大直径钢筋在混凝土结构中的实际应用

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摘要：在钢筋混凝土结构中，常见的钢筋直径一般小于25mm，特别是对于预埋件受力钢筋，我国规范明确指出，“其直径不宜小于8mm，且不宜大于25mm”，直径在28mm以上的大直径钢筋并不经常使用。同等工况下，大直径钢筋不仅施工难度大，对结构也有很高的要求，对截面面积、裂缝宽度等都有不同程度影响。同时，大直径钢筋的构件造价更高，对工程的经济性不利。但是，一些特殊结构，比如码头等港工，必须使用大直径钢筋才能满足配筋要求，保证结构的稳定性。本文将以实例说明其可行性。

关键词：钢筋混凝土结构、钢筋直径、抗裂验算

中图分类号：TU37文献标识码： A

一、概述

大直径钢筋一般指直径不小于25mm的钢筋，在一般工程中，并不多见。然而一些特殊结构，比如码头等港工，为了满足配强度、稳定性等要求，必须配用大直径钢筋，随之而来诸多实际问题。

1、大直径钢筋施工技术复杂，施工工序多，质量要求高。因此必须认真做好施工准备，采取有效技术措施【1】。虽然现在施工技术发展迅速，配套设施器械日趋完备，科技水平越发尖端，但对于大直径钢筋的绑扎连接等施工工艺仍旧复杂。比如大直径钢筋连接，一般采用套筒法，将钢筋套入钢套筒内，使钢套筒端面与钢筋伸入位置标记线对齐，预先压接半个钢筋接头。按照钢套筒压痕位置，对正压模位置，并使压模与性方向与钢筋两纵肋所在的平面垂直，既保证最大压接面能在钢筋的横肋上。必须正确掌握挤压工艺的参数，压接顺序从中间逐步向外压接。【2】

2、大直径钢筋对结构有不利影响。主要是对裂缝不利。大直径钢筋更容易使结构开裂，裂缝宽度大于规范要求。所以使用大直径钢筋时，要对结构进行处理，来满足抗裂验算。一般采用结构加固或者封堵灌浆：结构加固即加大截面面积、换用高强度等级混凝土、采用预应力钢筋等；封堵灌浆即用特殊材料封堵裂缝或者在裂缝里灌浆，使之符合要求。采用这些方法势必带来更高的投资，对于工程的经济性也造成不利的影响。

3、大直径钢筋在一般工程上应用不多，可参考的资料不完备。对于其力学性能，如抗剪，抗拉等的试验有限，对大直径钢筋结构的承载能力等研究并不充分。

二、实际工程应用

（一）工程概况

以陶花店水库除险加固工程东输水洞为例说明。陶花店水库位于河南省洛阳市偃师市，是黄河一级支流伊河支流马涧河上一座以防洪灌溉为主的中型水库。水库由大坝、主溢洪道、副溢洪道、左岸输水洞（即西输水洞）、右岸输水洞（即东输水洞）组成。由基本水文资料推求出东输水洞校核洪水位为140.36m，设计洪水位139.45m，正常蓄水位135.3m。由设计成果知，闸门底板高程为122.5m，厚2m，长10m，宽6m，闸门处原地面线高程132m。

（二）结构计算

由基本资料及设计成果可见，闸门处受侧向土压力及水压力较大，同时底板还要承受建筑物及设备重量。将底板简化处理，作为双向板计算。

由经验判断，当挡墙外部到达校核水位，而闸门内无水时，为最不利工况。

1.水压力计算

P水下=ρgH=1×9.8×13.3=130.34KN/m2。

其中:

ρ――水的密度；

H――校核洪水位减去闸门底板高程。

同理，P水上=110.74KN/m2。

2.土压力计算

F土下==0.65×20×9.5=123.5KN/m2。

其中:

――静止土压力系数，此处取0.65；

――挡土墙外土饱和重度，这里取起平均重度20KN/m3；

H为原地面线高程减去闸底板高程。

同理，F土上=97.5 KN/m2。

由设计成果结构图得到建筑物自重为10742KN，设备重取500KN。

3、配筋计算

经分析可知，底板侧向受水压力跟静止土压力，故选取侧面为配筋截面。先计算最大弯矩值，对于双向板Mmax=αqlx2

其中:

α――弯矩系数，跟板长宽比有关。本例长宽比6/10=0.6,按规范选取α=0.057。

q――作用在板上均布荷载，q=1123.8KN/m。

lx――板宽。

故计算得Mmax=2305KNm。

对于侧向最大弯矩，Mmax 按水压力土压力梯形分布计算，见计算简图，得Mmax=416.48+121.6=538.08KNm。所以取最大弯矩值为2305KNm。

板容重= 25.00(KN/m2) ；板自重荷载设计值= 60.00(KN/m2)

恒载分项系数= 1.20 ；

砼强度等级: C30, fc=14.30 N/mm2

板底纵筋级别: HRB335, fy=300.00 N/mm2

混凝土保护层= 50(mm), 泊松比= 0.20，

由正截面受弯计算公式：

As=fcbh0/fy （1）

Mfcbx（h0-）/ （2）

ξ=x/ h0（3）

其中:

M――设计弯矩值；

fc――混凝土轴心抗压强度，取14.3 N/mm2；

fy――钢筋受拉强度，取300 N/mm2；

γ――钢筋混凝土结构系数，根据《水工混凝土设计规范》取1.2；

As――受拉钢筋截面面积；

h0――截面有效高度，取底板厚度减去保护层厚，得1950mm；

b――截面宽度，取10m；

x――等效受压区高度；

将以上数据带入公式（2），即可得到x=9.94mm，再带入公式（3），求得ξ=0.005，在《水工混凝土设计规范》中查到0.85ξb=0.468大于，故满足要求。最后带入公式（1），得到As=4739mm2，根据《水工混凝土设计规范》， 32@170，其受拉面筋积为As‘=4731mm2，根据一般经验和并考虑施工方便，选配32@150，受拉筋面积As‘=5328 mm2，满足强度要求。验证配筋率，取单位长度截面计算, ρ= As‘/1 h0=0.25%大于ρmin=0.21%，满足构造要求。

4、计算简图

（三）抗裂验算

裂缝宽度的计算是一个技术难题, 各个国家的混凝土设计规范中裂缝宽度验算公式各不相同。【3】本文采用中国水利水电出版社《水工钢筋混凝土结构学》第八章给出的公式进行验算。

抗裂弯矩M的计算公式为：Mcr=rmftW0 （4）

其中

rm――截面抵抗矩塑性系数，根据水工混凝土结构设计规范，矩形截面取1.55；

W0――换算截面A0对受拉边缘的弹性抵抗矩，A0跟受拉受压钢筋面积有关，对矩形截面，W0近似取2；

将数据带入公式（4），得到Mcr =14776.7KNm，远大于设计弯矩M。故满足抗裂要求。根据水工混凝土结构设计原则，满足抗裂验算的结构，可不进行裂缝宽度验算。

三、总结

以上设计方案经过计算校核均满足设计要求，且已通过专家组审核，投入施工。这说明特殊情况下，选配大直径钢筋是合理可行的。但是，尽管能够满足要求，在技术上仍需要解决很多问题，如弯起、绑扎等，施工很不方便，需要完善其配套的施工措施，所以并不一定是最优的方案。随着科学技术的进步，相信会有更简单有效的解决方法，既能保证配筋结构要求，又能简化施工。如预应力钢筋技术、高强纤维混凝土等高新科技成果。在不久的将来，钢筋混凝土结构一定会有更广的应用范围，更高的稳定性和耐久性。

参考文献:

[1]岑建忠.谈大直径钢筋混凝土水池的施工[J].建筑经济,2008,S2:299-302.

[2]陈长正.浅析施工不规范引起的高层住宅裂缝[J].中国建筑金属结构,2013,20:130-131.

[3]管俊峰,赵顺波,李晓克,黄承逵.钢筋混凝土梁裂缝宽度试验与计算方法[J].中国公路学报,2011,05:74-81+88.