筋混凝土结构（精选7篇）
筋混凝土结构 篇1
摘要：随着我国社会经济的不断发展, 国内形态个性、结构新颖的建筑结构逐一涌现。型钢与混凝土组合结构作为工程领域中一种全新结构体系, 因其承载能力高、节约材料、抗震性好和自重较轻的优势而迎合了建筑行业的发展要求, 从而得到广泛的应用。本文从型钢混凝土结构概念入手分析, 结合工程实例阐述了其施工技术和施工要点, 以供类似工程参考。
关键词：型钢混凝土结构,异形箍筋,混凝土,模板
新世纪以来, 我国建筑施工技术发展方兴未艾, 各种施工新技术、新观念和新材料不断涌现, 为建筑行业的发展增添了许多新鲜活力, 但是也引发了许多新问题。在城市土地资源日益紧张的今天, 做好高层、超高层和地下建筑工程施工深受着人们的关注, 而型钢混凝土结构本身存在的质量轻、承载力高、节约材料和抗震性能好的优势, 这些优势刚好符合了人们建设高层建筑的需求, 迎来了发展高潮。
1 型钢混凝土结构分析
型钢混凝土结构也被广泛的称之为劲性混凝土结构, 是基于传统钢筋混凝土结构的基础上形成的一种施工新技术。在施工中通过在传统钢筋混凝土结构上增加型钢骨架而组成的建筑结构, 这种建筑结构具有着钢结构和钢筋混凝土结构双重优势, 与钢结构相比较它具备着节省钢材、增加建筑结构的刚度优势;与钢筋混凝土相比较, 它又是一个质量轻、减少截面、提高结构耐腐蚀性、防火性的施工优势。在现代化建筑工程项目中, 这种结构已经广泛的应用在欧美等发达国家, 且在我国近期的建筑施工中也得到了广泛的使用, 是国家建设部大力推广的十大施工新技术之一。基于这些施工特点和施工要求, 就要求工作人员在施工中合理的结合工程质量进行施工, 尤其是对异形箍筋的施工更是要高度重视, 确保其施工质量。
2 型钢混凝土结构异形箍筋施工技术的应用
我国早在新中国成立之初就从苏联引进了型钢混凝土组合结构施工技术, 并在当时的部分工厂施工中初步的应用。经过五十多年的发展与钻研, 型钢混凝土施工技术逐步成熟, 无论是施工工艺、施工质量控制措施, 还是施工原材料, 都得到了极大的完善与进步, 为工程施工技术提供了扎实、可靠的工作经验和技术指导。
2.1 工程概况
某工程在施工建设中设计、监理都是一家公司完成的, 而工程施工单位则是由外省企业进行的。在该工程施工建设中, 整体工程高度为31层, 下方均设置了1层地下车库, 总体建筑面积为167500平方米。在工程施工建设中, 为了提高工程适应空间和下层建筑结构的商业用途, 在地下一层至五层都是采用型钢混凝土结构的形式进行施工的, 而在型钢钢柱、钢梁以及墙板结构的选用中都是以H型钢为主的, 组合结构的横截面为1300×1300~1500×1500, 在工程施工中采用了预埋式柱脚结构, 柱内部也设置了型钢贯穿性结构体系。在工程中所选用的钢柱牛腿与钢梁之间的连接方式均是焊接连接的, 其中腹板部位的连接强度最为突出, 为10-9级摩擦型高强螺栓, 而在两翼采用了架设垫板的方法来直接在现场焊接的。
2.2 施工准备
施工准备工作的开展是一个极为复杂的环节, 尤其是在型钢混凝土组合结构施工中, 其准备更所更是繁杂无比。在工程施工建设中, 它包含了深化设计准备工作、备料加工准备、施工现场准备、施工材料准备乃至施工器械准备等多个环节。正是因为这些因素的存在, 使得准备工作存在着突出的周期性长、技术含量要求高、施工环境复杂、全面考虑工程施工因素等多各环节。对于一个工程施工而言, 准备工作的好与坏直接关系到工程的施工质量、施工进度、施工成本, 一旦施工准备环节出现工程质量问题, 其必然造成整个工程施工受到影响, 甚至会引发意料之外的施工安全事故。
2.3 施工方案
在一个工程施工中, 做好施工方案对于规范施工进度、提高工程质量、保证工程效率有着重要的作用。施工方案也可以说是施工准备工作的一部分。但是时至今日, 大部分工程在施工中都习惯性的将施工方案单独的置放在一个工程环节中。在工程施工方案编制中, 必须到施工现场了解施工道路的情况, 吊装环境, 施工用电布置, 每个构件的重量、高度, 塔吊的起重参数等。
2.4 型钢混凝土结构异形箍筋施工技术要点
通过对传统工艺的研究、改进, 确定采用半装配式箍筋安装方式。施工工艺流程为:套装1.5m柱高的箍筋→在加工场预先套装一半箍筋在钢骨上→吊装已套箍筋的钢骨→钢骨焊接、探伤→连接竖向钢筋→1.5m柱高堆积箍筋上提绑扎→钢骨预装箍筋套装绑扎→剩余少量箍筋套装绑扎。
2.4.1 套装1.
5m柱高的箍筋。在上下层柱主筋进行直螺纹连接之前, 先将部分箍筋套入, 堆积到1.5m高度, 待钢骨柱安装完成、柱主筋连接好后, 把堆积的箍筋上提绑扎。这样能解决柱下部箍筋套箍困难的问题。
2.4.2 钢骨预套箍筋。
在加工场地先将钢骨柱水平放置, 并用方木垫高, 将一半箍筋套装在钢骨上半段, 利用钢骨的穿筋孔, 设置032插销临时固定箍筋, 将箍筋和钢骨同时吊装。由于部分箍筋在加工场地套箍容易, 吊装后不受钢骨焊接、主筋连接的影响, 操作简便, 质量可靠。
2.4.3 钢骨吊装焊接。
钢柱吊装可利用连接板上的螺栓孔, 为了便于吊装和防止起吊时连接板变形, 应采用专用吊具, 吊具用高强度螺栓与连接板连接。安装时应采取临时固定措施, 并进行垂直度观测, 防止钢骨偏位。
2.5 质量保证措施
2.5.1 异型箍筋形式复杂。
不便于施工针对异型箍筋形式复杂不便于施工的问题, 采取施工前先在现场放样做样箍的方法, 将每种类型的箍筋按1:1制作实物大样, 会同设计人员逐个找出不合理之处进行修改。对确实无法套进钢柱的箍筋, 在满足最小配筋率的情况下尽量简化箍筋的形式, 把部分异型箍改为矩形箍, 减少每组箍筋内的肢数。由于弯钩平直段长度达到180mm, 将少量碰到钢骨的箍筋修改为焊接箍筋, 确保箍筋安装后不碰到钢骨。
2.5.2 异型箍筋角度变化较多, 加工困难。
加强对箍筋下料的控制, 提高箍筋加工的准确性。由于异形箍筋角度变化较多, 且箍筋的直径为中18, 弯曲半径大, 加工较困难, 对制作人员的素质和加工设备提出了较高的要求, 必须对现场加工机具进行保养、维修, 对弯曲机的中心轴统一进行更新, 并及时调整不同直径箍筋的弯曲中心, 使成型尺寸准确, 当一次弯曲多个箍筋时, 应在弯折处逐根对齐。
结束语
钢混凝土结构中钢骨连接、主筋穿孔等问题往往得到大家的重视, 而忽视了异型箍筋安装的复杂性, 若箍筋安装方法不当, 对安全、质量、工期会产生严重影响。半装配式的箍筋安装方法, 解决了箍筋间距不均匀、箍筋保护层偏小、箍筋弯钩碰钢柱、箍筋不水平等质量缺陷, 并大大加快了施工进度。
参考文献
[1]田占岭.型钢混凝土结构施工技术[J].科技资讯, 2008 (13) .
[2]JGJ138-2001, 型钢混凝土组合结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2002.
浅谈水工少筋混凝土结构设计方法 篇2
钢筋混凝土是现代主要的建筑材料之一, 但是它的发明既不是建筑师, 也不是材料专家, 而是一位来自法国的园艺师。钢筋混凝土的出现, 使大型的高层建筑和大跨度的桥梁的建设成为可能, 钢筋混凝土的出现开创了建筑业的新纪元。目前, 在中国, 钢筋混凝土是应用最多的一种结构形式, 占总数的绝大多数, 同时也是世界上使用钢筋混凝土最多的结构地区。混凝土是水泥和骨料的混合物, 坚固性很好, 但混凝土的抗拉强度较低, 而钢筋的抗拉强度较高, 两者综合, 使钢筋混凝土成为较好的建筑材料。少筋混凝土是采用钢筋做骨架的混凝土构件。这样, 钢筋可以承受拉力, 增加机械强度。少筋混凝土合理地利用了钢筋和混凝土两种不同受力性能材料的强度, 比钢结构更节约钢材。钢筋和混凝土共同作用, 提高了构件的抗拉强度, 耐久性, 并且具有耐火性、整体性、可塑性, 混凝土所用的砂石可就地取材。但是它自重大、抗裂性能差、施工时模板费用高。钢筋与混凝土之间存在良好的粘结作用;钢筋和混凝土的温度线膨胀系数几乎相同, 在温度变化时不致破坏钢筋混凝土结构的整体性;钢筋被混凝土包裹着, 使钢筋不会因大气的侵蚀而生锈变质。在我们日常的建筑工作当中, 少筋混凝土是必不可少的建筑材料, 对我们的建筑起到了很大的作用。
1 少筋混凝土的具体结构设计
我国的相关法律对少筋混凝土的使用有明确的限制, 为保证建筑时的安全性, 应按照国家有关规定进行设计, 少筋混凝土主要是用钢筋和混凝土结合在一起的, 这样既能够保证它的硬度, 又能够保证它的坚固度和柔韧度, 可以有效防止它发生变形和断裂, 少筋混凝土中的钢筋必须要选用优质的钢筋材料, 因为用于建筑物, 要保证建筑物的安全和长期的使用, 在建筑物的使用寿命期间要保证钢筋不发生任何断裂等危险情况。
少筋混凝土的截面尺寸较大的底板和墩墙一类结构, 其最小配筋率可由钢筋混凝土构件纵向受力钢筋基本最小配筋率所列的基本最小配筋率乘以截面极限内力值与截面极限承载力之比得出。
(1) 对底板 (受弯构件) 或墩墙 (大偏心受压构件) 的受拉钢筋As的最小配筋率可取为:ρmin=ρ0min () , 底板与墩墙的受压钢筋可不受最小配筋率限制, 但应配置适量的构造钢筋。
(2) 对墩墙 (轴心受压或小偏心受压构件) 的受压钢筋As'的最小配筋率可取为:
按上式计算最小配筋率时, 由于截面实际配筋量未知, 其截面实际的极限承载力Nu不能直接求出, 需先假定一配筋量经2-3次试算得出。
采用本条计算方法, 随尺寸增大时, 用钢量仍保持在同一水平上。
对于截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置等条件确定的厚度大于5m的结构构件, 规范规定:如经论证, 其纵向受拉钢筋可不受最小配筋率的限制, 钢筋截面面积按承载力计算确定, 但每米宽度内的钢筋截面面积不得小于2500mm2。
规范对最小配筋率作了三个层次的规定, 即对一般尺寸的梁、柱构件必须遵循规相应的计算标准的规定, 钢筋混凝土听起来比较简单, 很多的施工人员认为就是将钢筋和混凝土混合在一起就可以, 其实并不是那样的, 钢筋的比重占到多少, 混凝土的比重又应该是多少, 这些都是有严格的数据把控着的, 应该将比例保持在国家规定的数据范围之内, 如果不遵守相应的数据规定的话, 制造出来的钢筋混凝土就会是不达标的, 用该种钢筋混凝土建造出的建筑物也将是不合格的, 没有办法居住和使用。
为慎重起见, 目前仅建议对卧置于地基上的底板和墩墙可采用变化的最小配筋率, 对于其他结构, 则仍建议采用国家通用的规范表所列的基本最小配筋率计算, 以避免因配筋过少, 万一发生裂缝就无法抑制的情况。
经验算, 按所建议的变化的最小配筋率配筋, 其最大裂缝宽度基本上在容许范围内。对于处于恶劣环境的结构, 为控制裂缝不过宽, 宜将国家通用的规范表中所列受拉钢筋最小配筋率提高0.05%。大体积构件的受压钢筋按计算不需配筋时, 则可仅配构造钢筋。
2 规范的应用举例
例一水闸底板, 板厚1.5m, 采用C20级混凝土和Ⅱ级钢筋, 每米板宽承受弯矩设计值M=220kN/m (已包含γ0、φ系数在内) , 试配置受拉钢筋As。
解: (1) 取1m板宽, 按受弯构件承载力公式计算受拉钢筋截面面积As。
计算配筋率ρ===0.041%
(2) 如按一般梁、柱构件考虑, 则必须满足ρ≥ρmin条件, 查规范表9.5.1, 得ρ0min=0.15%, 则As=ρ0bh0=0.15%×1000×1450=2175mm2
(3) 现因底板为大尺寸厚板, 可按国家通用规范表计算ρmin
实际选配每米5Φ18 (As=1272mm2)
可见, 采用相应的规范来计算最小配筋率时, 当承受的内力不变, 则不论板厚再增大多少, 配筋面积As将保持不变。有上述的举例可以看出来, 我们必须要严格遵守一定的数据规范才能够保证我们所建造的建筑物的质量是过硬的, 任何时候我们都要认真谨慎, 不能够得过且过, 因为建筑的施工问题关系到的是很多人的生命安全。
3 结束语
少筋混凝土的建筑设计较为的复杂, 设计到方方面面, 我们的生活离不开各种建筑物, 我们要在房子里住, 我们要在学校上学, 我们要在办公室里办公, 家、学校和办公室这些都是以建筑为支撑的。建筑与我们的生活息息相关, 必须要保证建筑物的质量, 这样我们才能生活好, 学习好和工作好。少筋混凝土是建筑施工当中必不可少的一个建筑材料, 可是说是支撑了整个建筑物。这个建筑物质量的好坏与少筋混凝土的质量是有密切的关系的, 施工人员要严把质量关, 才能保证施工不出差错。政府也应该出台相应的政策和措施, 来保障施工的顺利进行。社会和媒体的监督也是必不可少的, 现在总有一些建筑工程被曝光, 偷工减料, 领导人员挪用公款, 这都给建筑施工带来不小的安全隐患, 我们更要严格监督机制, 建设现代化高质量的建筑物。
摘要：建筑行业是国家的重要行业之一, 保证着工业的顺利进行和居民的安居乐业, 建筑的质量是人们最为关心的问题, 其中建筑中混凝土是建筑中不可缺少的材料, 混凝土的质量对于整个建筑的质量有重要的影响作用。混凝土有不同的种类, 根据建筑的不同需要以及建筑结构的特点外形, 制备不同的混凝土进行使用, 其中少筋混凝土就是其中的一种。少筋混凝土也是建筑中较为常用的材料, 虽然硬度不及钢筋混凝土但是却是混凝土的一个过渡标准。对少筋混凝土国家也进行了明确的规定, 建筑行业中应按照标准进行建造, 保证建筑的质量, 文章就来详细的讨论一下水工少筋混凝土结构设计方法, 并通过一个例子来进行说明。
关键词：水工,少筋混凝土,结构,设计
参考文献
[1]刘冬梅, 方坤河, 石妍.磷渣对水泥浆体水化性能和孔结构的影响[J].硅酸盐学报, 2007 (1) .
[2]计涛, 纪国晋, 王少江, 刘艳霞.PVA纤维对水工抗冲磨混凝土性能的影响[J].东南大学学报 (自然科学版) , 2010 (S2) .
筋混凝土结构 篇3
关键词：纤维增强聚合物筋,力学性能,混凝土结构,研究,应用
1 前言
钢筋混凝土结构现已经成为世界上应用最广泛的结构形式。但是由于在钢筋混凝土的使用中, 钢筋锈蚀常常造成结构耐久性差, 不仅影响结构功能的正常发挥, 还会严重降低结构的使用寿命。据国外资料介绍[1], 目前美国的近60万座钢筋混凝上桥梁中, 有近10万座钢筋腐蚀严重。英国、德国、前苏联、日本等国每年均花巨资用于混凝上结构的耐久性修复, 其中钢筋锈蚀占相当大的比例。华盛顿林肯纪念馆、杰佛逊纪念馆, 柏林议会大厦等重要建筑物都曾发现钢筋锈蚀引起的损坏现象。可见钢筋锈蚀是世界范围内广泛存在、严重威胁结构物安全的一个耐久性问题。
为了解决钢筋混凝土中的钢筋锈蚀问题, 提高结构耐久性, 国内外学者自20世纪60年代开始致力于研究各种保护钢筋混凝上结构免受腐蚀的措施, 总体来说可分为增加钢筋保护层厚度、采用钢筋表面涂层、采用不锈钢筋、采用纤维增强聚合物筋、混凝土中掺加钢筋阻锈剂、混凝上表面涂覆封闭、电化学防护等等。经过近50年的分析研究, 无论是从防腐性能、经济性、施工性还是从生产的难易程度等来考虑, 纤维增强聚合物筋代替钢筋被一致认为是较理想的解决办法。
2 纤维增强聚合物筋的类型及发展
纤维增强聚合物 (Fiber Reinforced Polymer简称FRP) 筋是以纤维为增强材料, 以合成树脂为基体材料, 并掺入适量辅助剂 (如交联单体、引发剂、促发剂、蚀变剂、阻燃剂、阴聚剂、填料、颜料等) 经拉挤成型技术和必要的表面处理形成的一种新型复合材料。在纤维增强聚合物筋中, 常用的纤维有玻璃纤维 (GFRP) , 碳纤维 (CFRP) 、阿拉米德纤维 (AFRP) ;常用的基体材料有不饱和聚醋树脂、环氧树脂、乙烯基醋树脂。这些FRP筋中, GFRP筋研制最早。早在1942年, 美国橡胶公司将玻璃纤维和碳酸树脂复合、固化, 制成了玻璃纤维增强塑料。1970年, 欧洲首先开始将玻璃纤维增强塑料制成GFRP筋应用于混凝土结构, 并开展了一些有关的初步试验研究。CFRP筋是美国联合碳化物公司在1959年开发的, 该公司生产了以人造丝为原料的世界上第一种高弹模的碳纤维增强塑料。AFRP筋是美国杜邦公司于1972年开发生产的, 它也具有轻质、高强、高弹模等特点, 而且价格比碳纤维便宜。
3 FR P筋的生产工艺
纤维增强聚合物筋按加工成型方法可分为编织型、绳索型、拉挤型等。由于拉挤型具有作业速度快、质量控制好、生产成本低等特点, 已成为国内外大多数公司生产纤维增强聚合物筋的普遍方法。拉挤型FRP筋生产工艺过程见图1所示:
作为混凝土结构配筋用的FRP筋, 其外形可做成光圆、螺纹、矩形及工字形等, 这也是国外较常用的四种形式的FRP筋。此外, 也可直接将FRP筋制作成网板用于板的配筋, 或直接将连续纤维制作成FRP板用于各种结构的加固。
4 FR P筋的力学性能
FRP筋中纤维的体积含量一般为60%～70%, 质量比约为70%～80%, 纤维含量越高, FRP筋的强度也越高, 挤压成型也越困难。表1为几种纤维增强聚合物筋与高强钢丝的物理力学性能对比。作为一种新型复合材料, FRP筋与普通钢筋或高强钢丝相比具有以下特点:
⑴抗拉强度高。顺纤维方向抗拉强度远大于普通钢筋, 但均匀性差, 各向异性, 抗剪和抗多轴向力强度低。
⑵耐腐蚀性能好。FRP筋不会生锈, 且具有良好的耐腐蚀性, 特别适合于海洋工程和新建化工厂。
⑶密度小。从表1可以看出, 各种FRP筋的密度一般仅为钢筋的16%～25%, 有利于减轻结构自重。
⑷弹性模量较低。FRP筋的弹性模量约为钢筋的25%～75%。
⑸热胀系数与混凝土比较接近。
⑹抗疲劳性能优良。根据试验资料, CFRP筋与AFRP筋的抗疲劳性能要明显优于钢筋;GFRP筋的抗疲劳性能略低于钢筋, 但能够满足结构构件对抗疲劳的要求。
⑺电磁绝缘性好。可广泛应用于雷达站、医院、机场等对抗电磁干扰有特殊要求的建筑物。
⑻塑性变形小。图2为FRP筋、普通钢筋与预应力钢丝的σ-ε曲线。从变化曲线可以看出, 在达到极限抗拉强度之前FRP筋的σ-ε曲线基本呈线性关系, 无塑性变形发生。
⑼热稳定性较差。一般来说, FRP筋的弯曲强度在温度超过200℃后明显下降, 因此在一些特殊的建筑中需要考虑温度对FRP筋的影响。
⑽存在徐变断裂现象。FRP筋在持续高荷载作用下会因徐变断裂而破坏, 当持续荷载产生的拉应力达到极限抗拉强度的75%～80%时, FRP筋的使用寿命会受到影响, 如果拉应力在极限抗拉强度的60%以内时, 徐变引起断裂的可能性极小, 其影响可以忽视。
5 FR P筋的应用现状[2,3,4,5,6]
FRP筋的应用主要有以下几个方面:
⑴由于FRP筋轻质高强及抗腐蚀性好, 常用做混凝土桥梁大梁和板中的配筋或外部加固筋。
⑵用做斜拉桥的拉索。
⑶用做预应力筋。由于FRP筋具有较小的弹性模量及低松弛性能, 可以降低由于混凝土徐变和收缩引起的预应力损失, 还可减小由于预应力筋松弛引起的预应力损失。
⑷用于码头结构、混凝土槽道及喷射混凝土。
⑸由于FRP筋的非磁性, 可用于雷达站结构中。
⑹由于重量较轻携带方便, 可用于极地考察站结构的建设中。
⑺可用做水泥路面的传力杆, 因为普通钢筋传力杆的腐蚀会引起混凝土路面的剥落, 降低路面的使用性和耐久性。
⑻用做地锚。
国外对纤维增强聚合物筋的研究和应用都比较早。日本已将FRP筋用于混凝土桥梁的梁板配筋 (包括普通受力筋和内外预应力筋束) 以及悬索桥和斜拉桥上的斜拉索、栈桥和堤岸墙等海洋结构加固及混凝土渠道、地锚和喷射混凝土配筋等。建筑工程方面应用实例有一些民用建筑的主梁配筋及南极洲观察站结构配筋等。日本是第一个将CFRP绞线和AFRP筋作为混凝土桥梁预应力筋的国家。1988年, CFRP绞线首先在日本249号国道位于石川县的先张预应力混凝土板式公路桥新宫桥上作预应力筋。该桥所用的CFRP绞线公称断面积为76mm2, 重158kg/km, 弹性系数为1.32×105～1.47×105MPa, 张拉强度达1840MPa。
在1988～1992年4年期间, 日本国内用FRP筋修建了一系列工程, 不同类型的FRP筋性能和试验研究以及所需锚固系统都已完成。为探测采用FRP力筋的预应力混凝土构件的承载力和耐久性, 做了静载及疲劳试验。
北美在FRP筋的研究和应用方面也比较领先, 美国已经设计和施工了多项供研究及示范用的工程实例。较为著名的有南佛罗里达大学所做的桩试验、美国海军的码头和驳岸工程、联邦公路管理局的预应力大梁试验和密歇根州的桥梁工程。1994～1996年间, 美国海军在加州Hueneme港的海军设施工程服务中心设计并建造出由FRP预应力桩和上承板构成的码头。设计人员在桩和墩的设计中都使用了预应力FRP筋, 把FRP筋用在结构的一些预应力部位的同时, 考虑了打桩过程中对混凝土约束的刚度要求。迄今工程结构性能良好, 该项工程设计目标是75年内不需修缮。美国联邦公路管理局的研究计划包括制订FRP预应力大梁的桥面板设计指南, 以CFRP筋束为基础, 已于2000年初完成。加拿大在FRP筋的应用方面比较突出的工程有曼尼托省的Taylor桥、亚伯达省的Crowchild桥和魁北克省的Joffre桥。
欧洲在FRP筋的研究的应用方面做了大量的工作。1986年, 德国第一次将GFRP筋应用于塞尔多夫的乌伦贝克两跨连续梁街道公路天桥。慕尼黑的迪威达系统国际公司重点开发研制了用于岩土工程的GFRP筋条和CFRP筋条。1995年英国建造的人行天桥是欧洲第一座全部用GFRP配筋的人行桥;瑞士温特图尔的Storchen斜拉桥 (全长124m) 用了2根35m长的CFRP拉索, 在提契洛地区的双跨箱梁长69m, 采用4根梁体外张拉预应力CFRP拉索;荷兰某预应力钢筋厂研制了名“为碳应力”的碳纤维线材 (#5.3mm) 用于预应力混凝土基础上, 解决了桥墩附近预应力钢筋因河中涡流而腐蚀的问题;丹麦的Herning斜拉桥是迄今为止全部采用CFRP斜拉索已建成的最长的桥梁。
我国对于FRP筋的研究才刚刚起步, 仅有郑州大学、同济大学、哈尔滨工业大学等开始进行了研究, FRP筋应用于工程实际也还比较少。江苏大学西山人行天桥是国内第一座采用CFRP索建造的斜拉桥, 全桥长度 (30+18.4) m, 宽度5.0m, 设计荷载3.5kN/m2, 为独塔双索面桥, 索塔两侧各布置4对拉索。斜拉索采用日本三菱公司生产的Leadline型直径8mm的CFRP棒材。该桥采用3种类型的斜拉索, 共16根, 包括2束16-D8、2束11-D8、6束6-D8。深圳的地铁工程采用了美国HughesBrother生产的GFRP筋作为盾构法掘进竖井的混凝土墙, 从目前的使用情况来看, 其性能完全能满足要求。
6 FR P筋的研究现状[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]
6.1 FR P筋的粘结锚固性能研究
为了保证FRP筋与混凝土能良好地协同工作, 要求FRP筋与混凝土有优良的粘结锚固性能, 这里主要介绍下FRP筋粘结锚固性能研究的典型成果。
20世纪80年代开始国外学者就对FRP筋的粘结锚固强度进行研究。1987年Ralph A Chapman和Surendra PShah通过立方体中心拔出试验对不同埋置深度和不同养护时间 (1～28d) 的FRP光圆筋和FRP螺纹筋的荷载滑移特征进行了对比研究, 建立了FRP筋早期粘结强度的修正公式。1987年和1991年Pleimann进行了一系列FRP筋混凝土立方体中心拉拔试验, 提出了FRP筋的锚固长度计算公式。1992年Chaallal通过混凝土立方体中心拉拔试验研究了GFRP筋与普通混凝土及高强混凝土之间的粘结性能。并建议GFRP筋在普通混凝土和高强度混凝土中的锚固长度可近似取为20倍GFRP筋直径。1993年Vicki L Brown和Charles L Bartholomew通过试验对FRP筋与混凝土之间的粘结强度进行了研究。1996年M R Ehsani和Hsaadat manesh对48个梁式试件、18个拔出试验和36个弯钩试验进行的静载试验, 推导并修正了计算有弯钩和无弯钩的GFRP筋锚固长度的理论计算公式, 建议了混凝土保护层厚度和GFRP筋位置影响的约束参数。Zenon Achillide和Kypros Pilakoutas通过130个立方体拔出试件, 研究了不同类型FRP筋的粘结性能及粘结滑移曲线, 探讨了影响粘结应力的各种因素。
国内也有部分学者对FRP筋的粘结锚固性能进行了研究。同济大学的薛伟辰等通过立方体中心拔出试验和梁式试验对FRP筋与普通混凝土、纤维混凝土、水泥浆和环氧树脂之间的粘结锚固性能进行了试验研究, 试验研究表明, FRP筋与低强度普通混凝土的粘结强度与钢筋相比降低较小, 仅为6%左右, 而对于强度较高的混凝土, 其粘结强度降低达21%～23%;FRP筋与环氧树脂的粘结强度很高, 这为FRP筋用于预应力混凝土结构时的锚具研制提供了参考;FRP筋的粘结强度取决于核心位置处纤维塑料与表面外缠肋之间的粘结强度。郑州工业大学高丹盈利用拉拔试验和梁式试验得到了FRP筋与混凝土粘结性能的试验结果, 根据结果分析了混凝土强度、锚固长度、FRP筋直径、混凝土浇筑深度对粘结性能的影响, 并提出了FRP筋锚固长度的计算公式。
6.2 FR P筋混凝土受弯构件受力性能研究
FRP筋的较低弹性模量 (约为钢筋的25%～75%) 和线性变形特征决定了如果在混凝土构件中要想充分发挥其强度, 构件就会产生过大的挠度或裂缝, 并且构件在破坏时是完全脆性的。因此国内外学者对于FRP筋混凝土受弯构件的挠度、抗裂度及延性研究较多。有关学者进行的6根FRP筋混凝土梁加载试验表明, FRP筋混凝土梁的结构性能在很多方面类似于钢筋混凝土。加载过程中首先在FRP筋混凝土梁的跨中截面出现裂缝, 并且随着荷载的增大, 裂缝垂直向上延伸, 最后贯穿整个截面。但是由于FRP筋的弹性模量低, FRP筋混凝土梁的挠度要比相应的钢筋混凝土梁大3～4倍, 裂缝宽度也相应大得多。
高丹盈等通过对62根FRP筋混凝土梁的弯曲试验研究, 分析了FRP筋混凝土梁的正截面性能:FRP筋混凝土梁裂缝间距和宽度随着FRP筋配筋率的增加而减小。FRP筋的类型对裂缝间距和宽度有一定影响;在使用荷载作用下, FRP筋混凝土梁的挠度较同条件下的钢筋混凝土梁大;FRP筋的配筋率对抗裂承载力的影响十分有限, 可以忽略;当FRP筋的配筋率在一定范围内, FRP筋混凝土超筋梁的极限抗弯承载力随着配筋率的增大而增加;FRP筋混凝土梁受拉破坏的荷载挠度曲线以截面初裂为界限点分为两个线性阶段, 正截面开裂前, 荷载挠度曲线基本为线性, 梁截面刚度较大;正截面开裂后, 荷载挠度曲线出现转折点, 随着荷载增加, 纯弯段正裂缝发展, 剪跨段斜裂缝产生并向梁的受压加荷点扩展, 梁的刚度较截面开裂前减少。
由于FRP筋塑性变形小, 其配筋构件在破坏前没有足够的延性, 往往不能满足抗震设计要求。有关学者提出了混杂配筋的概念, 并通过对8根梁的弯曲对比试验得出如下结论:混杂配筋混凝土梁的延性不如钢筋混凝土梁, 但是可以控制其延性系数在3以上, 因此只要合理控制配筋率Af/As (Af为FRP筋截面面积, As为钢筋截面面积) 的值, 其延性可以满足抗震设计要求。
6.3 FR P筋的耐久性能研究
混凝土结构物通常设计年限均要求达到50至100年, 在这段时间里, 在各种不同的环境中, FRP筋是否有足够的耐久性能呢?因些我们有必要对FRP筋混凝土结构的耐久性能进行系统的研究。目前国内外关于FRP筋的耐久性研究还很少, 对FRP筋耐久性认识不够, 这里主要介绍目前国内外的一些FRP筋耐久性的试验和理论研究进展。
FRP筋在氯化物的环境下不会腐蚀, 但是实际工程往往会出现许多不同的恶劣环境, 如果FRP筋会在这些环境中腐蚀, 那么当使用它作为混凝土结构的加强筋就必须进一步考虑。Taketo Uomoto的研究表明, 在酸性环境中, 当温度达到80℃时, 才可能观察到FRP筋的退化, 而在40℃以下, GFRP筋与CFRP筋都不会发生退化现象;在强紫外线情况下FRP筋暴露3年的时间, 其中GFRP筋的强度下降1%～19%, CFRP筋的强度下降9%～17%;在经过300次冻融循环后, GFRP筋强度只下降8%, 而CFRP筋几乎没有任何影响;当温度从-10℃增加到60℃时, FRP筋的强度和模量分别下降20%和30%, 但是FRP筋结构所处温度在350℃以内时, 强度下降均在25%以内。同济大学的周长东等对火灾高温下的GFRP筋的力学性能重点进行了研究, 研究表明, 随着温度的升高, GFRP筋的强度和弹性模量均会下降, 强度受温度的影响更明显, 在温度高于270℃时, GFRP筋的强度急剧下降;当GFRP筋经历高温再恢复到室温后, 在温度低于190℃时, GFRP筋的强度可以恢复至室温时的强度, 在温度高于190℃时, GFRP筋的强度不能恢复;GFRP筋的基体材料在温度低于190℃时, 逐渐受热玻化而失去粘结时, 基体材料将会碳化和热分解, 其粘结性能不能再恢复;并建议在GFRP筋混凝土结构强度设计时, 为了安全起见, 取230℃时的GFRP筋的抗拉强度为其极限抗拉强度。Clarkej和Sheard的FRP筋加速腐蚀试验研究表明, 在强碱性环境中, GFRP筋的耐久抗拉强度比原有极限抗拉强度下降0～75%, 而其抗拉刚度在多数情况下下降0～20%, 并会在长期的持续拉伸应力下由于应力断裂而失效, 而CFRP筋的影响不大。国外有关学者的研究表明, 把FRP筋浸渍在各种各样的盐溶液中, 与没有浸渍的FRP筋相比并没有明显的差异, 这说明FRP筋具有很好的耐盐性。
以上所有研究均是在比正常使用时所处环境更加恶劣的条件下得出的结论, 正常使用情况下, FRP筋应用到混凝土结构, 除了暴露在外时, 紫外线会影响到它的性能以外, 在耐久性能上没有特殊的问题。但是由于FRP筋的热稳定性较差, 其应用于高温环境中的混凝土构件中时, 还不得不考虑对其采取保护措施来降低FRP筋周围的温度。
7 需进一步研究的问题
7.1 FR P筋的抗火性能
FRP筋的抗火性能不如普通钢筋, 因而到目前为止, FRP筋常被用于桥梁结构或不需要进行抗火设计的建筑结构中, 这是制约FRP筋在土木工程中大量应用的一个重要因素。虽然目前采用理论分析的方法可以计算出FRP筋的耐火极限, 但如采用防火保护的方法保护FRP筋达到规定的耐火极限时不发生破坏, 其需要的防火保护层厚度非常不现实, 难以被工程设计人员接受。所以, 如何提高FRP筋的抗火能力, 将是以后继续研究的一个热点。另一个值得注意的问题是FRP筋在经历高温时, 基体材料会散发出对人体有害的气体, 这又在材料改性方面向对研究人员提出了新的挑战。
沙特国王大学的测试表明[17]:在350℃时, CFRP筋只有其正常温度下承载能力的35%、抗拉弹性模量的40%, 而AFRP筋则分别为15%和40%。Sakashita等人分别对用AFRP、CFRP、GFRP和钢板加固的钢筋混凝土梁进行受热性能的研究, 先把所有的试件在100℃的温度中加热3h, 接着持续加热升温至1000℃, 再加热3h, 同时让梁受弯, 并监测梁跨中的竖向变形, 结果见表2。
7.2 预应力FR P筋锚、夹具的研制
为了充分利用FRP筋抗拉强度高的特性, 对FRP筋混凝土结构施加预应力显然是一种有效的手段, 这样一方面可以充分利用FRP筋的材料特性, 又能有效减少FRP筋混凝土梁的挠度变形, 还可以推迟裂缝的出现和减小裂缝开展的宽度。
锚、夹具的研制是预应力FRP筋应用的关键问题。但由于FRP筋的抗剪强度和抗挤压强度都很低, 这样普通预应力钢筋的锚、夹具不再适用, 否则会因为横向强度低而导致锚固区的过早实效, 预应力FRP筋的锚、夹具需专门研制。由于FRP筋的轴向抗拉强度与横向压缩强度之比高达20:1, 这就给锚、夹具的研制带来很大困难;同时, 又由于纤维材料种类的不同和FRP筋的力学性能不同, 相应的预应力锚、夹具也有所区别。但是, 设计良好的锚、夹具应沿着FRP筋的纵向有均匀的接触应力, 避免在其两端出现应力集中现象;而且应使工程设计人员有一定的设计灵活性, 包括可以方便地进行设计状况的变更。
目前比较常用的锚具系统主要有锲块锚、灌浆锚和套管锚三种类型, 性能基本能够满足工程的需要, 但是在极限状态下锚具经常先于材料破坏, 表明这方面还有待进一步的提高。
另一方面, 迄今为止还没有一种锚具系统能保证所有FRP筋达到最佳的预应力传递。这个问题也给各位学者以后的研究提出了挑战。
7.3 热塑性FR P筋的研制
采用通常的基体材料如聚酯、环氧树脂、乙烯基酯等生产出的FRP筋均为热固性FRP筋。由于这些热固性基体材料的分子结构易受热分解, 所以热固性FRP筋的弯折部分存在纤维弯折和应力集中现象, 其强度将减少50%～60%, 所以其成型后形状不能改变, 更不能随意弯折。热固性FRP筋的这种特点对其应用带来一定的限制, 如很难制作箍筋、弯起钢筋、大曲率的曲线预应力筋或折线预应力筋等;更不能在施工现场进行FRP筋端部的弯钩制作和FRP箍筋的成型, 必须在工厂预制, 这也给施工造成不便。
近几年来, 国外一些学者已开始研制、生产热塑性FRP筋, 这也将在国内成为一个新的研究热点。热塑性FRP筋能够灵活地适应混凝土结构对钢筋弯曲性能的要求, 而且在加热和压力的作用下可以重新成型, 这将极大地推动其在混凝土结构中的使用。
8 结语
随着科学技术的进步, 世界各国对土木工程的要求越来越高。在某些条件下, 传统的建筑材料已经很难满足这种要求。FRP筋的高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、抗磁性、电绝缘性、徐变小、比重小、低弹性模量等性质, 能够满足这种要求, 奠定了其在土木工程中应用的基础。但FRP筋的价格、脆性、锚固等因素仍然阻碍了它的广泛应用。
不过从总体上讲, 由于FRP筋作为一种新型的有发展潜力的建筑材料, 其本身具有许多优点, 并不是要完全取代传统的建筑材料—钢材与混凝土, 而是作为传统建材的一个重要补充, 推动世界各国现代土木工程技术的不断进步。以后随着FRP材料性能的改善, 以及研究工作的不断深入和计算方法的不断改进, FRP筋在混凝土结构中的应用将会更加广泛。
参考文献
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[5]Jens Christoffersen, Lar Hauge.Use of Non-corrodi-ble Reinforcement in Concrete Bridge[C]//Current and Future Trends in Bridge Design, Con-struction and Main-tenance.Singapore, 1999.
筋混凝土结构 篇4
关键词：钢筋混凝土结构,填充墙,植筋胶,材料
1 概述
混凝土结构后砌填充墙拉结筋虽不是主要承重构件受力筋, 却连接混凝土构件与后砌填充墙, 起拉结作用, 可提高建筑物抗震性能, 而传统的预埋做法常常产生一些质量问题:
1) 采用在模板上钻孔预埋拉结筋时, 对模板的损坏较大, 减少了模板的周转使用次数, 加大了成本;当孔径过大时, 易漏浆, 使拉结筋周围的混凝土出现麻面;另外, 预埋筋不易固定, 浇筑混凝土时易使钢筋移位, 出现钢筋埋深不够, 或钢筋埋置过深留出长度不够。
2) 为了不损坏模板, 将拉结筋整体预埋在混凝土里, 拆模后再将其剔凿出, 会破坏墙柱面混凝土, 影响观感质量;拉结筋易移位, 而且工效较低。
3) 采用浇筑混凝土时在墙柱内预埋铁件, 再将拉结筋与之焊接, 虽然对墙柱混凝土面无破坏, 但增加了施工成本;另外浇筑混凝土时铁件易移位, 不能保证拉结筋的位置正确;且经现场调查, 拉结筋与预埋铁件的焊接质量较差, 不能保证拉结质量。
4) 采用浇筑混凝土后, 在混凝土上钻孔埋设锚栓, 再将拉结筋与锚栓焊接时, 也由于焊接质量差及焊缝长度不够, 而无法保证拉结质量。
随着科技发展, 高性能建筑胶解决了这一问题。
2 施工方法及操作要点
1) 施工准备。根据施工图纸要求, 编制拉结筋配料单。根据现场实际情况, 制作皮数杆, 标明墙体砖 (砌块) 的皮数、灰缝厚度, 以此确定植筋的高度位置。
2) 筋钢加工制作、定位放线。根据配料单进行拉结筋下料、加工制作。按照施工图纸及砌块的模数, 在混凝土墙柱面上用十字线标明植筋位置。注意要避开混凝土柱的受力钢筋。
3) 钻孔。钻孔时应采用冲击电钻钻孔, 不宜采用钻孔机钻孔, 以便保证孔壁的粗糙度。孔径要比钢筋直径大一些, 一般采用10为宜。在正确位置始终保持钻头垂直于工作面, 钻入进度控制时不宜过于用力, 不能使设备晃动过大乃至倾斜于工作面或偏离原定位置, 以保证植筋孔不偏斜。
钻孔深度按照GB 50367混凝土结构加固设计规范中第12.3.1条植筋构造要求确定, 受拉钢筋最小锚固长度取:
故Φ6的拉结筋钻孔深度取100 mm。
施工中避开混凝土构件钢筋 (必要时应用钢筋探测仪进行探测) , 严禁切断主筋。
植筋孔钻完后, 要检查孔深和孔径, 应能满足植筋胶的施工要求。
4) 清孔。要清除孔内粉尘和余渣, 除采用专用毛刷外, 还要配合使用吹风机进行清除。吹扫后用棉丝擦拭孔壁两次, 不应用水擦洗。处理完毕要自检, 自检合格后报监理验收, 验收合格后方可用干净棉丝将孔口封闭。
5) 钢筋处理。拉结筋宜采用干净、表面无锈迹、无油渍、无杂质的钢筋。如果有锈蚀, 用钢丝刷或角磨机进行处理, 如果有杂质和油污, 要用丙酮或酒精进行擦拭, 以确保钢筋的粘结锚固性能。
6) 配制胶。采用主料和配料双组分的结构胶, 在现场调制。配胶前先将主料和配料两组分胶分别搅拌均匀, 然后将主料和配料按比例100∶1分别称取, 放置在同一容器 (原胶桶) 中搅拌。容器内严禁有水、油污等杂质。搅拌时尽量按同一方向, 直至呈粘稠状, 并无块状或沉淀现象即可。一次配胶量不得超过10 kg, 应尽量随用随配。
注意拌胶工具的专用性, 取主料和配料时应用不同的工具。搅拌时也应有专用的工具。15 min~20 min以内要将配好的胶用完。温度越高, 固化的时间越短;温度越低, 固化时间越长, 若温度过低, 需增加配料 (固化剂) 的用量, 以加快固化速度, 但主料和配料配制比例最大为100∶2。
7) 注胶。采用专用的注胶工具进行注胶, 保证注胶嘴达到孔底, 以完全排出孔内的空气, 边旋转边注胶边退出, 每孔注胶量略大于其理论需要量, 保证用胶量占孔体积80%以上。然后再进行植筋。
8) 植入钢筋。将钢筋锚固部分涂上胶, 旋转插入孔底 (达到钢筋埋深标记) , 保证孔口溢胶并注意防止漏胶。在植入的过程中, 要始终保持钢筋与混凝土构件面垂直。待钢筋全部植入后, 将孔口处的植筋胶清理干净。胶层饱满程度决定了锚固力的大小。
植筋时还应该注意, 配好的胶要在产品使用说明书规定的时间用完, 如发现调配好的胶已凝结发硬, 便不能再用。当然, 要想改变初凝时间, 可通过增减配料 (固化剂) 来解决。
9) 固定、养护固化。钢筋在植入的过程中位置会有所偏斜, 故钢筋插入孔内后要调整钢筋使其与混凝土构件面垂直、水平、不偏斜, 并保证其位于植筋孔的中间, 不偏于一边。并应安排专人在常温下进行一天的保护, 使其完全固化, 以保证钢筋与混凝土的良好胶结。若气温低于15℃时应采用人工加温 (碘钨灯照射或其他加热设施) , 但加温不得超过40℃。并延后下道工序开始施工的时间。
10) 检测试验、验收。在批量植筋前及植筋后都要做拉拔试验, 检验植筋胶是否符合设计要求以及工作状态的植筋质量。可采用液压拉拔仪对所植钢筋进行拉拔试验。为减少液压拉拔仪对锚筋附近混凝土的约束, 下用槽钢或支架架空, 支点距离至少应大于3d和60 mm中的大值。
a.破坏性检验:批量植筋前, 对所用钢筋及植筋胶应进行破坏性拉拔试验, 以确定钢筋及植筋胶是否符合设计要求。
制作与要植筋部位混凝土结构相同强度等级的混凝土试件, 按上述植筋工艺植入3根钢筋, 待植筋胶完全固化后, 进行拉拔试验。匀速加载2 min~3 min (或采用分级加载) , 直至破坏。破坏模式分为钢筋破坏 (钢筋拉断) 、胶筋截面破坏 (钢筋沿结构胶、钢筋界面拔出) 、混合破坏 (上部混凝土锥体破坏, 下部沿锚固胶、混凝土界面拔出) 3种, 结构构件植筋, 破坏模式宜控制为钢筋拉断。即当加力达到钢筋屈服强度时, 钢筋出现颈缩现象, 继而拉断, 而钢筋未拔出仍锚固完好, 这表明钢筋和植筋胶合格, 即可进行批量施工。
b.非破坏性拉拔试验:一般植筋72 h后, 应采用液压拉拔仪对所植钢筋随机抽样进行非破损性拉拔试验, 用来检测工作状态的植筋质量。检测的数量是植筋总数的1%, 且不少于3根。
做非破坏性检验时, 测力计施加的力要小于钢筋的屈服强度、大于植筋锚固胶的设计粘结强度。
3 材料与设备
1) 主要材料。
a.植筋胶。植筋所使用的锚固胶选用以分子原料为主体的双组分高强粘结剂, 对金属及非金属均具有很高的粘结强度。产品要有合格证明, 要能够满足植筋施工要求。锚固胶的性能应通过专门的试验确定。对获准使用的锚固胶, 除说明书规定可以掺入定量的掺合剂外, 现场施工中不宜随意添加掺料。锚固胶的技术指标如下:
固化时间:几分钟至数小时, 根据施工情况可调;
设计粘结强度:胶—混凝土7.0 MPa;胶—普通圆钢11.0 MPa;
抗压强度:≥70.0 MPa;
抗振动疲劳:≥800万次;
环境使用温度:-10℃~+40℃。
b.钢筋。钢筋性能要符合规范要求, 所用钢筋进场后必须取样进行复试, 复试合格后方能用于工程中。钢筋按设计要求选用, 拉结筋一般采用HPB235, 直径为6.5。钢筋在植入前应清除表面的铁锈及污物。
2) 施工机具。根据本工法施工要求, 主要采用的施工机具有:冲击钻、风机、柱形毛刷、角磨机、钢丝刷、胶板、钢尺、钢钎。
参考文献
[1]张立人.建筑结构检测、鉴定与加固[M].武汉:武汉理工大学出版社, 2003:77-79.
[2]江见鲸.建筑工程事故分析与处理[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004:45-46.
筋混凝土结构 篇5
关键词：混凝土结构,双筋截面,适筋破坏,超筋破坏,少筋破坏
《混凝土结构设计原理》涉及的知识面较多, 很多理论必须通过实验验证与理论分析相结合, 并进行详细的讲解, 使学生理解混凝土结构设计的计算理论。该课程的主要特点是公式多、符号多、构造要求多[1], 学习难度相对比较大, 学生较难理解。因此, 大多数学生的作业都是机械式地模仿例题, 不能灵活地应用公式, 采取机械的死记硬背的方法, 对知识的运用能力较差。
为了改变这种状况, 提高教学效果, 本文根据多年的教学经验, 对《混凝土结构设计原理》中双筋矩形截面正截面承载力计算的教学作一些探讨。
1 理解基本计算公式的应用条件
双筋矩形截面是混凝土结构设计的基础知识, 与单筋矩形截面不同之处在于双筋矩形截面在截面的受拉区和受压区同时配有纵向受力钢筋的矩形截面。因双筋矩形截面的受压区配有受力钢筋, 其计算简图及适用条件较单筋矩形截面相比要复杂, 见图1。
运用理论力学中力的平衡和弯矩平衡, 可得双筋矩形截面承载力计算公式为:
在运用上述公式进行构件承载能力的计算过程中, 学生经常会忽略进行公式适用条件的验算。这是因为学生没有弄清楚受弯构件正截面破坏的三种形态[2], 不理解计算公式是依据适筋破坏的破坏特征所建立。
公式 (1) 和 (2) 是以适筋破坏时的理论建立的平衡方程, 为了避免双筋矩形截面构件的少筋破坏和超筋破坏, 公式的使用条件为:
其中, 公式 (3) 是为了防止少筋破坏, 由于双筋矩形截面构件一般不会发生少筋破坏的情况, 因此该步骤可以省略;公式 (4) 为了避免受拉钢筋屈服前混凝土被压碎;公式 (5) 是为了防止受压区纵向受力钢筋在构件破坏时达不到抗压强度设计值[3,4]。
对公式 (3) 和公式 (5) 的理解, 学生较容易接受, 但是对于公式 (4) 学生感觉比较困惑。相对于单筋矩形截面理论来说, 弯矩设计值已经大于单筋截面的承载能力, 必然造成ξ≤ξb, 而使用条件中又要求ξ≤ξb, 这该如何解释?
为了解开学生的疑惑, 可将配筋图进行分解 (见图2) , 从而使学生对该问题有较好的认识。
由图可看出, 受拉钢筋的总面积可由As1和As2两部分表示, 即As=As1+As2, 其中As2是用来抵消A′s所造成的应力, 且As2=A′s;As1是用来抵消受压区混凝土所造成的压力。若去掉图2中As2的配筋, 则其配筋分布与单筋矩形截面一样。因此, ξb是针对受压区混凝土所造成的压力, As1才是作为判定ξ≤ξb的依据。
2 理解应力计算公式的意义
为了便于分析和计算, 可将双筋矩形截面的应力图分解为两部分:第一部分由受压区混凝土的压力和相应受拉钢筋As1的拉力组成, 承担弯矩M1;第二部分由受压钢筋A′s的压力和相应受拉钢筋As的拉力组成, 承担弯矩M2, 见图3。
若去掉图3中As2对构件的受力影响, 则其受力状态与单筋矩形截面一样。因此, 该部分的应力计算, 只要将受拉钢筋分为与受压钢筋平衡的钢筋As2和与受压区混凝土平衡的钢筋As1两部分, 则其应力计算就能较好地掌握。
因此, 对于上述计算公式所引出的钢筋截面面积选择的问题, 可以这样理解:
(1) 已知截面的弯矩设计值M, 截面尺寸b, h (h0) , 钢筋的种类和混凝土的强度, 要求确定受拉钢筋的截面面积As和受压钢筋截面面积A′s。
该问题的突破口是充分利用混凝土的抗压性能, 然后再配制结构所需的受压钢筋, 这样可以减少钢筋的用量, 达到良好的经济效果。因此, 可以假定受压区的高度为x=ξbh0作为补充条件, 则可以确定M1=a1fcbξbh0 (h0-ξbh0/2) 以及As1=a1fcbξbh0/fy。M2=Mu-M1。因此将公式 (2) 中M1=a1fcbξbh0 (h0-ξbh0/2) 移至公式左边, 则M2=Mu-M1=As2f′y (h0-a′s) , 进而可求得As2= (Mu-M1) /f′y (h0-a′s) 。最终可求得受弯构件的总配筋面积为As=As1+As2。
(2) 已知截面的弯矩设计值M, 截面尺寸b, h (h0) , 钢筋的种类和混凝土的强度, 受压钢筋截面面积A′s, 要求确定受拉钢筋的截面面积As。
该问题只需将钢筋的面积划分清楚, 问题就可游刃而解。问题的突破口为图3右侧部分的受力平衡分解图, 根据应力平衡条件可知As2=A′s, 且由A′s产生的弯矩为M2=A′sf′y (h0-a′s) 。因此, 只需将公式 (2) 中M2=A′sf′y (h0-a′s) 移至公式左边, 则M1=Mu-M2=a1fcb x (h0-x/2) , 该问题便转化为单筋矩形截面问题。
以应力图形为中心, 重视应力简图的画法[5], 通过图形分解简化分析过程, 实现学生对公式更深入的理解, 避免机械式的死记硬背造成的记不牢靠。
3 比较各类受力构件计算上的相互联系
单筋矩形截面正截面承载力计算是受弯构件正截面承载力这章的第一部分内容, 也是学生学习的基础, 其配筋形式及受力简图见图4。进行单筋矩形截面正截面承载力计算内容与双筋矩形截面正截面承载力计算内容的类比分析, 可以增加学生对双筋矩形截面正截面承载力计算公式的理解。
通过图4与图2、图3的对比分析可知, 受拉区的应力As1fy与受压区混凝土的应力a1fcb x为一对平衡力系;受拉区的应力As2fy与受压区的应力A′sf′y是一对平衡力系。
单筋矩形截面的承载力公式为Asfy=a1fcbx。据此可以得出以下结论:双筋矩形截面只是增加了一对受力平衡的钢筋As2=A′s, 若去掉As2的配筋, 则其配筋分布与单筋矩形截面一样。
找出它们的不同之处, 即可将双筋矩形截面问题转化为单筋矩形截面的问题, 从而使复杂的问题简单化。
4 结论
《混凝土结构设计原理》是土木工程专业最为重要的专业课, 且涉及的知识面较多, 很多理论不是简单的计算, 必须通过详细的讲解, 使学生理解计算理论的由来。双筋矩形截面正截面承载力计算为本书教学的难点之一, 计算公式复杂、学生难以理解, 因此, 教师应针对学生学习中存在的困难进行分析, 通过对公式的适用条件、计算公式的意义应用图形分解的方法进行类比分析, 将复杂的问题层层分解转化为已知的知识, 使学生对计算公式有更清晰的认识, 并取得良好的教学效果。
参考文献
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CFRP筋混凝土研究综述 篇6
CFRP筋总体上具备以下优点[1,2]:1)抗拉强度高,CFRP筋的抗拉强度是钢筋的5倍～10倍;2)无磁性,CFRP筋具有良好的透波性和非磁性,可应用于特殊要求的领域,比如地震观察台和海军潜艇基地;3)耐腐蚀性能好,纤维和树脂材料本身都具有极强的抗腐蚀性,因此在腐蚀性的环境中,CFRP筋的耐久性要远远优于普通钢筋;4)弹性模量高于其他纤维筋材料;5)密度小,其密度约为钢筋的1/4,有利于减轻结构自重。
根据以上优点,CFRP筋在土木工程领域不仅可以应用于全无磁建筑或建筑物加固,还可以用于以下方面[3]:
1)海洋工程的应用。由于海水具有极强的腐蚀能力,因此海洋基础设施防腐尤为重要。2)岩土工程中的应用。CFRP筋的抗拉强度高,但抗剪、抗扭强度约为抗拉强度的10%,故CFRP筋在岩土工程中既可以利用其高强度又可利用其弱抗剪性能,便于后期铲除岩土中的筋材。3)特殊工程中的应用。CFRP筋轻质高强及耐腐蚀性好,在各种特殊工程中能得到很好的应用。如盐厂、化工厂等,还可以用于有机物含量较多或腐蚀性较强的深井、地下室和隧道等。
2 非预应力FRP筋混凝土受弯构件研究现状
国外专家学者C.Barris,R.Masmoudi,Hall.T,Abdalla.T.A,Yost.T.R等人进行了大量非预应力FRP筋混凝土受弯构件试验研究,试验结果表明,FRP混凝土梁的挠度是相同配筋的钢筋混凝土梁的3倍～4倍,且裂缝宽度也大于钢筋混凝土梁。
国内学者高丹盈等[9,10,11,12]进行了非预应力FRP筋混凝土梁方面的试验,结果表明,非预应力梁裂缝宽度大,且脆性破坏。唐小林等人[13]针对1根钢筋混凝土梁和4根CFRP筋混凝土梁进行了试验对比,结果表明,虽然CFRP筋混凝土梁承载力较高,但挠度大于相同配筋的普通钢筋混凝土梁。李加贵[14]、李炳宏等人[15]通过对CFRP筋混凝土梁与普通钢筋混凝土梁作对比试验,结果表明,FRP配筋梁比普通钢筋混凝土梁裂缝宽度大,挠度也明显发展更快。
因此,FRP筋应用于非预应力混凝土结构时,就不能按照普通钢筋混凝土梁界限配筋率法进行设计,而应根据其满足正常使用状态进行计算配筋。FRP筋的强度得不到发挥,导致材料浪费。而施加预应力后,FRP筋对梁的预压力能有效限制刚度的降低和裂缝的发展,且FRP筋的高强度特性也可以得到充分利用。综上所述,FRP筋比较适宜应用于预应力混凝土领域。
3 预应力FRP筋混凝土结构研究现状
3.1 国外预应力FRP筋混凝土梁研究
Rizkalla.S等[16]研究了预应力碳纤维筋混凝土梁的抗弯性能,结果表明,当梁的破坏由受压区混凝土被压碎控制时,预应力CFRP筋混凝土梁的极限变形和预应力钢筋混凝土梁相当,而当梁的破坏由CFRP筋断裂控制时,梁的极限变形则低于相应的预应力钢筋混凝土梁。Stoll.F等[17]对CFRP筋预应力混凝土梁进行了相关的试验研究,以混凝土强度和预应力水平为变量,结果显示,预应力CFRP筋的断裂引起了梁的最终的破坏,且破坏前有明显的预兆。
3.2 国内预应力FRP筋混凝土梁研究
薛伟辰和张雷忠[18,19]对预应力梁的受弯性能及破坏过程进行了研究,通过改变受拉区非预应力筋的种类和预应力筋的数量对新型FRP筋预应力混凝土梁进行试验,结果表明:针对有粘结预应力FRP筋混凝土梁的极限承载力和正截面抗裂度的计算均可参照预应力钢筋混凝土规范,但截面界限受压区高度的正确取值问题需要重新考虑。
薛伟辰等通过6根梁试件的单调加载静力试验,对有粘结预应力CFRP筋混凝土梁的受力过程、抗弯承载力、位移延性、变形特性和破坏形态等进行了研究,并利用ANSYS工程分析软件对试验梁进行了非线性有限元分析。结果表明:按配筋率的不同,梁试件的破坏模式分为受拉破坏和受压破坏两种;预应力碳纤维筋混凝土梁受力性能良好,具有较大的位移延性和变形能力;随着张拉控制应力和配筋率的提高,有粘结预应力CFRP筋混凝土梁的位移延性有所降低;与非预应力配筋为钢筋的梁试件相比,玻璃纤维塑料筋梁的位移延性和变形能力较低。
湖南大学杨剑进行了16根先张预应力T形截面梁试验研究,试验考虑的主要参数为预应力筋类型、混凝土种类、预应力筋粘结方式、张拉控制应力、预应力度、梁高跨比和翼缘宽等。试验表明,配置CFRP筋的部分粘结、部分预应力梁有较好的延性性能和变形能力。在相同的荷载作用下,完全粘结梁的应力增量大于部分粘结梁的应力增量;在相同的应力增量下,部分粘结预应力梁比完全粘结预应力梁具有更大的变形能力。
张鹏进行了18根部分粘结部分预应力CFRP筋混凝土梁的试验研究,变化参数为预应力度及预应力筋无粘结长度与试件净跨之比。试验结果表明:当无粘结长度小于两加载点距离时,极限承载力和CFRP筋极限应力为定值,且对每一个预应力度值跨中挠度基本是常数;当无粘结部分超出两加载点时,预应力筋极限应力随无粘结长度的增加而降低,降低的比例随预应力度的降低而减少。
4 结语
筋混凝土板受热有限元分析 篇7
钢筋混凝土构件自重轻、强度高、抗裂能力强、经济性能好, 广泛应用于建筑结构中[1]。目前关于钢筋混凝土梁在火灾作用下的研究趋于完善, 但对钢筋混凝土板构件高温性能还没有形成统一的认识, 尤其是钢筋混凝土构件的钢筋和混凝土强度、弹性模量、两者之间的粘结力、温度场、变形、应力等影响方面[2]。
本文利用ANSYS中的三维实体单元Solid65对钢筋混凝土板构件进行热-结构耦合分析, 模拟火灾环境中钢筋混凝土受热膨胀产生的约束作用, 对高温作用下断裂热力学性能进行数值模拟, 为钢筋混凝土结构火灾试验提供可行性依据[3]。
1 建模
本模型选用ANSYS中的Solid65号8节点4面体单元, 单元的每个节点有三个方向的自由度 (Ux, Uy, Uz) , 主要用于三维模拟和钢筋混凝土建模[4]。混凝土板构件可忽略厚度方向的变形, 看做是二维结构, 主要考虑沿平面方向的伸缩变形。在本例中, 没有考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移性能, 将钢筋与混凝土视为多相复合完全固结构件, 板的尺寸为l×b×h/mm, 支座简支。研究内容:
(1) 以配筋率、保护层厚度、温度、时间为因素, 安排正交试验 (L934) , 确定各因素对应力、挠度的影响规律。 (2) ANSYS分析钢筋混凝土板火灾时在一定强度下发生的开裂现象, 单元的抗拉, 抗压的强度值与构件实体进行对比。 (3) 建立的混凝土板断裂 (沿三个正交方向) 压碎的温度-应力计算模型。
2 正交试验结果分析
根据正交实验总结出各影响因素对性能的变化规律。 (1) 高温作用下混凝土板的截面温度受加热方式、加热边界条件的影响较大, 而板的配筋率、保护层厚度、预应力钢筋数量对温度影响不是很大; (2) 在其他条件一样的情况下, 预应力钢筋数量越多, 净保护层厚度越大, 配筋率越大, 构件抗火性能越好, 跨中挠度也越小; (3) 在其他条件一样的情况下, 火灾温度越高, 受热时间越长, 构件抗火性能越差, 跨中挠度也越大。
3 高温作用下钢筋混凝土板构件的热容
采用LSO834标准升温曲线来模拟火灾时室内空气温度的变化, 板表面热量通过热传导至内部各节点, 使得构件内部在不同时间、不同位置温度变化不一样。
混凝土密度随温度变化较小, 一般取常数2400kg/m3, 导热系数和比热容一般按照如下计算。
4 高温作用下钢筋混凝土板构件的热应力
分析对象为受到环境温度起伏热冲击作用的板构件, 在承受荷载的过程中混凝土处于二维平面应力状态 (若考虑板厚则为二维平面应变状态) , 因此可用无限大薄板计算, 外表温度高, 中间温度低, 板的膨胀受到约束, 板件受力为压应力εx=εy=0, 因而产生应力+σx及+σy, z方向可以自由胀缩σz=0。根据广义胡克定律:
5 结束语
通过实验实例对比, 验证了应用ANSYS对火灾时钢筋混凝土板的温度场进行力学模拟的可行性;并对高温下工程中较常见的混凝土简支板进行模拟, 通过距迎火面不同距离节点的温度随时间变化及不同时刻混凝土板的温度云图, 总结了温度场的变化规律, 为温度-应力计算提供依据;从挠度变化看, 预应力板具有较强的耐火性。
参考文献
[1]周亚, 翟莉萍.混凝土裂缝方面问题的具体分析[J].公路交通技术, 2014, 2 (01) :88-90.
[2]张博, 何沛祥.高温下预应力混凝土板温度场及力学性能的数值分析[J].工程与建设, 2010, 24 (03) :298-300.
[3]阮祎萌.钢筋混凝土梁受压区温度裂缝分析与ANSYS仿真模拟[J]城市建设理论研究 (电子版) , 2013 (14) .