[科普中国]-轴压力

当轴杆件处于受压状态时，其受到的外界施加的力称为轴压力，方向垂直于截面并指向截面内部。

轴压力作用下的破坏形态下图(a)所示为钢筋混凝土柱的偏心受压破坏试验。如下图(b)所示，试验通过千斤顶将压力直接作用在钢筋混凝土柱上，在柱两端和中部侧向表面各布置一个位移计，以测量试验柱端部和中部的侧向位移；在柱中部截面受压区边缘布置应变片，以测量试验柱中部受压区混凝土应变；在柱中部受力主筋上布置应变片，以测量受力主筋的应变；在柱中部侧面，沿截面高度均匀布置若干应变片．以测量跨中混凝土的应变。荷载分级施加，记录各测点的应变、柱的中部和端部的侧向位移，观察柱的开裂荷载和开裂后裂缝的开展情形。

试验表明，当柱长度不同时，会发生两种破坏，即短柱破坏和长柱破坏。通常用长细比反映短柱和长柱的力学性能，定义矩形截面柱的长细比为，其中为柱的计算长度，为截面的短边长度。当长细比时。称为短柱；当时，称为长柱1。

柱的计算长度的意义是将具有端部约束的杆件等效成承载力相同而长度不同的铰支杆，构件的计算长度与构件支承情况、荷载分布情况及自身构件尺寸有关。《混凝土结构设计规范》(GB 50010一2010)对此作了以下简化规定：一般多层房屋中梁柱为刚接的框架结构，各层柱的计算长度取值如下：现浇式楼盖中底层柱，其余各层柱；装配式楼盖的底层柱，其余各层柱。

其中，对底层柱H取基础面顶面到一层楼盖顶面之间的距离，对其余各层柱，H取上、下两层楼盖顶面之间的距离，即层高。

短柱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。随着荷载的继续增加，混凝土侧向变形增大，截面边缘纤维应力首先达到混凝土的抗拉强度，柱中开始出现微细裂缝。之后由于钢筋的弹性模量，大于混凝土的弹性模量（约10倍），钢筋的应力增长很快，柱纵筋应力首先达到钢筋抗拉强度而屈服，随后混凝土应力达到抗压强度而被压碎，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，整个柱子破坏，如下图所示。

发生短柱破坏时，混凝土的压应变值取混凝土棱柱体受压时最大极限应变0.002，相应的应力达轴心抗压强度，而钢筋的应力为400( N/mm²)，故当钢筋的屈服强度≥400N/mm²时，钢材的强度不能被充分利用。

长柱破坏对于长细比较大的柱子，由各种偶然因素造成的初始偏心距不能忽视。随着荷载的增大，侧向挠度也加大，构件在发生压缩变形的同时还发生弯曲变形，最后构件在轴向压力和附加弯矩的共同作用下破坏。如下图所示，破坏时，首先是凹面受压混凝土被压碎，纵向钢筋被压屈向外鼓出，混凝土保护层剥落；同时凸面受拉，混凝土产生水平裂缝，侧向挠度急剧增大，柱子破坏。

轴心受压的截面承载能力计算公式根据上面分析，轴心受压截面承载能力计算简图如下图所示1：

计算公式为：

式中，N——设计轴向压力，N；

——钢筋混凝土构件的稳定系数；

——全部纵向受压钢筋的截面面积，mm²；

——构件截面面积，mm²，当纵向钢筋配筋率大于3%时，式中A应为（）;

0.9——可靠度调整系数。

轴压力系数限值设计轴压力系数设计轴压力系数计算公式如下：

式中，n——设计轴压力系数；

N——考虑地震效应的轴压力设计值；

——混凝土柱的轴心抗压强度设计值和截面面积；

——钢骨的抗压强度设计值和截面面积；

——钢骨的等效换算截面面积；

试验轴压力系数试验轴压力系数计算公式如下：

式中，——试验中施加的轴力；

——轴心抗压强度的平均值2。

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学