CN108118833A - 双钢筋混凝土构件及其裂缝计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用大直径热轧带肋三级钢筋焊制的双钢筋混凝土构件及其裂缝计算方法。双钢筋混凝土构件的配筋包括受拉区钢筋、受压区钢筋、箍筋，受拉区钢筋并列设置两组，每组包括两根纵向平行的纵筋，纵筋为热轧带肋三级钢筋，两根纵筋之间按一定间距焊接短横筋构成梯格型骨架，短横筋为一级钢筋。这种新型的双钢筋混凝土构件能够充分发挥双钢筋的技术优势，拓宽了双钢筋技术的使用范围，有助于推动双钢筋和热轧双钢筋在工程中的应用。同时，本发明通过对目前常用构件的裂缝计算公式中的相关参数进行修正和优化，提出这种新型的双钢筋混凝土构件裂缝计算公式，为设计人员提供了一个统一的设计依据，既避免浪费，又可保证质量。

Description

双钢筋混凝土构件及其裂缝计算方法

技术领域

本发明涉及双钢筋混凝土构件，具体是一种采用大直径热轧带肋三级钢筋焊制的双钢筋混凝土构件及其裂缝计算方法。

背景技术

随着现代混凝土建筑的迅速发展，结构的高度和跨度在不断增大，越来越需要强度高、刚度大、而尺寸相对小的构件。而目前国内外使用的双钢筋类型主要是由冷拔低碳钢丝或冷轧钢筋制成的双钢筋，这些双钢筋难以应用于一些较大配筋率的大型构件中，多用于小跨度的单向板、过梁、楼梯等构件中，构件种类不多且大部分用于板类构件，对于受弯、受压等构件尚待研究。此外，双钢筋使用过程中仍有许多技术尚不完善，双钢筋配置下梁的变形及裂缝情况分析就是亟待解决的迫切问题之一，并且对裂缝和变形控制的研究几乎没有试验数据可以借鉴。

普通钢筋混凝土受弯构件的裂缝计算目前已形成了一个完整的体系，而双钢筋混凝土受弯构件的裂缝计算，在某些问题上的认识尚未统一，如：裂缝截面处的内力臂系数、受拉钢筋应变不均匀系数的取值等。因此，双钢筋混凝土受弯构件的裂缝计算方法不能直接应用普通钢筋混凝土受弯构件的裂缝计算方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用大直径热轧带肋三级钢筋焊制的双钢筋混凝土构件及其裂缝计算方法，这种新型的双钢筋混凝土构件能够充分发挥双钢筋的技术优势，拓宽双钢筋技术的使用范围，推动双钢筋和热轧双钢筋在工程中的应用。同时，通过对目前常用构件的裂缝计算公式中的相关参数进行修正和优化，提出这种新型的双钢筋混凝土构件裂缝计算公式。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种双钢筋混凝土构件，配筋包括受拉区钢筋、受压区钢筋、箍筋，受拉区钢筋并列设置两组，每组包括两根纵向平行的纵筋，纵筋为热轧带肋三级钢筋，两根纵筋之间按一定间距焊接短横筋构成梯格型骨架，短横筋为一级钢筋。

进一步的，构件端部加密设置箍筋，加密区箍筋为一级钢筋；非加密区箍筋为普通箍筋。

上述双钢筋混凝土构件裂缝计算方法，按下述公式计算：

平均裂缝间距计算公式：

最大裂缝宽度计算公式：

c——最外层受拉钢筋的外边缘正截面受拉底边的距离；d——钢筋直径；

ρ_te——按混凝土受拉有效截面面积计算的配筋比(A_s/A_te)；

f_tk——混凝土抗拉强度标准值；σ_s——纵向钢筋拉应力。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，有益效果是：

受拉区钢筋采用热轧带肋三级钢筋，并通过一级钢筋短横筋焊接成梯格型骨架结构，使双钢筋混凝土构件无论在高强度或裂缝间距和宽度等方面，均比传统的钢筋混凝土构件有很大程度的改善，根据试验统计结果可以发现，这种双钢筋混凝土构件与普通钢筋混凝土构件相比，刚度提高12％，平均裂缝间距减小30％，最大裂缝宽度减小41％。由于横筋梯格的可靠锚固作用，使双钢筋纵筋强度得以充分发挥，从而达到了节约钢材和混凝土的目的。综合比较，这种双钢筋混凝土构件省钢率约为33.1％，省费用率31.6％左右，因而可以采用更高的设计强度，节省更多的钢材和混凝土。同时，通过试验及计算推导出的裂缝计算公式也为设计人员提供了一个统一的设计依据，既避免了浪费，又保证了质量。

附图说明

图1是矩形截面的双钢筋混凝土构件示意图；

图2是图1中的配筋示意图；

图3是T型截面的双钢筋混凝土构件示意图；

图4是图3中的配筋示意图；

图5是纵筋与短横筋连接示意图；

图6是箍筋布置示意图；

图7是实测裂缝平均间距与d/ρ关系图；

图中：1-受拉区钢筋；2-受压区钢筋；3-混凝土；4-加密区箍筋；5-非加密区箍筋；6-短横筋。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

参见图1-6，一种双钢筋混凝土构件，由混凝土3、浇注在混凝土3中的配筋构成，配筋由受拉区钢筋1、受压区钢筋2、加密区箍筋4、非加密区箍筋5、短横筋6组成，受拉区钢筋1并列设置两组，每组由两根纵向平行的纵筋和按一定间距焊接在两根纵筋之间的短横筋6构成，纵筋为热轧带肋三级钢筋，短横筋6为一级钢筋，两根纵筋与短横筋6构成梯格型钢筋骨架；构件端部加密设置箍筋，加密区箍筋4为一级钢筋；非加密区箍筋5为普通箍筋。

图1、图2所示的是矩形截面的双钢筋混凝土构件，受压区钢筋2纵向平行设置两根；图3、图4所示的是T形截面的双钢筋混凝土构件，受压区钢筋2纵向平行设置四根。

受拉区钢筋1的焊接形式分两种，即平焊和叠焊。可采用普通点焊机和专用焊机来焊制。用普通点焊机只能叠焊，并且效率低，劳动强度大，焊接质量无保证。采用专用焊机来焊制双钢筋可以提高工作效率，减轻劳动强度，保证焊制质量。

由于双钢筋的梯格与混凝土3紧密嵌固，借助短横筋6与混凝土3共同工作，使钢筋与混凝土3的粘结力大大提高，改变了高强度钢筋由于粘结力不足，不能充分发挥其高强度特性的现状，使高强度钢筋在不加预应力的情况下能直接在普通钢筋混凝土构件中使用。由于采用的材料强度高，可使截面减小，自重减轻。另外，由于粘结力的加大使混凝土3裂缝的开展宽度得到控制。

相比于普通钢筋混凝土构件，由于新型双钢筋中的梯格横筋起着调整应力的作用，裂缝开展受到限制，构件截面中和轴上移速度减慢，延缓了构件刚度的削弱，使双钢筋混凝土构件在弹塑性阶段中，裂缝和变形的发展速度放慢，表现出相当长的变形和裂缝开展过程，这个过程比普通钢筋混凝土构件要长，因此，构件中纵筋的强度得到充分的发挥。所以在改善构件刚度和减小裂缝宽度方面双钢筋混凝土构件比普通钢筋混凝土构件优越的多。

本实施例所述的双钢筋混凝土构件的裂缝计算方法，依照以下公式计算：

平均裂缝间距计算公式：

最大裂缝宽度计算公式：

c——最外层受拉钢筋的外边缘正截面受拉底边的距离；d——钢筋直径；

ρ_te——按混凝土受拉有效截面面积计算的配筋比(A_s/A_te)；

f_th——混凝土抗拉强度标准值；σ_s——纵向钢筋拉应力。

上述计算公式，基于普通钢筋混凝土结构设计规范的计算方法，通过各项相关系数的推导及修正，得出的裂缝计算公式，特别适用于热轧Ⅲ级钢新型双钢筋。

(1)关于受拉钢筋应变不均匀系数ψ的修正：

在试验试件数量有限，难于对实测受拉钢筋应变不均匀系数ψ与进行线性回归分析的情况下，可以依据钢筋应变不均匀系数的定义公式，参照规范中的大量试验结果k＝1.1；而公式中η₂为当混凝土即将开裂时，受拉混凝土合力作用点至受压混凝土合力作用点之间的相对距离。

η₂＝0.58，因此有对于矩形构件及T型构件将以上各值代入公式整理得：η＝0.92

(2)关于内力臂系数η的修正：

内力臂系数η值可以通过理论分析的方法和试验方法来确定。

理论分析法确定内力臂系数η值：

内力臂系数η的取值主要与受压区的高度、应力图形状和截面形式等有关，现有文献根据某些试验结果和理论分析提出η的近似计算公式为：

用试验方法确定内力臂系数η值：

通过试验量测M_s和裂缝截面处钢筋应变值，以求得η的试验值，其计算公式为：

由上式可知，只需要测定开裂截面钢筋的应变，即可确定内力臂系数η的实测值。为此，采取在纵向受拉钢筋表面粘贴电阻应变片的方法，用DH3815静态应变仪来测定开裂截面的钢筋应变。

因为内力臂系数是截面形状与换算配筋率的函数，并随荷载而变化，从上述实测结果分析，在使用荷载范围内，内力臂系数η值变化并不大。鉴于新型双钢筋混凝土构件采用了较高的钢筋设计强度，使其配筋率比相同情形下的普通钢筋混凝土构件为低，而相应的内力臂系数η值比普通钢筋混凝土构件稍大，实测结果也反映了这一点，由于变形验算属于校核性的，因此双钢筋混凝土构件在变形验算时内力臂系数取η＝0.92。

(3)裂缝平均间距的计算：

混凝土受拉裂缝的间距主要取决于混凝土的抗拉强度、钢筋的配筋率与直径，以及二者间的平均粘结应力等。不同强度等级的混凝土，其抗拉强度与平均粘结应力的比值变化幅度小，可以近似取为一常数；当配筋率很大时，裂缝间距趋于一常数值；变形钢筋比光圆钢筋的粘结应力高，平均裂缝间距约小30％。因此，受拉裂缝平均间距的计算式为：

式中：k₁和k₂为试验数据回归分析所得参数值，k₁为与钢筋保护层厚度c有关的常数，k₂为与f_t/τ_m比值有关的经验系数；其中双钢筋混凝土构件的τ_m值比普通钢筋混凝土构件要大得多。

d—钢筋直径；ρ—配筋率。

通过试验实测平均裂缝间距与d/ρ的关系(见图7)，经回归分析得：取平均保护层厚度c＝25mm,将ρ代换成ρ_te，得出k₁＝2.0；k₂＝0.057。代入上式得到双钢筋混凝土构件的平均裂缝间距的计算公式：

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (3)

1.一种双钢筋混凝土构件，配筋包括受拉区钢筋、受压区钢筋、箍筋，其特征在于：受拉区钢筋并列设置两组，每组包括两根纵向平行的纵筋，纵筋为热轧带肋三级钢筋，两根纵筋之间按一定间距焊接短横筋构成梯格型骨架，短横筋为一级钢筋。

2.根据权利要求1所述的双钢筋混凝土构件，其特征在于：构件端部加密设置箍筋，加密区箍筋为一级钢筋；非加密区箍筋为普通箍筋。

3.一种如权利要求1或2所述的双钢筋混凝土构件裂缝计算方法，其特征在于，按下述公式计算：

平均裂缝间距计算公式：

最大裂缝宽度计算公式：

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>W</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>2.1</mn> <mi>&amp;psi;</mi> <mfrac> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>E</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <msub> <mi>l</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>&amp;psi;</mi> <mo>=</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mn>1.1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>0.61</mn> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

c——最外层受拉钢筋的外边缘正截面受拉底边的距离；d——钢筋直径；

ρ_te——按混凝土受拉有效截面面积计算的配筋比(A_s/A_te)；

f_tk——混凝土抗拉强度标准值；σ_s——纵向钢筋拉应力。