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圆形抗拔桩最大裂缝宽度计算的探讨

作者:来源:日期:2019-12-10 10:04:43人气:747
      1问题的提出

      抗拔桩是工程中常见的一种构件,广泛应用于地下水位较高的地下工程中,主要用来解决结构的抗浮问题,抗拔桩的配筋往往是由裂缝宽度控制的。对于圆形抗拔桩裂缝宽度的计算,设计界较多的计算方法是将圆形桩按面积不变的原则等效为方形截面,再按<混凝土结构设计规范》GB50010- -20104(以下简称砼规)第7.1.2条计算裂缝宽度,但砼规7.1.2条的条文说明“对沿截面上下或問边均匀配置纵向钢筋的构件裂缝宽度计算,研究尚不充分,本规范未作明确规定",且其他现行建筑工程系列规范中并没有关于圆形截面混凝土构件的裂缝寬度计算公式,因此对于这种计算方法是否正确,建筑工程设计业界还没有更多的研究,本文正是从这个问题出发来探讨设计抗拔桩时如何计算其裂缝宽度。


      2问题在水运设计界得到解决

      国家交通部在2011年8月29日颁布实施的《水运工程混凝土结构设计规范)JTS 151- -201 1[3](以下简称水运规范)中6.4.2条"钢筋混凝土矩形、T形、倒T形、I形和圆形截面受拉、受弯和偏心受压构件,其最大裂缝宽度可按式(1)计算"即明确了圆形截面受拉构件裂縫宽度计算公式,只是个别参数和矩形截面取值不同,按式(1)计算:

      其中a;为构件受力特征系数,对于轴拉构件取1.2ar-为考虑钢筋表面形状的影响系数,对于带肋钢筋取1.0ar-考虑作用的准永久组合或重复荷载影响的系数,取15σ,-钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力Es-钢筋弹性模量

      c-一最外排纵向受拉钢筋的保护层厚度,其计算值不大于50mm

      d- _钢筋直径

      A.-全部纵向钢筋藏面面积

      a-钢筋中心到构件边缘的距离ρo-纵向受拉钢筋的有效配筋率

      对于圆形截面按式(2)计算,


      β一构件受拉纵向钢筋对最大裂缝开展贡献的系数,轴拉构件取1.0

      r-圆形截面的半径

      n一圆形截面半径与钢筋中心到构件边缘2倍距离的差值对于方形(矩形)截面,p=A ,A.为构件全截面面积。该公式是大连理工大学土木水利学院海岸和近海工程国家重点实验室贡金鑫教授和其博士生魏巍巍、硕士生李龙等({5依托于教育部创新团队资助项目的研究成果。文献3的条文说明6.4.4条,也明确了该公式采用了大连理工大学的最新研究成果。但该计算方法是依据港口、航道等水运工程大截面构件试验数据经回归得到的,是否适用于建筑工程小截面构件还有待科研人员做进一步研究。但对于设计人员最关心的就是该公式是否可以用来计算建筑工程的抗拔桩裂缝宽度,因此笔者做了以下的试算对比和论证。3在水运工程中也不能用等效的办法计算

      为了说明在水运工程中流注桩最大裂缝宽度也不能按等效的办法计算,笔者将圆形截面和等效后的方形截面分别按第二节中的公式计算,结果汇总见表1。.

      由表1可见,在水运工程界按水运规范公式采用等效的办法计算圆形截面最大裂缝宽度和按圆形截面的计算值差别在10%以上,且圆形藏面直径越大,二者计算值相差越大,说明按等效的方法计算存在较大误差。且老规范《港      口工程混凝土结构设计规范)JTJ267 -980(被《水运工程混凝土结构设计规范)JTS 151- -2011替代)第5.6.2条给出的钢筋混凝土矩形、T形、倒T形、I形截面受拉,受弯和偏心受压构件最大裂缝宽度计算公式中,也没有给出圆形截面的计算公式,而是在《港口工程灌注桩设计与施工规程》JTJ248- 2001附录B中给出了灌注桩最大裂縫寬度计算公式,但该公式参数计算较复杂,不便于设计使用。这些都说明了在港口水运工程中,不能按等效的办法计算圆形截面混凝土构件的最大裂缝宽度。

      4选取受弯和偏心受压构件进行对比

      为了说明水运规范计算公式可以运用到建筑工程中,笔者选取了矩形截面按水运规范6.4.2 条和按砼规7.1.2条分别计算受弯和偏心受压构件最大裂缝宽度值见表2、表3。

      由表2、表3可以看出,2个公式裂縫宽度计算值相差不多。且越接近规范0.2 mm的限值二者的计算值相差越小,说明矩形截面受弯和偏心受压构件水运规范计算公式可以用在建筑工程中。

      5正方形轴拉构件按两规范的计算结果对比

      在保持构件截面配筋率在正常的配筋率1%左右的前提下,计算不同截面尺寸的混凝土轴拉构件裂缝寬度,将按水运规范和砼规公式计算的数据对比见表4。

      将上述表格按横坐标为荷载值,纵坐标为最大裂缝宽度值形成曲线如图1。






      由于篇幅所限,其他截面尺寸的轴拉构件最大裂缝宽度按两个规范分别计算对比表格不一- -列举,但给出对比曲线如图2、图3、图4、图5,横坐标为荷载值,纵坐标为裂缝宽度计算值。

      从以上对比表格和对比曲线可以看出按水运规范公式计算出的最大裂缝宽度随荷载的增大成线性增长,从计算公式也可以看出,当保护层厚度、钢筋直径和配筋率相同时,裂缝宽度与钢筋拉应力成正比。


      从对比曲线也可以看出,按砼规计算的最大裂缝宽度值,是两条近似的直线,在交点处有明显的斜率变化。从砼规最大裂缝宽度计算公式可以看出,当作用于轴拉构件上的荷载较小时.钢筋拉应力较小,导致裂縫间纵向受拉钢筋应变不均匀系数里小于0.2, 但此时砼规规定业取0.2,则裂缝宽度计算值也和钢筋拉应力成正比,即为从原点开始的第一条直线。当重大于0.2时,裂缝宽度计算值也近似和钢筋拉应力成正比关系。但从按水运规范和按砼规计算的最大裂缝宽度值曲线二者的交点纵坐标来看,均在0.2mm左右,且大多在0.2mm以下,因此说明这两个公式对处于二a类环境和海水港的大气区、溅浪区的抗拔桩裂缝寬度限值是一致的,且水运公式略显保守,也说明了矩形截面轴心受拉构件水运规范计算公式可以用在建筑工程中。

      6对比圆形截面和正方形截面轴拉构件最大裂缝宽度计算值

      从5节分析中可知,按水运规范和按砼规计算正方形轴拉构件的最大裂缝宽度值相差较小,因此本节的对比,将;圆形藏面按水运规范计算,把圆形椒面等效为正方形截面按砼规计算,二者计算结果对比如表5。

      从表5可以看出,在相同的荷载作用下,相同根數的桩配筋,采用将圆形桩等效为正方形的办法,应用砼规公式计算出的最大裂缝宽度值要远远小于相同条件下按水运规范的计算值。究其原因,主要在于砼规计算公式中裂縫间纵向受拉钢筋应变不均匀系数重在纵向钢筋应力较小时,均取较小值0.2,而水运公式中均为固定值,三者的乘积为1.8。

      结合第3节的论证,说明这种将圆形截面等效为方形截面来计算构件的最大裂缝寬度值的方法存在很大的不合理


      7结论

      水运规范给出的圆形截面轴拉构件的最大裂缝宽度计算公式虽然是交通部联合高校的试验成果,裂缝计算原理和砼规理论不尽相同,也未在房屋建筑中加以推广,但确能给建筑工程界设计人员计算抗拔桩裂缝宽度提供一个可靠.的依据和参考,笔者也建议在房屋建筑中计算抗拔桩裂缝宽度时应该按水运规范公式加以核算,避免由于将圆形截面等效为正方形截面而造成钢筋数量的不足,甚至导致工程的不安全。

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