CN201087488Y - 有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件，包括混凝土(1)和设于其内的若干根其截面为螺旋状的受力冷轧扭钢筋(2)，以及若干根与受力冷轧扭钢筋(2)相互垂直搭接布置的分布钢筋(3)，所述受力冷轧扭钢筋(2)成对布置，每对中的两根受力冷轧扭钢筋(2)的螺旋旋转角度大小相同，其螺旋旋转方向相反。本构件能形成自约束混凝土，使其结构刚度提高、裂缝宽度得到控制，且制作工艺简便。

Description

有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件

技术领域

本实用新型涉及一种民用建筑用混凝土构件如楼面板和屋面板等板，具体讲是一种有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件。

背景技术

在土木工程领域混凝土结构具有经济、简便、实用以及取材容易等优点，迄今仍广泛应用。

其中预应力混凝土结构是利用高强度钢筋或钢丝或纤维材料作为受拉主筋并为结构提供预加应力，有效提高结构的刚度与抗裂性能等结构性能，在大跨度、高层、重荷载结构等领域得到广泛地应用，例如核反应堆安全保护罩等方面的应用都具有明显的技术经济与社会效益，也成了工程建设高新技术的象征。而其中的三向应力混凝土结构其典型应用就是各种钢管混凝土，钢管中混凝土在结构受荷后处于三向应力的约束状态，提高其力学性能，并获得优异的结构性能，适用于重荷载下的轴心或小偏心受压构件如柱类，具有较好的技术经济指标和社会效益。

然而，我国目前的基本建设的主体仍是民用建筑，尤其是住宅建设的规模每年约以2亿m²速度发展，这类建筑的跨度不大如一般小于4m，荷载也相对较轻如一般在3KN/m²左右。若采用预应力混凝土结构或三向应力混凝土结构，显然是不经济与不合理的。因此，目前这类结构中的楼面板或屋面板等绝大多数仍是采用普通钢筋混凝土结构。但传统的钢筋混凝土结构的楼面板或屋面板的裂缝问题已成为建筑业一大难题。究其原因主要是这种钢筋混凝土结构均采用光圆钢筋与带肋钢筋，前者与混凝土之间的粘接强度和刚度均很低；后者与混凝土之间有很高的粘接强度，但其粘接刚度却较低。

与上述光圆钢筋与带肋钢筋相比，近几年来出现的冷轧扭钢筋与混凝土之间具有较高的粘结强度与粘结刚度。

但现有技术的冷轧扭钢筋混凝土在实际应用中，仍存在以下不足：由于在楼面板或屋面板等板的单位面积内，其冷轧扭钢筋呈均匀分布，其冷轧扭钢筋相互之间的距离相等，而且所有冷轧扭钢筋的截面旋转方向均相同，其缺点是，每根冷轧扭钢筋与混凝土形成的楔子柱相互之间没有很强的吸引力，混凝土楔子柱相互之间不具备相互约束作用，没有形成自约束混凝土，所以，现有技术的钢筋混凝土受弯构件的粘接强度和结构刚度仍然不够，其最大裂缝宽度难以控制在国家允许的范围内，其楼面板或屋面板等板的裂缝问题仍然没有得到很好地解决。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种能形成自约束混凝土、其粘接强度和结构刚度均高、最大裂缝宽度小于国家规定标准的有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件。

本实用新型的技术方案是，提供一种具有以下结构的有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件，包括混凝土和设于其内的若干根其截面为螺旋状的受力冷轧扭钢筋，以及若干根与受力冷轧扭钢筋相互垂直搭接布置的分布钢筋，所述受力冷轧扭钢筋成对布置，每对中的两根受力冷轧扭钢筋的螺旋旋转角度大小相同，其旋转方向相反。

所述每对中的两根受力冷轧扭钢筋轴线间的距离不小于25mm，且不大于该对受力冷轧扭钢筋螺旋旋转角在一个节距的投影长度的2倍。

所述若干对受力冷轧扭钢筋中每对相互之间的距离均相等，所述若干对受力冷轧扭钢筋中的每对中的两根受力冷轧扭钢筋之间的距离也均相等。

在单向板中，所述分布钢筋采用冷轧扭钢筋，即为分布冷轧扭钢筋；所述分布冷轧扭钢筋成对布置，每对中的两根分布冷轧扭钢筋的螺旋旋转角度大小相同，其螺旋旋转方向相反；或，所述分布冷轧扭钢筋均匀分布；或，所述分布钢筋采用光圆钢筋或带肋钢筋，即为分布光圆钢筋或分布带肋钢筋，所述分布光圆钢筋或分布带肋钢筋均匀分布。

在双向板中，所述分布钢筋为另一个方向的受力冷轧扭钢筋。

所述混凝土优选采用强度等级在C20～C40的普通混凝土。。

采用以上结构后，本实用新型有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件与现有技术相比，具有以下优点：

由于本实用新型有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件凝土板类受弯构件布筋方式，由原来均匀分布改变为相对集中成对布筋，即以一对受力冷轧扭钢筋为单元，成对按一定间距布置钢筋，每对中的两根受力冷轧扭钢筋的螺旋旋转方向相反，每对中的两根受力冷轧扭钢筋的螺旋螺旋角度的大小一致，使得该成对受力冷轧扭钢筋之间的混凝土相互形成的楔子也相对旋转，使混凝土楔子柱之间形成了相互的约束作用，即自约束混凝土形成。这样，自然就达到提高结构刚度和减少最大裂缝宽度的目的。

综上所述，本实用新型有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件已形成自约束混凝土，其结构刚度大，最大裂缝宽度可较好地得到控制，使困扰建筑行业的普通钢筋混凝土的楼面板或屋面板等板的裂缝问题得到有效解决；对民用建筑所需的跨度不大和荷载不大的钢筋混凝土板类受弯构件而言，提供了一种质量优良且经济实用的钢筋混凝土板类受弯构件。

同时，由于本实用新型的混凝土约束是来自冷轧扭钢筋与混凝土间的特殊粘结锚固性能与特殊的工艺，不像预应力混凝土那样需要外部的预加应力的工艺设备、锚夹具等一系列工艺过程和材料；也不像三向应力混凝土需要钢管的约束和工艺过程，而是与普通钢筋混凝土结构的工艺基本相同的条件下完成自约束的目标，所以其制作方法十分简便，劳动效率高，制作成本相对低。

附图说明

图1是本实用新型有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件采用的冷轧扭钢筋的结构示意图。

图2是本实用新型有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件中两受力冷轧扭钢筋之间的距离原理示意图。

图3是本实用新型的有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件横截面剖视结构示意图。

图4是现有技术冷轧扭钢筋混凝土的受力冷轧扭钢筋及分布钢筋均匀分布的(俯视)结构示意图。

图5是本实用新型有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件双向板的受力冷轧扭钢筋和分布钢筋即另一方向的受力冷轧扭钢筋均成对布置的(俯视)结构示意图。

图6是本实用新型有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件单向板的受力冷轧扭钢筋和分布钢筋均成对布置的(俯视)结构示意图。

图7是本实用新型有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件的受力冷轧扭钢筋成对布置而分布钢筋均匀分布的(俯视)结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型采用的其截面为螺旋状的冷轧扭钢筋是通过对光圆钢筋原料经连续的冷轧与冷扭所形成的一种截面如近似矩形、方形、圆形等沿钢筋轴线作周期螺旋变化的异型钢筋，其截面一周期变化的距离称为节距L，其螺旋旋角一般在35°～40°之间。

如图3、图5、图6、图7所示。

本实用新型有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件，包括混凝土1和设于其内的若干根其截面为螺旋状的受力冷轧扭钢筋2(即受力钢筋采用冷轧扭钢筋)，以及若干根与受力冷轧扭钢筋2相互垂直搭接布置的分布钢筋3。不难理解，所述垂直搭接，是指在水平方向呈纵向与横向垂直搭接。所述分布钢筋3又称构造钢筋，在双向受力板即行业通称的双向板中，分布钢筋3采用冷轧扭钢筋，即分布钢筋就是另一个方向的受力冷轧扭钢筋2。在单向受力板即行业通称的单向板中，分布钢筋3可采用冷轧扭钢筋，即称为分布冷轧扭钢筋3.1，也可采用光圆钢筋或带肋钢筋，如采用热轧HPB235级、HRB400级或冷轧CRB550级等的普通钢筋，称为分布光圆钢筋3.2或分布带肋钢筋3.2。

本实用新型的特点在于：所述受力冷轧扭钢筋2成对布置，每对中的两根受力冷轧扭钢筋2的螺旋旋转角度大小相同，其旋转方向相反。也就是将如图4所示原来的均匀布筋，即受力钢筋与分布钢筋均按各自间距均匀布置，改变为受力钢筋为相对集中成对布置。当然，根据常识所知，改变后的配筋仍应等于或大于原配筋设计。例如图4所示原设计受力钢筋直径8mm，间距125mm，即板的单位宽度1m均匀配筋计8根，现改为如图5、图6、图7所示的相对集中布筋，钢筋直径仍为8mm，以两根一对，对与对之间的轴线间距为250mm，则板的单位宽度1m内布置的钢筋总数仍为8根，在板1m宽度即单位宽度范围的配筋数量是相同的，则承载力相等，即为等强度代换原则。

所述每对中的两根受力冷轧扭钢筋2轴线间的距离不小于25mm，且不大于该对受力冷轧扭钢筋2螺旋旋转角θ在一个节距L的投影长度b的2倍，即不大于2Ltgθ(参见图2)。采用这个距离，楔子混凝土螺旋状柱体的相互约束作用效果就更加明显。所述若干对受力冷轧扭钢筋2中的每对中的两根受力冷轧扭钢筋2之间的距离均相等。所述若干对受力冷轧扭钢筋2中每对相互之间的距离也均相等，使操作更简便。当然，根据常识所知，所述若干对受力冷轧扭钢筋2中每对相互之间的距离要根据设计计算来确定。

如图5所示，在双向板中，所述分布钢筋为另一个方向的受力冷轧扭钢筋2。展开讲就是：所述分布冷轧扭钢筋成对布置，每对中的两根分布冷轧扭钢筋的螺旋旋转角度大小相同，其旋转方向相反。所述每对中的两根分布冷轧扭钢筋轴线间的距离不小于25mm，且不大于该对分布冷轧扭钢筋螺旋旋转角θ在一个节距L的投影长度b的2倍。所述相互垂直的冷轧扭钢筋互成受力钢筋或分布钢筋。换句话说，在双向板中，每对冷轧扭钢筋既是受力钢筋，又是分布钢筋，如纵向钢筋承受横向力时是受力钢筋，而承受纵向力时即为分布钢筋，即相互垂直的两个方向的冷轧扭钢筋均是按受力冷轧扭钢筋2的要求来布置，所以，相互垂直的两个方向的若干对受力冷轧扭钢筋2中的每对中的两根受力冷轧扭钢筋2之间的距离也均相等，所述若干对受力冷轧扭钢筋2中每对相互之间的距离也均相等。

如图6所示，在单向板中，所述分布钢筋3可采用冷轧扭钢筋，即为分布冷轧扭钢筋3.1。所述分布冷轧扭钢筋3.1仍可成对布置，即与上述双向板中的分布冷轧扭钢筋的布置完全相同：每对中的两根分布冷轧扭钢筋3.1的螺旋旋转角度大小相同，其旋转方向相反。所述每对中的两根分布冷轧扭钢筋3.1轴线间的距离也可不小于25mm，且不大于该对分布冷轧扭钢筋3.1螺旋旋转角θ在一个节距L的投影长度b的2倍。当然，在单向板中，由于只有一个方向的冷轧扭钢筋受力，所以，每对中的两根分布冷轧扭钢筋3.1轴线间的距离也可不按本段所述的严格要求，每对中的两根分布冷轧扭钢筋3.1的旋转方向也可不要求相反。

如图7所示，在单向板中，所述分布冷轧扭钢筋也可采用光圆钢筋或带肋钢筋，即称为分布光圆钢筋3.2或分布带肋钢筋3.2，且采用现有技术的均匀分布。

所述混凝土本实施例优选采用强度等级在C20～C40的普通混凝土。

本实用新型有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件的制作方法，包括制作受力冷轧扭钢筋2和制作分布钢筋3、制作安装模板、安装绑扎受力冷轧扭钢筋2和分布钢筋3、浇筑混凝土、对浇筑的钢筋混凝土结构进行养护、拆模。所述制作分布钢筋包括制作分布冷轧扭钢筋3.1和制作分布光圆钢筋3.2或分布带肋钢筋3.2。

在制作受力冷轧扭钢筋2的工序中，根据设计的规格尺寸，将冷轧扭钢筋2的螺旋旋转角θ按顺时针和逆时针方向各加工一半；

所述绑轧受力冷轧扭钢筋2和分布钢筋3，在单向板中，指按设计的每对中的两根受力冷轧扭钢筋2轴线间的距离和该对受力冷轧扭钢筋2与相邻的另一对受力冷轧扭钢筋2之间的距离固定，通过与被绑轧的受力冷轧扭钢筋2相互垂直的分布钢筋3交叉点叠接绑扎固定其相应距离；或，

在双向板中，相互垂直的两个方向的受力冷轧扭钢筋2(互为受力钢筋或分布钢筋)均按设计的每对中的两根受力冷轧扭钢筋2轴线间的距离和该对受力冷轧扭钢筋2与相邻的另一对受力冷轧扭钢筋2之间的距离固定，通过相互垂直的受力冷轧扭钢筋2的叠接绑扎固定其相应距离。

本实用新型不仅局限于以上实施例，凡在本实用新型产品独立权利要求和方法独立权利要求保护范围内所作的各种变化均在本实用新型的保护范围内，如：所述每对中的两根受力冷轧扭钢筋2之间的距离允许有变化；所述若干对受力冷轧扭钢筋2中每对相互之间的距离也可不完全相等；所述若干对受力冷轧扭钢筋2中的每对中的两根受力冷轧扭钢筋2之间的距离也可不完全相等；等等。以上这些变化均在本实用新型的保护范围内。

有一点需要说明的是，本实用新型之所以称为“有限自约束”钢筋混凝土板类受弯构件，它是介于预应力混凝土受弯构件与普通钢筋混凝土受弯构件之间的一种结构形式。众所周知，钢筋混凝土受弯构件是利用钢筋抗拉强度高，混凝土抗压强度较高的特点形成截面以中和轴分为受拉区和受压区域，钢筋布置在受拉区下部，承担拉力，其正截面承载力极限状态的拉力值为A_sf_y(A_pf_py)，A_p为预应力筋截面之和；f_py预应力筋抗拉强度设计值。式中A_s为受拉钢筋截面面积之和，f_y为钢筋抗拉强度设计值。为了保证极限状态时构件为延性破坏，以最小和最大配筋率作为限制。配筋率 $\mathrm{\μ}=\frac{A_s}{b{h}_0},$ 式中b为构件截面宽度(对板来讲为宽度，一般取1米为单位)，h₀是截面的有效高度，由截面总高度减去混凝土保护层厚度(由规范规定，对板类构件一般取15mm)和钢筋的半径。对板类受弯构件，规范规定最小配筋率μ_min＝0.2％或45f_t/f_y中的大值，式中f_t为所采用混凝土强度等级的混凝土抗拉强度设计值，f_t为所采用钢筋抗拉强度设计值。当然，还有混凝土受压高度的限制。所以对普通钢筋混凝土受弯构件来讲，钢筋配量的多少(即A_s多少)和钢筋抗拉强度设计值大小是综合反映承载力大小，即A_sf_y是反映承载力大小。此时，钢筋与混凝土之间是由粘结力进行协同工作，对普通钢筋混凝土受弯构件来讲，钢筋的应力不能太大，规范限制在f_y＝360N/mm²，否则，裂缝的宽度超过正常使用极限状态的限制。例如一般受弯构件，最大裂缝宽度限制在0.2mm以内。因此，当荷载很大或跨度很大时，若采用普通钢筋混凝土受弯构件，则要很多钢筋(A_s很大)，于是构件截面就要很大，才能满足钢筋布置，这时就造成不经济或不可能。鉴于预应力筋一般抗拉强度远高于f_y＝360N/mm²，根据等强度原则，则钢筋用量可大幅度减少，同时预加应力的作用正好与使用时荷载作用相反。所以当构件投入使用后，这种预加应力可起到平衡荷载的作用，从而提高了结构构件的刚度和抗裂性能，这就是预应力的特点。但是预应力混凝土在中小跨度、荷载不大的板类受弯构件中使用，由于其预应力筋的强度高，以及最小的配筋率的限制，也使其不经济或不可能。

而本实用新型是在非预应力混凝土板类受弯构件基础上，利用混凝土楔子柱作用，改善和提高了构件的刚度和对裂缝的控制，所以仍是普通钢筋混凝土板类受弯构件，具有施工工艺简便，实用的特点，又具备预应力混凝土的约束(预压)作用，达到提高构件刚度和控制裂缝的目的。但又不是传统意义上的预加应力技术，需要对预应力筋施加的张拉控制应力必须不低于其预应力筋抗拉强度标准值的0.4倍，即σ_con≥0.4f_ptk，式中σ_con为预应力筋的张拉控制应力，f_ptk为预应力筋抗拉强度标准值(由相关标准给定)。

下面以例子说明：设板的厚度为120mm，h_o＝105mm，根据正截面承载力极限状态设计，配置φ^t8@160，即配冷轧扭钢筋φ^t8，间距160mm，每一米板宽配φ^t8钢筋6.25根，每根φ^t8钢筋截面积为45.3mm²，则板的配筋率 $\mathrm{\μ}=\frac{A_s}{b{h}_0}=6.25\×45.3/(1000\×105)=0.27\%,$ 满足规范规定不小于0.2％。这是按钢筋均匀布置设计。所以当改为本实用新型的布置时，钢筋不变，结构性能提高已由上述论证证明。

但是若改为预应力筋，以1×7钢铰线为配筋，一根钢铰线的截面积为140mm²，f_ptk＝1860N/mm²，f_py＝1320N/mm²，当配筋率相同时，一米板宽配2根钢铰线， $\mathrm{\μ}=\frac{2\×140}{1000\×105}=0.27\%.$ 很明显，即使张拉控制应力σ_con＝0.4f_ptk，也要达到744N/mm²，与冷轧扭钢筋抗拉强度设计值360N/mm²相比，大一倍以上，所以要满足原配筋率，钢铰线的强度就很低了，是不经济的；若改为1根钢铰线(从等强度原则仍满足，预应力筋A_pf_py＝140×1320＝184.8KN，冷轧扭钢筋A_sf_y＝45.3×6.22×360＝101.4KN)，但是1根钢铰线时的配筋率 $\mathrm{\μ}=\frac{140}{1000\×105}=0.14\%$ 不满足最小配筋率的要求。

可见采用预应力混凝土结构在中小跨度、小荷载的条件下是不经济或不可能的。

因此，这种楔子混凝土所形成的约束相对于预应力混凝土而言是有限的。但对普通钢筋混凝土板类受弯构件而言，由于板跨度不大，荷载也不大，这种约束冷扎扭钢筋混凝土板类受弯构件与传统的均匀分布钢筋的混凝土板类受弯构件相比，已由上述论证证明可提高构件刚度，减少裂缝宽度等改善结构性能的作用。同时这种约束是钢筋混凝土板类受弯构件工作过程自行产生的，因而称之为有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件。

Claims (5)

1.一种有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件，包括混凝土(1)和设于其内的若干根其截面为螺旋状的受力冷轧扭钢筋(2)，以及若干根与受力冷轧扭钢筋(2)相互垂直搭接布置的分布钢筋(3)，其特征在于：所述受力冷轧扭钢筋(2)成对布置，每对中的两根受力冷轧扭钢筋(2)的螺旋旋转角度大小相同，其螺旋旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件，其特征在于：所述每对中的两根受力冷轧扭钢筋(2)轴线间的距离不小于25mm，且不大于该对受力冷轧扭钢筋(2)螺旋旋转角(θ)在一个节距(L)的投影长度(b)的2倍。

3.根据权利要求1或2所述的有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件，其特征在于：所述若干对受力冷轧扭钢筋(2)中每对相互之间的距离均相等，所述若干对受力冷轧扭钢筋(2)中的每对中的两根受力冷轧扭钢筋(2)之间的距离也均相等。

4.根据权利要求1所述的有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件，其特征在于：在单向板中，所述分布钢筋(3)采用冷轧扭钢筋，即为分布冷轧扭钢筋(3.1)；所述分布冷轧扭钢筋(3.1)成对布置，每对中的两根分布冷轧扭钢筋(3.1)的螺旋旋转角度大小相同，其螺旋旋转方向相反；或，所述分布冷轧扭钢筋(3.1)均匀分布；或，所述分布钢筋(3)采用光圆钢筋或带肋钢筋，即为分布光圆钢筋(3.2)或分布带肋钢筋(3.2)，所述分布光圆钢筋(3.2)或分布带肋钢筋(3.2)均匀分布。

5.根据权利要求1所述有限自约束钢筋混凝土板类受弯构件，其特征在于：在双向板中，所述分布钢筋为另一个方向的受力冷轧扭钢筋(2)。

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