
      [
      F_{l,u} = 0.75 \times \beta_l \times f_{cc} \times A_l = 0.75 \times 2.0 \times 1.5f_c \times A_l = 2.25f_c A_l
      ]
      (对比无约束且 ( \beta_l = 1.0 ) 时,承载力仅为 ( 0.75f_c A_l ))。

  2. 柱脚节点设计
    类似原理:

    • 柱脚底板下混凝土受柱脚压力,约束增强(通过箍筋或钢套筒)提高混凝土强度;

    • 局部承压系数 ( \beta_l ) 考虑底板扩散效应(通常 ( \beta_l = 1.5 \sim 2.0 ))。
      两者协同确保柱脚节点承载力满足要求。

三、设计中的注意事项

  1. 约束有效性前提
    约束增强作用需满足:

    • 压型钢板波峰与混凝土紧密贴合(空隙率≤5%);

    • 混凝土浇筑密实,无蜂窝麻面。
      若约束失效(如空隙过大),( f_{cc} ) 可能降至 ( f_c ),此时仅依赖 ( \beta_l ) 可能导致承载力不足。

  2. 局部承压系数的适用条件
    ( \beta_l = 2.0 ) 仅适用于 ( A_b \geq 4A_l )。若 ( A_b < 4A_l ),需按实际几何关系计算 ( \beta_l ),此时约束增强作用仍可提高 ( f_{cc} ),但总承载力提升幅度可能减小。

  3. 长期性能协同
    在腐蚀环境下,压型钢板锈蚀可能导致约束失效,需采用镀锌钢板或防腐涂料,以维持约束增强作用与 ( \beta_l ) 的协同效果。

四、典型案例分析

案例1:压型钢板组合楼板

  • 波峰接触面积 ( A_l = 300 , \text{mm}^2 ),计算底面积 ( A_b = 1200 , \text{mm}^2 )(满足 ( A_b = 4A_l ));

  • 约束增强使混凝土强度从 ( f_c = 14.3 , \text{MPa} ) 提高至 ( f_{cc} = 1.4f_c = 20.0 , \text{MPa} );

  • 局部承压承载力:
    [
    F_{l,u} = 0.75 \times 2.0 \times 20.0 \times 300 = 9000 , \text{N} \approx 9.0 , \text{kN}
    ]
    (对比无约束时:( 0.75 \times 1.0 \times 14.3 \times 300 = 3217.5 , \text{N} \approx 3.2 , \text{kN} ))。

案例2:柱脚节点

  • 柱脚底板面积 ( A_l = 5000 , \text{mm}^2 ),计算底面积 ( A_b = 20000 , \text{mm}^2 )(( \beta_l = 2.0 ));

  • 钢套筒约束使混凝土强度提高至 ( f_{cc} = 1.3f_c );

  • 承载力:
    [
    F_{l,u} = 0.75 \times 2.0 \times 1.3 \times 14.3 \times 5000 = 139.4 , \text{kN}
    ]
    (满足设计要求)。

结论

局部承压系数 ( \beta_l ) 与约束增强作用通过‌扩大有效承压面积‌和‌提高混凝土本体强度‌,共同提升局部承压承载力。设计时需确保约束有效性(如压型钢板贴合密实),并验证 ( A_b ) 与 ( A_l ) 的关系以正确取值 ( \beta_l )。两者协同是组合结构安全设计的关键。



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