偏壓構件在農業建筑結構中的應用研究

何章權， 楊智良， 王 強

(安徽農業大學工學院，安徽合肥 230036)

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偏壓構件在農業建筑結構中的應用研究

何章權， 楊智良， 王 強

(安徽農業大學工學院，安徽合肥 230036)

摘要在現代農業工程中，混凝土類構件應用廣泛，可使用混凝土構件預制或現澆構件作為農業類建筑,如農業大棚、農業倉庫等建筑的豎向受力構件。就農業建筑結構的柱類構件進行理論分析，討論該類構件在實際工程中的應用及設計方法。以合肥地區某生產蔬菜的農業大棚為例，分析大偏壓構件和小偏壓構件的計算分析和在實際工程中的應用情況。對此類構件的設計原理進行正確的分析，可以安全、經濟、有效地指導農業類建筑的結構設計。

關鍵詞大偏心受壓構件；小偏心受壓構件；農業建筑結構；軸壓比；延性

在農業建筑工程設計中，混凝土柱類構件有著廣泛的應用[1]，如何進行科學經濟的配筋設計以降低鋼筋的用量而不減少構件的承載能力是設計中的關鍵。學者和工程技術人員已通過實驗和理論的研究系統地得出了影響配筋經濟的關鍵控制因素，即控制偏壓構件的相對受壓區的高度ξ。因此，筆者討論了在農業建筑工程如預制農業大棚、農業倉庫等的柱類構件的相對受壓區高度ξ對配筋經濟性的影響。在工程設計中，對應不同的荷載工況條件下，控制ξ在合理的范圍內從而達到經濟安全且科學的設計效果。

1混凝土偏壓構件的應用范圍及破壞特點

混凝土柱類構件，絕大部分屬于偏心受壓構件，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件和小偏心受壓構件，分別簡稱大偏壓和小偏壓。圖1是實際工程中常用的對稱配筋柱在軸力—彎矩作用下到達極限狀態時的承載力Nu—Mu 的相關關系，其中縱坐標為N，橫坐標為M，大、小偏心交界處的軸力為Nb。以Nb為界，柱將產生2種破壞形態，當N大于Nb時是小偏心受壓破壞，主要工作部位是下側的幾層柱子，其破壞時縱向主筋受壓或者受拉，最終破壞以受壓側混凝土被壓碎為構件破壞的主要標志。由于小偏心受壓破壞時框架柱的變形性能由受壓區混凝土壓碎控制，所以延性很差。大偏心受壓構件主要是在頂部幾層柱的配筋，大偏心受壓破壞時框架的變形性能由受拉鋼筋屈服控制，類似于梁類構件中的適筋梁，其破壞具有明顯良好的延性。大偏壓的受力特點是，軸向力比較小，彎矩比較大。對于農業類建筑，由于其豎向荷載一般以雪荷載和維護結構的自重為主，故而傳到柱類構件的豎向載荷不大，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。故而在農業建筑結構中，柱類構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大偏壓構件和小偏壓構件的延性比較

圖1表示的Nu—Mu相關關系中，彎矩和軸力是同步增長的，即M=Ne，與框架柱的實際受力情況不同。框架柱是重力荷載產生豎向軸壓力，水平地震作用引起的軸力往往忽略不計，故可認為軸壓力基本穩定，作用在框架柱上的彎矩是由于水平地震作用產生的。圖2為在4組軸壓比作用下的抗力M—變形關系的實驗數據。

3偏壓構件在農業建筑結構設計中的應用

由于柱類構件在大偏壓中，不但具有良好的延性，而且其配筋比較小[2]，因此在工程設計中盡量使得柱類混凝土構件發生大偏心破壞，柱類構件也是按照大偏心受壓構件進行設計的。該研究以下分析基于合肥地區某農業建筑結構中混凝土柱類構件，其截面為矩形、對稱配筋[3]，相關符號含義

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

與《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)一致。

根據靜力平衡，有：

(1)

4軸壓比與延性的關系

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律的系統實驗研究結果，縱坐標表示延性比，橫坐標表示軸壓比。實驗結果表明，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好的，而在小偏壓情況下延性比接近1.0。因此，《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)給出了利用控制框架柱的軸壓比來控制其在地震作用下的延性。

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

對于小偏壓構件，受拉鋼筋的應力可按下式近似計算：

(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和混凝土相對受壓區高度系數ξ的關系。設混凝土強度等級為C40，鋼筋強度等級為HRB400，則α1=1.0,ξb=0.518。假設配筋率為1.0%，則式(4)可簡化為：

ξ2+1.1(0.534-n)-0.304≥0

當軸壓比n為0.50、0.70、0.90、1.00、1.05時，混凝土相對受壓區高度系數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，近似呈直線關系。由于ξ越大，構件截面延性越小，因此n越大，構件截面延性越小[5]。限制軸壓比n的目的在于限制截面混凝土受壓區高度，提高小偏壓構件的截面延性。上述理論推導也就是從理論上驗證了圖3所擬合曲線的意義。

5結論與討論

綜合以上分析可知，偏壓構件的軸壓比滿足規范限值時，構件依然可能發生小偏壓破壞，小偏壓構件在實際設計中是客觀存在的。小偏壓破壞延性較小，就應去提高構件的延性。在橫向鋼筋的約束作用下，核心區混凝土的強度和極限變形能力都會得到提高，截面延性增加，關鍵是控制其相對受壓區的高度。《混凝土結構設計規范》中將理論和實驗的結果加以統一規定，通過控制混凝土柱的軸壓比在規范容許的范圍內，從而保證柱子的延性，不至于發生脆性破壞。對于農業建筑結構中柱類構件主要是以大偏壓破壞為主，故而其結構設計是以大偏壓計算為主進行計算配筋，同時為了防止由于極端荷載情況下發生超過界限破壞的小偏壓破壞，可在結構設計時在偏壓構件的底部，合理配置橫向鋼筋(包括箍筋和間接鋼筋)，增強對核心區混凝土的約束，從而保證工程設計中可以兼顧安全與經濟的特點。

參考文獻

[1] 王宇欣,王宏麗.現代農業建筑學[M].北京:化學工業出版社,2006.

[2] 顧祥林.混凝土結構設計基本原理[M].2版.上海:同濟大學出版社,2011.

[3] 施嵐青.注冊結構工程師專業考試專題精講:多高層混凝土結構[M].2版.北京:機械工業出版社,2013.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.混凝土結構設計規范:GB50010—2010[S].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. 建筑結構可靠度設計統一標準:GB 50068—2001[S].北京:中國建筑工業出版社,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

作者簡介何章權(1982- )，男，安徽肥東人，工程師，碩士，從事計算力學、結構工程計算機模擬研究。

收稿日期2015-12-31

中圖分類號S 22

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-302-02