在 RFEM 中按照 ACI 318-14 进行钢筋混凝土柱设计

混凝土柱分析

对一个钢筋混凝土方形柱进行设计，其荷载分别为 135 kips 和 175 kips 活荷载，如图01所示。 混凝土材料的抗压强度 f'_c为 4 ksi，钢筋的屈服强度 f_y为 60 ksi。 钢筋配筋率初始设定为2%。

Betonstütze - Ansicht

尺寸标注设计

首先必须计算截面的尺寸。 方形拉力柱被确定为受压控制，因为所有轴向荷载都严格受压。 根据表 21.2.2 [1] ，强度折减系数 Φ = 0.65。 在确定最大轴向强度时，表 22.4.2.1 [1]确定 α 系数 (α) 等于 0.80。 现在可以计算设计荷载 P_u 。

135 k (135 k) P_u = 1.2 (175 k) + 1.6 (175 k)

基于这些系数，P_u等于 442 kips。 接下来，总截面 A_g可以通过公式 28 计算得出。 22.4.2.2.

P_u = (Φ) (α) [0.85 f'_c (A_g - A_st ) + f_y A_st ]

442k = (0,65) (0,80) [0,85 (4 kips) (A_g - 0,02 A_g ) + ((60 ksi) (0,02) A_g )]

对 A_g求解，我们得到的面积是 188 平方英寸² 。 对 A_g开平方并四舍五入，得到截面为 14” x 14” 的柱子。

所需钢筋

由 A_g得出，钢筋面积 A_st 22.4.2.2 将 A 的已知值_g = 196 代入² ，求解

442k = (0.65) (0.80) [0.85 (4 kips) (196 in² - A_st ) + ((60 ksi) (A_st ))]

求解 A_st得出 3.24 in² 。 由此得出设计所需的钢筋数目。 按照 Sec. 10.7.3.1 [1] ，方形拉力柱要求至少有四根钢筋。 基于这些准则，并且所需要的最小面积为 3.24 in² ，因此使用附录 A [1]中第 6 根 (8) 根钢筋作为钢筋。 下拉菜单中显示了混凝土的配筋面积。

A_st = 3.52 英寸²

杆件选择

确定最小拉杆尺寸的步骤是 193. 25.7.2.2 [1] 。 在上一节中，我们选择了 6 号纵向钢筋，它们小于 10 号钢筋。 基于这些信息和截面，我们选择编号 3 作为枕木。

箍筋间距

确定最小拉杆间距可参考附录SEC。 25.7.2.1 [1] 。 由闭环变形钢筋组成的拉杆与该截面的间距必须符合(a) 和(b) 的规定。

(a) 净间距必须等于或大于 (4/3) d_agg 。 这里计算中假设骨料直径 (d_agg ) 为 1 英寸。

s_min = (4/3) d_agg = (4/3) (1.00 in) = 1.33 in

(b) 中心到中心的间距不应超过钢筋纵向直径的 16d_b 、拉杆直径的 48d_b或杆件最小尺寸中的最小值。

s_Max = Min (16d_b, 48d_b, 14 in)

16d_b = 16 (0.75 英寸) = 12 英寸

48d_b = 48 (0.375 英寸) = 18 英寸

计算得出的拉杆件最小净间距为 1.33 英寸，最大净间距为 12 英寸。 对于这种情况，拉杆的间距不能超过 12 毫米。

深化检查

现在可以进行详细的钢筋验算。 根据规范 ACI 318-14 [1]中的规定，钢结构用钢比例必须在 1% 到 8% 之间。

钢结构百分比 =

纵向钢筋间距

最大纵向钢筋间距可以根据钢筋净间距以及拉杆和纵向钢筋的直径计算得出。

钢筋最大纵向间距:

4.00 英寸小于 25.7.2.3 (a) 的 6 英寸[1] 。 确定并全部计算

计算时钢筋最小纵向间距可参阅1中 25.2.3 节，其中柱子纵向最小间距应至少取 (a) 至 (c) 项中较大的值。

(a) 1.5"

(b) 1.5 d_b = 1.5 (0.75 in) = 1.125 英寸

(c) (4/3) d_b = (4/3) (1.00 in) = 1.33 英寸

因此，钢筋的最小纵向间距为 1.5 英寸。

计算展开长度(L_d )也须参照25.4.9.2 [1] 。 这将等于下面计算的 (a) 或 (b) 中的较大者。

(a)

(b)

在此示例中， (a) 是较大的值，因此 L_dc = 14.23 英寸。

参照25.4.10.1 [1] ，开发长度乘以所需钢筋与实配钢筋的比值。

完整设计加劲肋方形柱，其截面见图 02。

Stahlbetonstütze - Bemessung/Maße der Bewehrung

与 RFEM 的比较

对于方形连接柱，还有一种替代方法是使用附加模块 RF-CONCRETE Members 并按照美国规范 ACI 318-14 [1]进行计算。 模块将计算承受柱子荷载所需的配筋面积。 此外，软件根据柱子上的轴向荷载，考虑规范中的间距要求，计算配筋。 用户可以在结果表中对钢筋布置进行微调。

RF-CONCRETE Members 由该示例中的实际荷载计算得出需要的纵向钢筋面积为 1.92 英寸² ，实际提供的纵向钢筋面积为 3.53 英寸² 。 在附加模块中计算得出展开长度为 0.81 m。 与上面用解析公式计算的展开长度相比，是由于非线性计算，包括系数 γ。 系数 γ 是在 RFEM 中计算的极限内力与作用内力的比值。 RF-CONCRETE Members中的发展长度是 gamma 的倒数和按照25.4.9.2 [1]中确定的长度相乘。 更多关于这种非线性计算的信息可以参见下面的帮助文件 RF-CONCRETE Members。 在图 03 中可以预览到该钢筋的预览。

RF-BETON Stäbe - Vorhandene Längsbewehrung

在 RF-CONCRETE Members 中计算该杆件的抗剪钢筋是由 (11) 根 3 号钢筋，钢筋间距 12 英寸。 在图 04 中显示了抗剪配筋的布置。

RF-BETON Stäbe - Vorhandene Schubbewehrung