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圓形抗拔樁最大裂縫寬度計算的探討

作者:來源:日期:2019-12-10 10:04:43人氣:971
      1問題的提出

      抗拔樁是工程中常見的一種構件,廣泛應用于地下水位較高的地下工程中,主要用來解決結構的抗浮問題,抗拔樁的配筋往往是由裂縫寬度控制的。對于圓形抗拔樁裂縫寬度的計算,設計界較多的計算方法是將圓形樁按面積不變的原則等效為方形截面,再按<混凝土結構設計規范》GB50010- -20104(以下簡稱砼規)第7.1.2條計算裂縫寬度,但砼規7.1.2條的條文說明“對沿截面上下或問邊均勻配置縱向鋼筋的構件裂縫寬度計算,研究尚不充分,本規范未作明確規定",且其他現行建筑工程系列規范中并沒有關于圓形截面混凝土構件的裂縫寬度計算公式,因此對于這種計算方法是否正確,建筑工程設計業界還沒有更多的研究,本文正是從這個問題出發來探討設計抗拔樁時如何計算其裂縫寬度。


      2問題在水運設計界得到解決

      國家交通部在2011年8月29日頒布實施的《水運工程混凝土結構設計規范)JTS 151- -201 1[3](以下簡稱水運規范)中6.4.2條"鋼筋混凝土矩形、T形、倒T形、I形和圓形截面受拉、受彎和偏心受壓構件,其最大裂縫寬度可按式(1)計算"即明確了圓形截面受拉構件裂縫寬度計算公式,只是個別參數和矩形截面取值不同,按式(1)計算:

      其中a;為構件受力特征系數,對于軸拉構件取1.2ar-為考慮鋼筋表面形狀的影響系數,對于帶肋鋼筋取1.0ar-考慮作用的準永久組合或重復荷載影響的系數,取15σ,-鋼筋混凝土構件縱向受拉鋼筋的應力Es-鋼筋彈性模量

      c-一最外排縱向受拉鋼筋的保護層厚度,其計算值不大于50mm

      d- _鋼筋直徑

      A.-全部縱向鋼筋藏面面積

      a-鋼筋中心到構件邊緣的距離ρo-縱向受拉鋼筋的有效配筋率

      對于圓形截面按式(2)計算,


      β一構件受拉縱向鋼筋對最大裂縫開展貢獻的系數,軸拉構件取1.0

      r-圓形截面的半徑

      n一圓形截面半徑與鋼筋中心到構件邊緣2倍距離的差值對于方形(矩形)截面,p=A ,A.為構件全截面面積。該公式是大連理工大學土木水利學院海岸和近海工程國家重點實驗室貢金鑫教授和其博士生魏巍巍、碩士生李龍等({5依托于教育部創新團隊資助項目的研究成果。文獻3的條文說明6.4.4條,也明確了該公式采用了大連理工大學的最新研究成果。但該計算方法是依據港口、航道等水運工程大截面構件試驗數據經回歸得到的,是否適用于建筑工程小截面構件還有待科研人員做進一步研究。但對于設計人員最關心的就是該公式是否可以用來計算建筑工程的抗拔樁裂縫寬度,因此筆者做了以下的試算對比和論證。3在水運工程中也不能用等效的辦法計算

      為了說明在水運工程中流注樁最大裂縫寬度也不能按等效的辦法計算,筆者將圓形截面和等效后的方形截面分別按第二節中的公式計算,結果匯總見表1。.

      由表1可見,在水運工程界按水運規范公式采用等效的辦法計算圓形截面最大裂縫寬度和按圓形截面的計算值差別在10%以上,且圓形藏面直徑越大,二者計算值相差越大,說明按等效的方法計算存在較大誤差。且老規范《港      口工程混凝土結構設計規范)JTJ267 -980(被《水運工程混凝土結構設計規范)JTS 151- -2011替代)第5.6.2條給出的鋼筋混凝土矩形、T形、倒T形、I形截面受拉,受彎和偏心受壓構件最大裂縫寬度計算公式中,也沒有給出圓形截面的計算公式,而是在《港口工程灌注樁設計與施工規程》JTJ248- 2001附錄B中給出了灌注樁最大裂縫寬度計算公式,但該公式參數計算較復雜,不便于設計使用。這些都說明了在港口水運工程中,不能按等效的辦法計算圓形截面混凝土構件的最大裂縫寬度。

      4選取受彎和偏心受壓構件進行對比

      為了說明水運規范計算公式可以運用到建筑工程中,筆者選取了矩形截面按水運規范6.4.2 條和按砼規7.1.2條分別計算受彎和偏心受壓構件最大裂縫寬度值見表2、表3。

      由表2、表3可以看出,2個公式裂縫寬度計算值相差不多。且越接近規范0.2 mm的限值二者的計算值相差越小,說明矩形截面受彎和偏心受壓構件水運規范計算公式可以用在建筑工程中。

      5正方形軸拉構件按兩規范的計算結果對比

      在保持構件截面配筋率在正常的配筋率1%左右的前提下,計算不同截面尺寸的混凝土軸拉構件裂縫寬度,將按水運規范和砼規公式計算的數據對比見表4。

      將上述表格按橫坐標為荷載值,縱坐標為最大裂縫寬度值形成曲線如圖1。






      由于篇幅所限,其他截面尺寸的軸拉構件最大裂縫寬度按兩個規范分別計算對比表格不一- -列舉,但給出對比曲線如圖2、圖3、圖4、圖5,橫坐標為荷載值,縱坐標為裂縫寬度計算值。

      從以上對比表格和對比曲線可以看出按水運規范公式計算出的最大裂縫寬度隨荷載的增大成線性增長,從計算公式也可以看出,當保護層厚度、鋼筋直徑和配筋率相同時,裂縫寬度與鋼筋拉應力成正比。


      從對比曲線也可以看出,按砼規計算的最大裂縫寬度值,是兩條近似的直線,在交點處有明顯的斜率變化。從砼規最大裂縫寬度計算公式可以看出,當作用于軸拉構件上的荷載較小時.鋼筋拉應力較小,導致裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數里小于0.2, 但此時砼規規定業取0.2,則裂縫寬度計算值也和鋼筋拉應力成正比,即為從原點開始的第一條直線。當重大于0.2時,裂縫寬度計算值也近似和鋼筋拉應力成正比關系。但從按水運規范和按砼規計算的最大裂縫寬度值曲線二者的交點縱坐標來看,均在0.2mm左右,且大多在0.2mm以下,因此說明這兩個公式對處于二a類環境和海水港的大氣區、濺浪區的抗拔樁裂縫寬度限值是一致的,且水運公式略顯保守,也說明了矩形截面軸心受拉構件水運規范計算公式可以用在建筑工程中。

      6對比圓形截面和正方形截面軸拉構件最大裂縫寬度計算值

      從5節分析中可知,按水運規范和按砼規計算正方形軸拉構件的最大裂縫寬度值相差較小,因此本節的對比,將;圓形藏面按水運規范計算,把圓形椒面等效為正方形截面按砼規計算,二者計算結果對比如表5。

      從表5可以看出,在相同的荷載作用下,相同根數的樁配筋,采用將圓形樁等效為正方形的辦法,應用砼規公式計算出的最大裂縫寬度值要遠遠小于相同條件下按水運規范的計算值。究其原因,主要在于砼規計算公式中裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數重在縱向鋼筋應力較小時,均取較小值0.2,而水運公式中均為固定值,三者的乘積為1.8。

      結合第3節的論證,說明這種將圓形截面等效為方形截面來計算構件的最大裂縫寬度值的方法存在很大的不合理


      7結論

      水運規范給出的圓形截面軸拉構件的最大裂縫寬度計算公式雖然是交通部聯合高校的試驗成果,裂縫計算原理和砼規理論不盡相同,也未在房屋建筑中加以推廣,但確能給建筑工程界設計人員計算抗拔樁裂縫寬度提供一個可靠.的依據和參考,筆者也建議在房屋建筑中計算抗拔樁裂縫寬度時應該按水運規范公式加以核算,避免由于將圓形截面等效為正方形截面而造成鋼筋數量的不足,甚至導致工程的不安全。

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