符合ACI的单桩设计 318 (2014)

桩是细长的构件，可以将载荷从上部结构传递到更深的土壤或具有足够承载力的岩石上. 用于桩的材料可能包括木材, 钢, 和混凝土. 可以将桩安装到地面中, 钻孔的, 或顶起然后连接到桩帽. 很多因素, 例如现场条件, 土壤类型, 负载的传递, 考虑对桩的类型和安装进行分类. 本文将重点介绍根据美国混凝土协会设计的混凝土桩 (ACI) 318 – 2014.

SkyCiv Foundation Design模块包括符合美国混凝土学会设计的桩 (ACI 318) 和澳大利亚标准 (如 2159 & 3600).

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桩的承载能力

通常, 施加在桩上的垂直载荷由桩的端部承载, 并沿其长度形成了摩擦阻力. 极限承载能力 (问_ü) 用等式表示 (1). 应用安全系数来计算允许的承载能力 (问_一个).

\({问}_{ü} = {问}_{p} + {问}_{s}\) (1)

问_ü =极限承载能力

问_P =轴承端阻力

问_小号 =皮肤摩擦阻力

\({问}_{一个} = frac{{问}_{ü}}{福斯} \) (2)

问_一个 =允许的承载能力

FOS =安全系数

有关更详细的指南, 看看我们有关计算的文章 皮肤摩擦阻力和承重能力.

单桩结构强度

桩也承受轴向力, 剪力, 和弯矩, 这就是为什么它们在结构上类似于立柱的原因. 部分 10.5.1.1 说明所有分解载荷均不得超过其相应的设计强度.

\( {øP}_{ñ} ≤ {P}_{ü} \) (3一个)

\( {疮}_{ñ} ≤ {中号}_{ü} \) (3b)

\( {øV}_{ñ} ≤ {V}_{ü} \) (3C)

P_ü, 中号_ü, V_ü =轴向分解, 弯矩, 剪力

P_ñ, 中号_ñ, V_ñ =标称轴向, 弯矩, 剪力

ø=强度折减系数 (桌子 1)

强度降低因素(ϕ)
轴向的	0.65-0.90
弯曲的	0.65-0.90
剪力	0.75

桌子 1: 强度降低因素 (桌子 21.2.1, ACI 318-14)

单桩剪切力 (øV_ñ)

标称抗剪强度应等于混凝土和钢筋的抗剪承载力的总和.

混凝土的抗剪强度 (V_C)

如方程式所示，计算混凝土对剪切能力的贡献 (4) 在章节中定义 22.5.5.1 ACI的 318-14.

\( {V}_{C} = 0.17 ×λ×平方{fc’} ×b×d \) (4)

λ=混凝土改性因子= 1 (普通重量混凝土, 桌子 19.2.4.2)

fc’ =混凝土强度

b =桩宽或直径

d = 0.80 ×桩深 (部分 22.5.2.2)

钢筋的抗剪强度 (V_s)

横向抗剪钢筋对抗剪承载力的贡献计算为等式之间的最小值 (5) 和 (6).

\( {V}_{s} = 0.066 × sqrt{fc’} ×b×d \) (5)

\( {V}_{s} = frac{{一个}_{v} × {F}_{yt} ×d }{s} \) (6)

一个_V =抗剪钢筋的面积

F_yt =抗剪钢筋的屈服强度

s =抗剪钢筋的中心间距

标称剪切强度 (øV_ñ)

总结方程的输出 4-6 应达到桩的名义抗剪强度. 强度降低系数 (ø) 等于 0.75 如表中所定义 22.2.1 ACI的 318-14.

\( {øV}_{ñ} =ø× ({V}_{C} + {V}_{s}) ≤ {øV}_{ü} \) (7)

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单桩的轴向和挠曲能力 (øP_ñ, 疮_ñ )

使用相互作用图检查轴向和弯曲能力. 该图是从纯弯曲点到达到平衡点的载荷增加所引起的弯曲和轴向载荷行为的直观表示。.

数字 1: 色谱柱相互作用图

列交互图

图上的纯压缩点是桩将完全无法压缩的地方. 这一点, 轴向载荷施加在截面的塑料质心上，以保持压缩状态而不会弯曲. 可以通过线性插值来计算纯压缩点到解压缩点之间的桩的强度. 减压点是极限抗压纤维处的混凝土应变等于 0.003, 极端拉伸纤维中的应变为零. 纯弯曲点是轴向载荷为零的位置. 在从减压点到纯弯曲点的过渡之间, 达到平衡的状态. 这一点, 混凝土应变达到极限 (Ë_C= 0.003), 外钢应变达到屈服 (Ë_s= 0.0025). 图表外的轴向载荷和弯矩的任何组合都将导致故障.

设计的最大标称轴向抗压强度 (øP_ñ)

截面的设计轴向强度应仅限于 80-85% 标称轴向强度以解决意外偏心.

\( {øP}_{ñ} =ø× {P}_{的} \) (8一个)

\( {P}_{的} = F× [0.85 × {F}_{C} × ({一个}_{G} – {一个}_{圣}) + ({F}_{和} × {一个}_{圣}) ] \) (8b)

F = 0.80 (领带)

F = 0.85 (螺旋)

一个_G =桩横截面的总面积

一个_圣 =纵向钢筋的总面积

F_和 =钢筋的屈服强度

标称抗弯强度 (疮_ñ)

构建该列的交互图涉及绘制一系列P值_ñ 和M_ñ. P的值_ñ 应等于拉伸力和压缩力的总和, 如图2a和2b所示, 而对应的M_ñ 通过解决这些绕中性轴的力来计算. 这些力包括作用在压缩区域上的压缩力以及每个钢筋施加的力，这些力可以是压缩力也可以是拉伸力。. 下面提出了使用所示方程式构造相互作用图的一般程序.

图2a: 矩形柱截面

图2b: 圆柱截面

列交互图的一般步骤

(1) 计算P的值_的 和P_ñ (等式8a和8b).

(2) 确定c和钢筋中的应变.

\( c = 0.003 × frac{{d}_{1}}{0.003 + (与 + {Ë}_{和})} \) (9)

c =中轴深度

Ë_和 =钢的应变= f_和/Ë_s

Z =任意值 (0, -0.5, -1.0, -2.5)

通过选择中性轴的不同位置来考虑一系列情况, C. 设置中性轴的位置, 应通过将任意值Z乘以钢的屈服强度来选择不同的钢应变. Z的值范围很广. 然而, 交互图仅需使用四个要点.

• Z = 0: 在此刻, 张力极限层的应变为零. 这一点标志着从所有纵向钢筋上允许的压缩搭接接头到拉伸搭接接头的变化.
• Z = -0.5: 这种应变分布会影响柱中张力搭接接头的长度 & 通常绘制在交互图上.
• Z = -1: 这标志着平衡状态的关键. 这种应变分布标志着从由截面压缩表面破碎引起的压缩破坏到由纵向钢筋屈服引起的拉伸破坏的变化。.
• Z = -2.5: 这一点对应于张力控制的应变极限 0.005.

(3) 计算增强层中的应力.

\({F}_{和} ={Ë}_{和} × {Ë}_{s} \) (10)

F_和 =钢中的应力

Ë_和 =钢中的应变

\({Ë}_{和} = frac{C -{d}_{一世}}{C} × 0.003 \) (11)

Ë_s =钢的弹性模量

(4) 确定压应力块的高度, 一个.

\(a = {b}_{1} ×c \) (≤h)(12)

对于f’c≤ 4000 压力 (28 兆帕):

b₁ = 0.85

对于f’c > 4000 压力 (28 兆帕):

\( {b}_{1} = 0.85 – \压裂{0.05 × (f’c – 4000)}{1000} \) (英制)

\( {b}_{1} = 0.85 – \压裂{0.05 ×(f’c – 28)}{7} \) (公制)

(5) 计算混凝土和钢中的力.

压应力块的面积:

\({一个}_{C} = a×b \) (矩形截面)

\({一个}_{C} ={H}^{2} × frac{θ – sinθcosθ}{4} \) (圆形截面)

混凝土中的压力:

\({C}_{C} = (0.85 ×f’c) × {一个}_{C}\) (14)

钢中的拉伸力 (d_一世≤a):

\({F}_{和} = {F}_{和} × {一个}_{和} \) (15)

钢中的压缩力 (d_一世 > 一个):

\({F}_{和} = [{F}_{和} – (0.85 ×f’c)] × {一个}_{和} \) (16)

(6) 计算轴向容量 (P_ñ).

\({P}_{ñ} = {C}_{C} + Σ {F}_{和} \) (17)

(7) 计算抗弯能力 (中号_ñ).

\({中号}_{ñ} = [{C}_{C} × (\压裂{H}{2} – \压裂{一个}{2})]+ Σ [{F}_{和} × (\压裂{H}{2} – {d}_{一世}) \) (18)

(8) 计算强度折减系数的值 (ø).

如表所示 1, 轴向和弯曲强度的减小系数从 0.60 至 0.90. 部分 21.2 ACI的 318-14 暂时展示其价值, 轴向力, 或组合的力矩和轴向力, 如表所示 2 下面.

分类	螺旋	绑
压缩控制	0.75	0.65
从压缩过渡到拉伸	0.75 + [50 × (ËŤ – 0.003) ]	0.65 + [(250/3) × (ËŤ – 0.003) ]
张力控制	0.90	0.90

桌子 2: 轴向强度折减系数, 力矩或轴向和力矩的组合 (桌子 21.2.2, ACI 318-14)

(9) 重复步骤 2-8 具有各种Z值.

(10) 在图中绘制øP的值_ñ 和øM_ñ.

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参考资料

• • 结构混凝土的建筑规范要求 (2014). 交流电! 318-14 美国混凝土研究所.
  • 萧, J·K. (2012). 弯曲轴对载荷矩的影响 (下午) 使用有限数量的纵向钢筋的圆形混凝土柱相互作用图. 电子结构工程杂志 12 (1). 取自http://www.ejse.org