轴拉构件钢筋应力的确定方法及轴拉构件的配筋方法

1.本说明书一个或多个实施例涉及桥梁设计技术领域，尤其涉及一种轴拉构件钢筋应力的确定方法及轴拉构件的配筋方法。


背景技术：

2.超高性能混凝土(ultra high performance concrete,简称uhpc)是一种兼具超高力学性能和超长耐久性的水泥基复合材料。已有经验表明，采用uhpc结构可有效减少材料用量和碳排放，显著提高结构抗裂能力，延长结构使用寿命。uhpc材料在国内桥梁工程中目前暂未获得大量应用，其重要原因是国内公路桥梁行业中因缺乏相关的uhpc结构设计规范。其中，裂缝宽度验算是桥梁结构设计规范中的重要内容之一。其中，钢筋应力是影响混凝土构件裂缝宽度大小的最主要因素。因此，合理地计算开裂截面钢筋应力是预测钢筋混凝土构件裂缝宽度的重要前提条件。
3.目前，普通混凝土结构设计规范《混凝土结构设计规范》(gb 50010-2010)和《公路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(jtg 3362-2018)中对普通钢筋混凝土轴拉构件的开裂截面钢筋应力均采用σ
ss
＝n/as计算，无法反映超高性能混凝土抗拉性能对钢筋应力的影响，从而导致钢筋的应力计算与实际的应力情况之间出现偏差，难以满足设计的需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种轴拉构件钢筋应力的确定方法及轴拉构件的配筋方法，适用性范围广、可靠性高。
5.第一方面，提供了一种轴拉构件钢筋应力的确定方法，该轴拉构件钢筋应力的确定方法包括以下步骤：
6.获取轴拉构件承担的轴力；
7.获取超高性能混凝土轴心抗拉强度；
8.根据获取的轴拉构件承担的轴力及超高性能混凝土轴心抗拉强度，确定受拉钢筋的横截面积、受拉钢筋的有效配筋率；
9.根据所述轴拉构件承担的轴力、所述受拉钢筋的横截面积、所述受拉钢筋的有效配筋率以及所述超高性能混凝土轴心抗拉强度确定所述受拉钢筋的应力。
10.在上述技术方案中，充分考虑了超高性能混凝土抗拉作用，适用性范围更广、可靠性更高。相比传统的计算方法，预测结果与实测结果吻合更好，可充分反映超高性能混凝土特性对钢筋应力的影响，易于在工程实践中使用，可为超高性能混凝土轴拉构件的结构设计提供参考，具有重要的工程应用价值。
11.在一个具体的可实施方案中，所述根据所述轴拉构件承担的轴力、所述受拉钢筋的横截面积、受拉钢筋的有效配筋率以及超高性能混凝土轴心抗拉强度确定所述受拉钢筋的应力，具体为：
12.根据轴力平衡条件，以及获取的轴拉构件承担的轴力、所述受拉钢筋的横截面积、受拉钢筋的有效配筋率以及超高性能混凝土轴心抗拉强度确定所述受拉钢筋的应力。
13.在一个具体的可实施方案中，所述受拉钢筋的应力满足以下公式：
[0014][0015]
其中，σ
ss
为受拉钢筋应力；n为轴拉构件承担的轴力；as为受拉钢筋的横截面积、f
t
为超高性能混凝土轴心抗拉强度；ρs为受拉钢筋的有效配筋率。
[0016]
在一个具体的可实施方案中，所述轴拉构件是指应用于超高性能混凝土桥梁上的轴拉构件。
[0017]
在一个具体的可实施方案中，所述获取轴拉构件承担的轴力具体为：
[0018]
通过获取桥梁承载的内力，确定所述轴拉构件承担的轴力。
[0019]
第二方面，提供了一种预测钢筋混凝土构件裂缝宽度的方法，该方法包括以下步骤：
[0020]
采用上述任一项的确定方法确定所述轴拉构件受拉钢筋的应力；
[0021]
根据确定的受拉钢筋的应力，预测钢筋混凝土构件裂缝宽度。
[0022]
在上述技术方案中，充分考虑了超高性能混凝土抗拉作用，适用性范围更广、可靠性更高。相比传统的计算方法，预测结果与实测结果吻合更好，可充分反映超高性能混凝土特性对钢筋应力的影响，易于在工程实践中使用，可为超高性能混凝土轴拉构件的结构设计提供参考，具有重要的工程应用价值。
[0023]
在一个具体的可实施方案中，所述根据确定的受拉钢筋的应力，预测钢筋混凝土构件裂缝宽度，具体为：
[0024][0025]
其中，w
smax
为预测钢筋混凝土构件裂缝宽度；ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；σ
ss
为受拉钢筋应力；es为受拉钢筋的弹性模量；l
cr
为平均裂缝间距。
[0026]
在一个具体的可实施方案中，所述裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数ψ为；
[0027][0028]
其中，k
global
为整体纤维取向系数，取1.25。
[0029]
在一个具体的可实施方案中，所述平均裂缝间距l
cr
为：
[0030][0031]
其中，cs为钢筋保护层厚度；d
eq
为受拉钢筋的弹性模量。
[0032]
第三方面，提供了一种轴拉构件的配筋方法，该方法包括以下步骤：
[0033]
采用上述任一项的确定方法确定所述轴拉构件受拉钢筋的应力；
[0034]
根据上述任一项所述的预测钢筋混凝土构件裂缝宽度的方法，确定轴拉构件的裂缝宽度；根据所述确定的轴拉构件的裂缝宽度与设定的裂缝宽度对比；若超过设定的裂缝宽度，则调整所述受拉钢筋的横截面积、受拉钢筋的有效配筋率。
[0035]
在上述技术方案中，充分考虑了超高性能混凝土抗拉作用，适用性范围更广、可靠性更高。相比传统的计算方法，预测结果与实测结果吻合更好，可充分反映超高性能混凝土特性对钢筋应力的影响，易于在工程实践中使用，可为超高性能混凝土轴拉构件的结构设计提供参考，具有重要的工程应用价值。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本技术实施例提供的轴拉构件钢筋应力的确定方法的流程图；
[0038]
图2为本技术实施例提供的试件的结构示意图；
[0039]
图3a～图3b为本技术实施例提供的试件的内部结构示意图；
[0040]
图4a～图4e为本技术实施例提供的钢筋受力钢筋应力实测值与计算值对比示意图；
[0041]
图5为本技术实施例提供的本技术实施例提供的钢筋应力与现有方法的钢筋应力计算对比示意图；
[0042]
图6为本技术实施例提供的预测钢筋混凝土构件裂缝宽度的方法；
[0043]
图7a～图7e为本技术试了试提供的裂缝宽度预测值与试验值的对比示意图；
[0044]
图8为本技术实施例提供的轴拉构件的配筋方法的流程图。
具体实施方式
[0045]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0046]
需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0047]
为方便理解本技术实施例提供的轴拉构件钢筋应力的确定方法，首先说明其应用场景，本技术实施例提供的轴拉构件钢筋应力的确定方法用于确定桥梁设计过程中对钢筋应力的确定，改善桥梁设计时的安全性和耐久性。目前对钢筋应力的计算是基于受拉钢筋的横截面积和轴拉构件承担的轴力得到的，其计算的忽略了混凝土抗拉强度的作用。但对于超高性能混凝土而言，其基体内掺入了大量钢纤维，呈现出优异的抗拉韧性。超高性能混凝土基体开裂后，随机分布的钢纤维可有效桥接超高性能混凝土微裂缝，继续承担拉力，从而有效分担裂缝处的钢筋拉力。因此，有必要建立一个合理考虑超高性能混凝土抗拉作用
的轴拉构件开裂截面钢筋应力计算方法。下面结合具体的附图以及实施例对其进行详细的描述。
[0048]
由于超高性能混凝土优异的裂后抗拉强度和与钢筋良好的粘结特性，可有效减小超高性能混凝土轴拉构件的开裂截面钢筋应力，而现有技术未充分反映超高性能混凝土特性对钢筋应力的影响。为此，本发明实施例在传统计算方法基础上引入了超高性能混凝土抗拉强度影响项，反映超高性能混凝土特性对钢筋应力影响，确保公式预测值更符合实际情况，最终使得方法具有适用范围更广、可靠性更高等特点。需要强调的是，本发明实施例的超高性能混凝土抗拉强度影响项不是随意选取的。
[0049]
首先需要说明，本技术实施例提供的轴拉构件钢筋应力的确定方法需要满足的一定条件：
[0050]
结合uhpc受力特性，钢筋uhpc轴拉构件开裂截面的钢筋应力计算的基本假定包括：
[0051]
(1)忽略uhpc与钢筋间滑移；也即忽略轴拉构件开裂时，uhpc相对钢筋之间出现的滑移量。
[0052]
(2)考虑受拉区uhpc的抗拉作用；也即超高性能混凝土轴心抗拉强度，考虑uhpc自身的材料特性，由于其基体内掺入了大量钢纤维，呈现出优异的抗拉韧性。因此超高性能混凝土基体开裂后，随机分布的钢纤维可有效桥接超高性能混凝土微裂缝，继续承担拉力，从而有效分担裂缝处的钢筋拉力。
[0053]
(3)受拉钢筋处于正常使用阶段内，即受拉钢筋未达到钢筋屈服强度，其应力与应变成线性关系。
[0054]
参考图1，基于上述基本假定条件，本技术实施例提供的轴拉构件钢筋应力的确定方法包括以下步骤：
[0055]
步骤001：获取轴拉构件承担的轴力；
[0056]
具体的，通过获取桥梁的承载力，确定轴拉构件承担的轴力。轴拉构件承担的轴力为基于桥梁设计时的轴承载重，以及轴拉构件的个数及设置位置来确定，通过力学分析，可根据桥梁设计时的外荷载，以及轴拉构件的个数及设置位置确定轴拉构件对应承载的轴力。上述具体的力学分析为常规的力学基础分析，因此在本技术实施例中不做具体详细说明。
[0057]
步骤002：获取超高性能混凝土轴心抗拉强度；
[0058]
具体的，通过超高性能混凝土的材料特性，获取其轴心抗拉强度。或者可通过实验的方式进行获取。具体的实验方式为常规的抗拉力实验，在此不再详细赘述。
[0059]
步骤003：根据获取的轴拉构件承担的轴力及超高性能混凝土轴心抗拉强度，确定受拉钢筋的横截面积、受拉钢筋的有效配筋率；
[0060]
具体的，轴拉构件承载的轴力，主要通过受拉钢筋承载，但超高性能混凝土也会参与其中。为此，在设置受拉钢筋时，可充分考虑轴拉构件承载的轴力以及超高性能混凝土轴心抗拉强度，来确定受拉钢筋的横截面积、受拉钢筋的有效配筋率。其中，受拉钢筋的横截面积指代为所有钢筋的横截面积总和，也即单根钢筋的横截面积*钢筋的总数。有效配筋率为轴拉构件中，钢筋的总量，具体为：as/ac，其中，as为受拉钢筋的横截面积，ac为超高性能混凝土的横截面积。
[0061]
步骤004：根据轴拉构件承担的轴力、受拉钢筋的横截面积、受拉钢筋的有效配筋率以及超高性能混凝土轴心抗拉强度确定受拉钢筋的应力。
[0062]
具体的，在采用上述数据得到受拉钢筋的应力时，具体根据轴力平衡条件，以及获取的受拉钢筋的横截面积、受拉钢筋的有效配筋率以及超高性能混凝土轴心抗拉强度确定受拉钢筋的应力。其具体满足以下公式：
[0063]
根据轴力平衡条件，建立公式
[0064]
n＝f
tac
+σ
ssas
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0065]
公式中：σ
ss
为受拉钢筋应力；n为轴拉构件承担的轴力；as为受拉钢筋的横截面积、f
t
为超高性能混凝土轴心抗拉强度；ac为超高性能混凝土的横截面积。
[0066]
由式(1)可得开裂截面钢筋拉应力
[0067][0068]
式中：σ
ss
为受拉钢筋应力；n为轴拉构件承担的轴力；as为受拉钢筋的横截面积、f
t
为超高性能混凝土轴心抗拉强度；ρs为受拉钢筋的有效配筋率。其中，ρs＝as/ac。
[0069]
也即，受拉钢筋的应力满足以下公式：
[0070]
通过上述方法，充分考虑了超高性能混凝土抗拉作用，适用性范围更广、可靠性更高。相比传统的计算方法，预测结果与实测结果吻合更好，可充分反映超高性能混凝土特性对钢筋应力的影响，易于在工程实践中使用，可为超高性能混凝土轴拉构件的结构设计提供参考，具有重要的工程应用价值。
[0071]
为方便理解本技术实施例提供的上述钢筋应力的计算方法，下面对其进行实验验证。
[0072]
如图2所示，图2示出了试件的结构。本技术实施例采用测试段截面尺寸为50
×
100mm的哑铃形试件。其中，试件端部截面尺寸为100
×
100mm。钢筋超高性能混凝土轴拉构件的尺寸与配筋情况如图3a和图3b所示。钢筋采用对称布置，每个试件设置三根hrb400纵向钢筋
①
，钢筋中心间距为30mm；端部设置有直径为8mm的箍筋
②
以防止端部在加载过程中混凝土过早出现裂缝，并设置架立钢筋
③
来固定钢筋的空间位置。共设计了5组配筋超高性能混凝土轴拉构件，每组3个试件。试验参数包括配筋率、纤维取向和纤维界面化学处理，试验参数与试件编号如表1所示。
[0073]
表1试件参数表
[0074]
[0075]
将超高性能混凝土轴拉构件的钢筋应力实测值与基于式(2)计算值进行对比，如图4a～图4e所示。可以看出，正常使用状态内，式(2)钢筋应力计算值和实测值总体吻合较好，实测值与计算值之比的均值在1.00～1.33范围内，标准差在0.03～0.48范围内。由此可见，考虑超高性能混凝土抗拉作用的式(2)可较好地计算配筋超高性能混凝土轴拉构件的开裂截面钢筋应力。
[0076]
为了更好的说明本实施例的超高性能混凝土轴拉构件的开裂截面钢筋应力计算方法的优点，下面采用现有计算方法分析本实施例中部分试件的开裂截面钢筋应力。现有计算方法公式如下所示
[0077][0078]
图5给出了按式(3)计算试件at-s10和rt-s8的钢筋应力，并与试验测得的钢筋应力对比结果。可以发现，基于公式(3)的钢筋应力计算值远大于钢筋应力实测值。这是因为传统钢筋混凝土轴拉构件开裂截面的钢筋应力计算没有考虑混凝土的抗拉作用而过高地估计了开裂截面钢筋应力。
[0079]
综上所述，本技术实施例提供的钢筋应力确定方法充分考虑了超高性能混凝土抗拉作用，适用性范围更广、可靠性更高。相比传统的计算方法，预测结果与实测结果吻合更好，可充分反映超高性能混凝土特性对钢筋应力的影响，易于在工程实践中使用，可为超高性能混凝土轴拉构件的结构设计提供参考，具有重要的工程应用价值。
[0080]
参考图6，本技术实施例还提供了一种预测钢筋混凝土构件裂缝宽度的方法，该方法包括以下步骤：
[0081]
步骤001：采用上述任一项的确定方法确定所述轴拉构件受拉钢筋的应力；
[0082]
具体的，参考图1中所示的轴拉构件钢筋应力的确定方法，在此不再详细赘述。
[0083]
步骤002：根据确定的受拉钢筋的应力，预测钢筋混凝土构件裂缝宽度。
[0084]
具体的，根据公式计算裂缝宽度，该公式(4)如下：
[0085][0086]
其中，w
smax
为预测钢筋混凝土构件裂缝宽度；ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；σ
ss
为受拉钢筋应力；es为受拉钢筋的弹性模量；l
cr
为平均裂缝间距。
[0087]
在确定裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数ψ时，可根据公式(5)：
[0088][0089]
其中，k
global
为整体纤维取向系数，取1.25。
[0090]
在确定平均裂缝间距l
cr
时，可根据以下公式(6)：
[0091][0092]
其中，cs为钢筋保护层厚度；d
eq
为受拉钢筋的弹性模量。
[0093]
通过上述公式(4)、公式(5)和公式(6)可预测钢筋混凝土构件裂缝宽度。
[0094]
一并参考图7a～图7e，图7a～图7e为与图4a～图4e示例的受拉钢筋的应力对应计
算出的预测钢筋混凝土构建裂缝宽度与实验值的对比情况。由图7a～图7e可看出，采用本方法预测的裂缝宽度与试验测得裂缝宽度偏差不大，因此采用本技术公开裂缝宽度的预测方法，可提供更准确的计算方式，提高对桥梁的安全设计效果。
[0095]
由上述描述可看出，充分考虑了超高性能混凝土抗拉作用，适用性范围更广、可靠性更高。相比传统的计算方法，预测结果与实测结果吻合更好，可充分反映超高性能混凝土特性对钢筋应力的影响，易于在工程实践中使用，可为超高性能混凝土轴拉构件的结构设计提供参考，具有重要的工程应用价值。
[0096]
参考图8，本技术实施例还提供了一种轴拉构件的配筋方法，该方法包括以下步骤：
[0097]
步骤001：采用上述任一项的确定方法确定所述轴拉构件受拉钢筋的应力；
[0098]
具体的，可参考图1中的相关描述。
[0099]
步骤002：根据上述任一项所述的预测钢筋混凝土构件裂缝宽度的方法，确定轴拉构件的裂缝宽度；
[0100]
具体的，参考图6中的相关描述，在此不再赘述。
[0101]
步骤003：根据所述确定的轴拉构件的裂缝宽度与设定的裂缝宽度对比；若超过设定的裂缝宽度，则调整所述受拉钢筋的横截面积、受拉钢筋的有效配筋率。
[0102]
具体的，在具体设计轴拉构件时，对受拉钢筋的强度有一定的要求，当受拉钢筋无法满足要求时，需要重新设计受拉钢筋，因此在本技术实施例中，将根据所述确定的轴拉构件的裂缝宽度与设定的裂缝宽度对比；若超过设定的裂缝宽度，则调整所述受拉钢筋的横截面积、受拉钢筋的有效配筋率。从而保证设计出的轴拉构件的结构强度。
[0103]
综上可知，本技术提供的技术方案中，充分考虑了超高性能混凝土抗拉作用，适用性范围更广、可靠性更高。相比传统的计算方法，预测结果与实测结果吻合更好，可充分反映超高性能混凝土特性对钢筋应力的影响，易于在工程实践中使用，可为超高性能混凝土轴拉构件的结构设计提供参考，具有重要的工程应用价值。
[0104]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0105]
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
[0106]
本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。