偏压构件在农业建筑结构中的应用研究

何章权， 杨智良， 王 强

(安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036)



偏压构件在农业建筑结构中的应用研究

何章权， 杨智良， 王 强

(安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036)

摘要在现代农业工程中，混凝土类构件应用广泛，可使用混凝土构件预制或现浇构件作为农业类建筑,如农业大棚、农业仓库等建筑的竖向受力构件。就农业建筑结构的柱类构件进行理论分析，讨论该类构件在实际工程中的应用及设计方法。以合肥地区某生产蔬菜的农业大棚为例，分析大偏压构件和小偏压构件的计算分析和在实际工程中的应用情况。对此类构件的设计原理进行正确的分析，可以安全、经济、有效地指导农业类建筑的结构设计。

关键词大偏心受压构件；小偏心受压构件；农业建筑结构；轴压比；延性

在农业建筑工程设计中，混凝土柱类构件有着广泛的应用[1]，如何进行科学经济的配筋设计以降低钢筋的用量而不减少构件的承载能力是设计中的关键。学者和工程技术人员已通过实验和理论的研究系统地得出了影响配筋经济的关键控制因素，即控制偏压构件的相对受压区的高度ξ。因此，笔者讨论了在农业建筑工程如预制农业大棚、农业仓库等的柱类构件的相对受压区高度ξ对配筋经济性的影响。在工程设计中，对应不同的荷载工况条件下，控制ξ在合理的范围内从而达到经济安全且科学的设计效果。

1混凝土偏压构件的应用范围及破坏特点

混凝土柱类构件，绝大部分属于偏心受压构件，即受到轴向压力和弯矩的组合作用，可以按照弯矩与轴力的大小分为大偏心受压构件和小偏心受压构件，分别简称大偏压和小偏压。图1是实际工程中常用的对称配筋柱在轴力—弯矩作用下到达极限状态时的承载力Nu—Mu 的相关关系，其中纵坐标为N，横坐标为M，大、小偏心交界处的轴力为Nb。以Nb为界，柱将产生2种破坏形态，当N大于Nb时是小偏心受压破坏，主要工作部位是下侧的几层柱子，其破坏时纵向主筋受压或者受拉，最终破坏以受压侧混凝土被压碎为构件破坏的主要标志。由于小偏心受压破坏时框架柱的变形性能由受压区混凝土压碎控制，所以延性很差。大偏心受压构件主要是在顶部几层柱的配筋，大偏心受压破坏时框架的变形性能由受拉钢筋屈服控制，类似于梁类构件中的适筋梁，其破坏具有明显良好的延性。大偏压的受力特点是，轴向力比较小，弯矩比较大。对于农业类建筑，由于其竖向荷载一般以雪荷载和维护结构的自重为主，故而传到柱类构件的竖向载荷不大，即N值不大。另外，由于偏心距较大，所以引起的附加弯矩较大。故而在农业建筑结构中，柱类构件主要是以大偏心受压为主。

图1　偏心荷载作用下的M—N图Fig. 1 The M—N diagram under eccentric loading

2大偏压构件和小偏压构件的延性比较

图1表示的Nu—Mu相关关系中，弯矩和轴力是同步增长的，即M=Ne，与框架柱的实际受力情况不同。框架柱是重力荷载产生竖向轴压力，水平地震作用引起的轴力往往忽略不计，故可认为轴压力基本稳定，作用在框架柱上的弯矩是由于水平地震作用产生的。图2为在4组轴压比作用下的抗力M—变形关系的实验数据。

3偏压构件在农业建筑结构设计中的应用

由于柱类构件在大偏压中，不但具有良好的延性，而且其配筋比较小[2]，因此在工程设计中尽量使得柱类混凝土构件发生大偏心破坏，柱类构件也是按照大偏心受压构件进行设计的。该研究以下分析基于合肥地区某农业建筑结构中混凝土柱类构件，其截面为矩形、对称配筋[3]，相关符号含义

图2　偏心荷载作用下的φ—M图Fig. 2　 The φ—M diagram under eccentric loading

与《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)一致。

根据静力平衡，有：

(1)

4轴压比与延性的关系

由图3可以看出，随着轴压比的增大，柱的延性在下降。图3给出了不同轴压比条件下框架柱的延性比变化规律的系统实验研究结果，纵坐标表示延性比，横坐标表示轴压比。实验结果表明，柱的变形能力随着轴压比增大而急剧降低，在大偏压情况下延性比还是相当好的，而在小偏压情况下延性比接近1.0。因此，《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)给出了利用控制框架柱的轴压比来控制其在地震作用下的延性。

图3　轴压比与位移延性比关系Fig. 3　Relationship between axial compression ratio and displacement ductility ratio

对于小偏压构件，受拉钢筋的应力可按下式近似计算：

(2)

将式(2)代入式(1)，整理可得：

(3)

将式(3)两边同除以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，即可得到轴压比n和混凝土相对受压区高度系数ξ的关系。设混凝土强度等级为C40，钢筋强度等级为HRB400，则α1=1.0,ξb=0.518。假设配筋率为1.0%，则式(4)可简化为：

ξ2+1.1(0.534-n)-0.304≥0

当轴压比n为0.50、0.70、0.90、1.00、1.05时，混凝土相对受压区高度系数ξ依次为0.533、0.650、0.788、0.864、0.904。由此可看出，ξ随着轴压比n的增大而增大，近似呈直线关系。由于ξ越大，构件截面延性越小，因此n越大，构件截面延性越小[5]。限制轴压比n的目的在于限制截面混凝土受压区高度，提高小偏压构件的截面延性。上述理论推导也就是从理论上验证了图3所拟合曲线的意义。

5结论与讨论

综合以上分析可知，偏压构件的轴压比满足规范限值时，构件依然可能发生小偏压破坏，小偏压构件在实际设计中是客观存在的。小偏压破坏延性较小，就应去提高构件的延性。在横向钢筋的约束作用下，核心区混凝土的强度和极限变形能力都会得到提高，截面延性增加，关键是控制其相对受压区的高度。《混凝土结构设计规范》中将理论和实验的结果加以统一规定，通过控制混凝土柱的轴压比在规范容许的范围内，从而保证柱子的延性，不至于发生脆性破坏。对于农业建筑结构中柱类构件主要是以大偏压破坏为主，故而其结构设计是以大偏压计算为主进行计算配筋，同时为了防止由于极端荷载情况下发生超过界限破坏的小偏压破坏，可在结构设计时在偏压构件的底部，合理配置横向钢筋(包括箍筋和间接钢筋)，增强对核心区混凝土的约束，从而保证工程设计中可以兼顾安全与经济的特点。

参考文献

[1] 王宇欣,王宏丽.现代农业建筑学[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2] 顾祥林.混凝土结构设计基本原理[M].2版.上海:同济大学出版社,2011.

[3] 施岚青.注册结构工程师专业考试专题精讲:多高层混凝土结构[M].2版.北京:机械工业出版社,2013.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.混凝土结构设计规范:GB50010—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 建筑结构可靠度设计统一标准:GB 50068—2001[S].北京:中国建筑工业出版社,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

作者简介何章权(1982- )，男，安徽肥东人，工程师，硕士，从事计算力学、结构工程计算机模拟研究。

收稿日期2015-12-31

中图分类号S 22

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)08-302-02