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001733

Alex Bacon, EIT

2022-04-12

RFEM 6 按照 ACI 318-19 进行钢筋混凝土柱设计

使用“混凝土设计”模块，可以按照 ACI 318-19 进行混凝土柱设计。在下面的文章中，我们将按照 ACI 318-19 使用分步分析公式确定模块混凝土设计的配筋设计，包括所需的纵向配筋、总截面面积和连接尺寸/间距.

混凝土柱分析

本例题使用 ULS 设计方法和按照规范 ACI 318-19 设计的 LRFD 荷载组合，使其承受轴向活荷载 135 kips 和活荷载 [1] 01 混凝土材料的抗压强度 f'_c = 4 ksi，钢筋的屈服强度 f_y = 60 ksi。钢筋配筋率初始设定为2%。

知识库文章 001733 | RFEM 6 中按照 ACI 318-19 进行钢筋混凝土柱设计

1 钢筋混凝土柱

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 为 0.65。在确定最大轴向强度时，请参考表 22.4.2 {%或#Refer [1]]]，其 alpha 系数 (α) = 0.80。现在可以计算设计荷载 P_u 。

135毫米 Pu = 1.2 (175毫米) + 1.6 (175毫米) = 442 kips

基于这些系数，P_u等于 442 kips。接下来可以使用公式 22.4.2.2 计算总截面 A_g 。

P_{u} = (Φ) (α) [0.85 {f'}_{c} (A_{g} - A_{st}) + f_{y} A_{st}]

Φ	强度折减系数
α	Alpha 因子
_f '	抗压强度
A_st	钢筋配筋率

荷载计算值

442 kips = (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 代入 A 的已知值_g = 196 in² 并求解。
442 kips = (0.65) (0.80) [0.85 (4 kips) (196 in² – A_st ) + ((60 ksi) (A_st ))]

求解 A_st得出的截面面积为 3.24 in²。由此得出设计所需的钢筋数目。根据第 10.7.3.1 节{%！基于这些标准，并且最小需要 3.24 in² 的面积，附录 B 中的 6 号钢筋使用 (8) 根钢筋 #Refer [1]]]。下拉菜单中显示了混凝土的配筋面积。

A_st = 2 in²

杆件选择

根据第 25.7.2.2 节确定最小拉杆尺寸的要求 [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

最小拉杆间距可参见章节 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 。这里计算中我们假设集合体的直径 (d_agg ) 等于 1 英寸。
s_min = (4/3) d_agg = (4/3) (1.00 英寸) = 1.33 英寸

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

s_Max = Min（16 d_b, 48 d_b, 14 英寸）
16 d_b = 16 (0.75 英寸) = 12 英寸
48 d_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。

2 柱子抗剪钢筋

深化检查

现在可以进行详细的钢筋验算。根据 ACI 318-19 中的规定，钢结构用钢比例必须在 1% 到 8% 之间。

\frac{A_{st}}{A_{g}} = \frac{3.52 {in}^{2}}{196 {in}^{2}} = 0.01795 \cdot 100 = 1.8 %

A_st	非预应力纵向钢筋的总面积，包括型钢和型钢，不包括预应力钢筋
[THESIS.TITEL]_g	毛截面

钢材利用率

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。

\frac{14 in - 2 (1.5 in) - 2 (0.375 in) - 3 (0.75 in)}{2} = 4.00 in

钢筋最大纵向间距

4.00 英寸小于 25.7.2.3 (a) 要求的 25.50 英寸[1]。

钢筋最小纵向间距可参见 25.2.3 [1] 计算，其中柱子的最小纵向间距必须至少为 (a) 至 (c) 中的最大值。 [SCHOOL.INSTITUTION]

(a) 1.5 英寸
(b) 1.5 d_b = 1.5 (0.75 英寸) = 1.125 英寸
(c) (4/3) d_b = (4/3) (1.00 in) = 1.33 in

因此，钢筋的最小纵向间距为 1.5 英寸。

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

L_{dc} = (\frac{f_{y} \cdot ψ_{r}}{50 \cdot λ \cdot \sqrt{{f^{'}}_{c}}}) \cdot d_{b} = (\frac{(60000 psi) \cdot (1.0)}{50 \cdot (1.0) \cdot \sqrt{4000 psi}}) \cdot (0.75 in) = 14.23 in

f_y	非预应力钢筋的屈服强度特征值
_ψr	用于修改基于侧边配筋的开发长度的系数
λ	反映相同抗压强度下轻质混凝土与普通重混凝土力学性能的调整系数
f'_c	抗压强度
d_b	预应力钢筋、钢丝或预应力绞线的公称直径

(a) 开发长度

L_{dc} = 0.0003 \cdot f_{y} \cdot ψ_{r} \cdot d_{b} = 0.0003 \cdot (60000 psi) \cdot (1.0) \cdot (0.75 in) = 13.5 in

f_y	非预应力钢筋的屈服强度特征值
_ψr	用于修改基于侧边配筋的开发长度的系数
d_b	预应力钢筋、钢丝或预应力绞线的公称直径

(b) 展开长度

在此示例中， (a) 是较大的值，因此 L_dc = 14.23 英寸。

请参考 25.4.10.1 {% 查看 [1]]] 中的说明，然后根据设计长度乘以所需的钢筋与实际钢筋的配筋率。

L_{dc} = L_{dc} (\frac{A_{s, prov}}{A_{s, req}}) = (14.23 in) (\frac{1 ft}{12 in}) (\frac{1.92 {in}^{2}}{3.53 {in}^{2}}) = 0.65 ft

开发长度

显示的为带钢筋方形连接柱，其截面见图 02。

3 柱子纵向配筋

与 RFEM 的比较

除了手动设计方形柱之外，还可以使用 RFEM 6 中的混凝土设计模块，并按照美国规范 ACI 318-19 [1] 进行设计。模块中会确定在柱荷载作用下所需的配筋面积。用户需要在软件提供的钢筋布置图中手动进行调整，以满足显示的钢筋需求。

RFEM 6 根据示例中的作用荷载确定了所需的纵向钢筋面积 3.24 in²。在混凝土设计模块中计算的发展长度为 0.85 米。与上述展开长度相比，用解析公式计算的展开长度是由于程序的非线性计算，包括分项系数 γ。系数 γ 是在 RFEM 中计算的极限内力与作用内力的比值。 “混凝土设计”模块中的发展长度是通过将 gamma 的值乘以 25.4.9.2 中确定的长度得出的[1] 该展开的长度和钢筋可以在图 03 和图 04 中预览。

4 所需开发长度

5 所需的纵向钢筋

在“混凝土设计”模块中，该杆件所需的最小抗剪配筋面积 (A_v,min )计算得出的结果是钢筋的直径为 0.14 平方英寸，最小间距 (s_max ) 为 12 英寸。所需的抗剪钢筋布置如图 05 所示。

6 最小抗剪钢筋和间距

作者

Alex 负责北美市场的客户培训、技术支持和持续的程序开发。

链接

参考

ACI 委员会 318. (2019)。混凝土结构的建筑规范要求和注释, ACI 318-19。 Farmington Hills：美国混凝土协会。
Dlubal 软件。 (2017)。 RF-CONCRETE Members 手册。 Tiefenbach: Dlubal 软件，2018 年 3 月。

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