竹筋混凝土梁构件力学性能研究.pdf

第 3 9卷 第 8期 2 01 2年 8月 建筑技术开发 Bui l d i ng Te c hn i q u e De v e l o p me n t Vo 1 3 9， No 8 Au g 2 01 2 竹 筋混凝 土梁构件 力学性能研 究 关嘉慧管 民生黄健勇 吴炎海 ( 广 东工业 大学土木 与 交通 工程 学院 ， 广 州 5 1 0 0 0 6 ) ； l ： 摘 要】 基于钢筋混凝土结构理论 ， 对竹筋混凝土梁 的力学性能进行研究 ， 提出了竹筋混凝 土梁 的计算方法 。对 竹筋 混凝土梁的配筋 、 受弯 和受剪承 载力进行 了计算 ， 验算 了挠度 ， 并与钢筋混凝土梁 进行 了对 比 ， 为竹筋混 凝土 构件应用于结构次要部位 的可行性提供参考 。 关键词 竹筋 ； 混凝 土构件 ； 配筋率 ； 力学性 能 【 中图分类号 T U 3 7 7 9 2 文献标志码 A 【 文章编号 1 0 0 1 - 5 2 3 X 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 2 0 0 3 S TUDY oN M ECHANI CAL BEHAVI oR oF BAM Boo REI NFoRCED CoNCRETE BEAM S G u a n J i a - h u i Gu a n Mi n - s h e n g Hu a n g J i a n -y o n g Wu Ya n - h a i Ab s t r a c t Ke y w o r d s Ba s e d o n t he t h e o r y o f r ei n for c e d c o nc r e t e s t r u c t ur e s ， t he me c ha ni c a l be ha v i o r o f b a mbo o r e i nf o r c e d c o n c r e t e b e a ms i s s t u di e dTh e d e s i g n me t h o d s f o r b a mbo o r e i n f o r c e d c o nc r e t e be a ms a r e p ut f o r wa r dTh e r e i nf o r c e me n t ， mo me n t c a p a c i t y a n d s h ea r c a pa c i t y o f b a mbo o r e i n f o r c e d b e a ms a r e c a l c ul a t e d， a n d a l s o i t s d e fle c t i o ns The r e s u l t s a r e c o mpa r e d wi t h r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms wh i c h p r o v i de a r e f e r e n c e for t he f e a s i b i l i t y o f t he us e o f ba mb o o r e i nf o r c e d me mb e r s a s a s e c o n da ry p a r t o f c o n c r e t e s t ruc t u r e s b a mb o o r e i n f o r c e me nt ； c o nc r e t e me mbe r ； r e i n f o r c e me n t r a t i o； me c h a n i c a l be ha v i o r 我 国竹材 产量 丰 富 ， 种 植过 程可 净化 空气 ， 保护 环境 ， 竹 材 本 身 具 有较 高 的抗 拉 强 度 ， 47年 毛 竹 的抗 拉强 度 高 于 一 级 钢 筋 HP B 2 3 5 ， 但 价 格 比钢 材 低廉 得 多 。同 时 ， 竹 材具 有 易 加 工 的优 点 。考虑 使 用竹筋代替钢筋制备混凝土构件 ， 用于结构次要 承 重部位 ， 可 以降低造价 ， 节约资源 ， 达到环保节能的 目的。本 文通 过对竹 筋混 凝 土构件 力学 性能进 行研 究 ， 为 竹筋 混凝 土构 件 的设 计 提供参 考 。 1梁 构件 模型 及计 算参 数 竹筋 混凝 土梁 构件 的尺 寸 为 1 2 0 m m 2 0 0 i n m 1 5 0 0 m m， 如图 1 所示。混凝土强度等级为 C 2 5 ， 竹材选用毛竹 。竹材的力学强度随含水率的增高而 广东省大学生创 新实 验项 目资助 ( 1 1 8 4 5 0 0 7 5 ) ， 广东工业 大学教 育教学改革项 目资助( 2 O L O Y O 2 8 ) ， 广东工业 大学 高教研究基金项 目 资助 ( 2 0 1 0 F 0 3 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 51 5 作者简介 ： 关嘉 慧( 1 9 8 9 - ) ， 女 ， 广东 广州人 ， 土木工程专 业四年级本 科 生 。 2 0 增 高 。毛竹 在温 度 2 7 5 ， 湿度 为 7 5 状 态 下 毛竹 一 年含 水率 为 1 3 2 ， 摆放 两 三 年 毛竹 含 水 率变 化 不大 ， 因此取 1 3 2 为实验毛竹含水率。根据文献 12 研 究 成 果 ， 取 竹筋 顺 纹 抗 拉 强 度 厂 h = 2 3 9 4 1 MP a， 顺 纹抗 压强 度 =8 0 0 MP a， 弹性模 量 E b =2 0 4 9 GP a。 图 1 竹筋混凝 土梁构件模型 2 确定 配 筋率 竹 筋配 筋率对 竹筋 混凝 土 的破坏 形态有 显 著影 响， 定量确定最小配筋率和相对界 限受压区高度是 设计 竹筋 混凝 土梁构 件要解 决 的关键 问题 。 第 3 9卷 关嘉慧 ， 等 ： 竹筋混凝 土梁构件力学性能研 究 第 8期 2 1 计 算 最 小配筋 率 为 防止构 件 少筋 破坏 ( 脆 性破 坏 ) ， 必 须 确定 最 小配筋率 。竹筋混凝土梁在少筋破坏时 ， 开裂弯矩 。 等于 屈服 弯矩 3 ， 即 ： M。 =0 2 5 6 f , b h ( 1 ) M =厂 b A 。 h 。 =f b , b h ( 1一 2 ) ( 2 ) 式 中， b、 h、 h 。 分别为梁截面 的宽度 、 高度 和 有效 高度 ， 为配筋率。 计算 得 到 最 小 配 筋 率 t s , = 1 6 2 X 1 0 = 0 1 6 2 2 2 计 算最 大 配筋率 为防止构件超筋破坏 ， 计算最大配筋率 ， 计算时 取 有 明显 屈服 点 的计算 公式 ： 表 2钢 筋混凝土梁在 不同配筋率下受弯承载力 HP B 2 3 5钢筋截面积 受压 区高度 极限承载力 M 配筋率 “ A ra m ( N mm) 0 1 6 2 3 8 8 8 5 7 2 l 4 8 7 1 0 2 5 2 6 O 3 6 8 8 8 2 2 8 8 7 0 3 4l 8 1 8 4 l 2 0 4 3 0 7 6 1 0 4 3 0 1 0 3 2 0 l 5 1 8 3 8 4 4 9 0 5l 9 1 2 4 5 6 l 8 3 2 4 5 9 9 6 0 5 3 0 1 2 7 2 O l 8 7 1 4 6 91 9 0 6 0 9 1 4 6 0 4 2 1 48 5 3 4 4 3 0 6 9 8 1 6 7 5 2 2 4 6 4 6 0 7 4 8 0 7 8 7 1 8 8 8 8 2 7 7 8 6 7 8 7 1 0 8 7 6 2l O 2 4 3 O 9 2 7 4 8 5 3 = ( 3 ) 3 2 竹筋 混凝 土 梁斜 截 面受 剪承 载力 = O f b ( 4 ) 式 中 ， 当混 凝 土 强 度 等 级 小 于 或 等 于 C 5 0时 ， 系数 。=1 0， 卢 =0 8； s 。 为 正截 面非 均匀受 压 时的混凝土极限压应变 ， 取 =0 0 0 3 3。计算得 到最 大 配筋 率 =8 7 5 7 X 1 0 =0 8 7 6 。 3 计 算 结果 3 1 受弯承 载 力 在适 筋 破坏 范 围 内( ) 选 取不 同 的配筋率计算竹筋混凝土梁构件的受弯承载力 ， 计 算结果如表 1所示 ， 采用 HP B 2 3 5钢筋的混凝 土梁 受弯承载力计算结果 如表 2所示 。在适筋 范围内， 梁的受弯承载力随着配筋率的增大而增大。两者对 比分析 发现 竹 筋混凝 土 梁受 弯 承载力 要 高于采 用 一 级 钢钢 筋混 凝 土梁 的受 弯承 载力 。 表 1 竹筋混凝土梁在不 同配筋率下受弯承载力 竹筋截面积 A 。 受压区高度 极限承载力 肘 配筋率 u ram mi ll ( N ln m) O 1 6 2 3 8 88 6 5 2 l 6 91 7 0 2 5 2 6 0 3 6 1 O 1 2 2 6 0 O 3 0 3 41 8 1 8 4 l 3 7 2 3 49 0 3 0 4 3 0 1 O 3 2 0 l 7 3 O 4 3 5 7 1 O 5l 9 1 2 4 5 6 2 O 8 8 5 2 0 5 5 0 5 3 0 I 2 7 2 0 21 4 6 5 3 4 0 4 0 6 0 9 1 4 6 0 4 2 4 4 8 6 0 4 0 2 0 6 9 8 1 6 7 5 2 2 8 0 9 6 8 5 6 4 0 7 8 7 1 8 8 8 8 31 6 7 7 6 4 9 7 0 8 7 6 2 1 0 2 4 3 5 2 5 8 4 2 4 6 对 于竹 筋混凝土梁 构件 ， 分不配置 竹箍筋 和配置 竹箍筋两种情况来考虑斜截面受剪承载力。采用毛 竹最外层竹 青带作 为竹箍筋 ， 竹青 带 的顺 纹抗拉 强度 采用虞华强等人 的建议值为厂 b =3 2 8 1 5 MP a。 不配 置竹 箍筋 时 ， 梁 的受 剪 承载力 ： 0 7 3 b h 。 ( 5 ) ( ) ( 6 ) 当 h 。8 0 0 m m 时 ， 取 h 。=8 0 0 m m ， 代人数 据 得 ： I ， O 7 X 1 X 1 27 1 2 0 X 1 8 5 = 1 9 7 3 6 kN 配置竹箍筋时 ， 梁 的受剪承载力 ： V 0 6 。 +1 2 。 ( 7) h b =1 8 5 1 2 0 = 1 5 4 4 ( 8 ) 为 防止 斜压破 坏 0 2 5 卢 b h o=0 2 5 X 1 X 1 1 9 X 1 2 0 X 1 8 5 = 6 6 0 4 5 N ( 9 ) 把各 数据 代人 公式 ( 7)： 6 6 0 4 5 0 7 X 1 27 X 1 2 0 1 8 5 + 1 2 5 X 3 2 8 1 5 1 8 5 n A s v ( 1 0 ) 解 得 ： n A 。 s 0 6 1， 取 n=2 ， A 。 =6 4 m m 。 s 2 0 9 8 4 m m， 取 s = 2 0 0 m m。 3 3竹筋 混凝 土 梁的挠度 验 算 梁 的短 期 刚度 ： ( 下 转 第 3 5页 ) 21 第 3 9卷 钱 玉林 ， 等 ： 灰 土浸水强度特性试验研究 第 8期 试 验 表 明 ， 浸水 会 降低 灰土 的强 度 ， 且 其 强度 的 下 降随 着龄 期 的增加 而减 小 。这是 因为在 灰土 配制 中， 人为的因素造成 了石灰和土搅拌得不 是十分均 匀 ， 在浸水过程中碳酸化反应受到影响有所减弱 ， 降 低 了胶结物形成的速率 。由于各部分的反应程度有 所不同 ， 加大了灰土的局部差异性 ， 造成其强度的下 降。根据 本次 试验 结果 ， 浸 水后 灰土 的强 度 降低 2 0 3 0 ， 而降低程度随围压增加而有所减少 。 3 结 论 通 过对 干湿 灰 土 试样 的 室 内三 轴试 验 ， 可 以得 到 以下 结论 ： 1 ) 养护龄期 9 0 d后灰土的强度增量较小。 2 ) 配制灰土的含水率应小于最佳含水率 。 3 ) 鉴 于工 程 中遇 到 的灰 土 垫 层 浸 水 问题 ， 在试 验 中设 计 了灰 土 干湿两 种 不 同状 态 下强度 的变化 对 比 。由试 验结 果可 知 ， 浸水 后 灰 土 的强 度 降低 2 0 3 0 ， 而降低程度随围压增加而有所减少 。 参考文献 1 钱鸿缙 ， 王继 唐 ， 罗宇 生 ， 等 湿 陷性 黄土地基 M 北京 ： 中国建 筑工业 出版社 ， 1 9 8 5 2 侯化坤 湿 陷性黄 土地 区几种地基 处理方法 的 比较 J 有色 金 属设计 ， 2 0 0 5 ， 3 2 ( 2 ) ： 3 1 3 5 3 刘有科 灰 土强度 影响 因素及其 本构关 系 的研 究 D 西安 ： 西 安建筑科技大学 ， 2 0 0 4 4 米海珍， 胡燕妮 兰州石灰土工程性质的试验研究 J 建筑科 学 ， 2 0 0 9， 2 5 ( 1 ) ： 5 5 5 8 【 5N E U B A U E R C H J r T H O MP S O N M RS t a b i l i t y p r o p e r t i e s 0 f u n c u r e d l i met r e a t e d fi n eg r a i n e d s o i l s J H i g h w a y R e s e a r c h Re c o r d 1 9 7 2， 3 8： 2 0 2 6 6 曹伟 ， 王晓渝 影响三轴压缩试验精度的主要因素 J 工 程与建 设 ， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 1 ) ： 8 58 7 7 中华人 民共 和国水利部 土 工试验规程 ( S L 2 3 71 9 9 9) S 北 京 ： 中国计划出版社 ， 1 9 9 9 8 李广信 高等土力学 M 北京： 清华大学 出版社 。 2 0 0 4 9 中国建筑科学 研究 院 建筑 地基处理 技术 规范 ( J G J 7 92 0 0 2 ) S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 1 0 中华人 民共 和 国水 利部 土 工试 验 方法 标 准 ( GB T 5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) S 北京 ： 中国计划 出版社 ， 1 9 9 9 1 1 交通部 公 路科 学 研 究 院 公 路 土工 试 验规 程 ( J T J 0 5 19 3 ) s 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 3 1 2 中华人 民共 和国水利部 土工试验规程 ( S L 2 3 71 9 9 9 ) S 北 京 ： 中国计划 出版社 ， 1 9 9 9 1 3 刘立 ， 马 时强 ， 陈睿 ， 乔 高乾 岩体 损伤与破 坏过程研究 J ， 西 华 大学学报 -自然科学版 2 0 0 7 ， 1 1 2 6 ( 6 ) 1 4 华南理工大学等 四院校地基及基础 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 1 1 5 刘有科 灰土强度影 响因素 及其本 构关 系的研究 D 西 安建 筑科技大学 。 2 0 0 4 ( 上 接 弟 2 1页 ) ： 1 1 0 6 5 f k： 0 1 9 8 0 2 ( 1 1 ) Pt e 取 =0 2 = o 7 3 ) 而 u L p = A = _o o 0 5 8( 1 3 ) p 而 w E A。 h 0 曰 s ) ： 1 9 71 1 0“ N mm 选 取适 筋 配筋 率 中间值 ：0 5 3， 经 验 算 符 合裂 缝 宽度要求的弯矩值为 M =2 4 6 9 k N m 准 永 久 组 合 系 数 取 0 5 ， 则 M = 0 5 M = 0 5 2 4 69 = 1 2 3 4 5 kN m = 1 3 1 41 0 “N mm ( 1 5 ) 承受均布荷载的竹筋简支梁 一 4 mm = 6 m 6 挠 度符 合要求 。 验算 竹 筋混 凝 土 梁 挠 度 ， 满 足 裂 缝 宽 度 要 求 的 弯 矩 值 要 比钢筋 混 凝 土 的 小得 多 ， 这是 由于 竹筋 的 弹性模量比钢筋小 ， 荷载值相同时， 竹筋混凝土梁的 变形 较 大 。 4 结语 本文提出了竹筋混凝土梁的计算方法 ， 并与钢 筋混凝土梁 的受 弯承载力 进行 了对 比。不 同于钢 筋混凝 土 ， 竹 筋混凝 土梁 的适 筋 率 比较低 。 由于 竹 筋 的弹 性 模 量 比 钢 筋 低 得 多 ， 竹 筋 混 凝 土 梁 受 荷后产 生 的挠 度较 大 ， 但并 不 会 影 响 其 承 载力 。 可 考 虑 在 结 构 次要 部 位及 临 建 设 施 中采 用 竹 筋 混 凝 土 构 件 ， 从 而 达 到节 约资 源 ， 发 展 低 碳 型经 济 的 目 的 。 参考文献 1 苏文会 ， 顾小平 ， 马灵 飞 ， 官凤英 ， 岳晋军大木 竹竹材力 学性 质 的研究 J 林业科学研究 ， 2 0 0 6， 1 9( 5 ) ： 6 2 1 6 2 4 2 虞华强 ， 费本华 ， 任海青 ， 江泽慧， 刘杏娥 毛竹顺纹抗拉性质 的变 异及与气干密度的关系 J 林业科学 ， 2 0 0 6 ， 4 2( 3 ) ： 7 2 7 6 3 过镇海 ， 时旭东 钢筋混凝土原 理和分析 M 北 京： 清华大学 出 版 社 ， 2 0 0 3 3 5