腐蚀缺陷矩形钢筋混凝土电缆通道结构承载力计算方法与流程

1.本发明涉及城市地下空间工程技术领域，更为具体地，涉及一种腐蚀缺陷矩形钢筋混凝土电缆通道结构承载力计算方法。


背景技术：

2.传统的受腐蚀后油气钢管承载力计算通常采用弹塑性力学法及断裂力学半经验公式等方法，这类方法相对成熟且操作简单，但因材质以及截面形状的不同，并不适用于矩形电缆通道，且目前国内外学者对于钢筋混凝土厚壁筒状构件腐蚀后承载性能研究中通常考虑氯离子等微观粒子的浓度和扩散规律对混凝土抗压强度以及钢筋抗压、抗拉强度的影响，相关研究虽然较为准确揭示了腐蚀溶液对钢筋混凝土材料的作用机理，但缺乏对钢筋混凝土复合构件在腐蚀条件下整体受力特性的研究。目前针对电缆通道这类钢筋混凝土材质非均质厚壁筒状构件发生整体腐蚀减薄后承载能性能的研究较少。对于电缆通道，其常处于城区软土层，受力复杂，自身结构常常会出现腐蚀、裂缝等缺陷，并且随着服役时间的推移，自身材料也存在劣化的可能，具有一定安全隐患。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种腐蚀缺陷矩形钢筋混凝土电缆通道结构承载力计算方法，该方法可以考虑腐蚀减薄对电缆通道承载力的影响，得到的极限承载力计算方式简单实用，可适用于无损以及不同腐蚀深度的电缆通道承载力的计算，以此对在役电缆通道结构进行检测并根据检测参数对其承载力进行理论计算，可以为电缆通道结构的安全评判提供科学依据，也为其后续养护及修复改造提供理论依据。
4.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：腐蚀缺陷矩形钢筋混凝土电缆通道结构承载力计算方法，包括以下步骤：
5.步骤一、建立电缆通道简化受力力学模型，电缆通道截面简化为长a、宽b的矩形轴对称结构，矩形轴对称结构的四个端点分别为a、b、c和d，计算电缆通道上部中点的弯矩m
ea
；电缆通道的极限承载力与转角处截面最大弯矩之间满足如下关系：
[0006][0007]
其中，f
max
为电缆通道极限承载力，单位n；m
max
为转角处截面最大弯矩，f为线荷载，单位n；
[0008]
步骤二、电缆通道采用双层配筋，形成双筋构件，电缆通道破坏时，截面上部受压而下部受拉，得到截面最大承受弯矩mu；
[0009][0010]
式中，mu为截面最大承受弯矩，单位n
·
mm；f
rt
、f
rc
分别为环向钢筋抗拉强度、环向钢筋抗压强度，单位mpa；f
cc
为混凝土抗压强度，单位mpa；as、a
s1
分别为计算截面内受拉钢筋的截面积、计算截面内受压钢筋的截面积，单位mm2；h0为有效高度，单位mm，h0＝h-as；h、c分别为计算截面高度、宽度，单位mm；as、a
s1
分别为电缆通道内保护层厚度、外保护层厚度，单位mm；α1为混凝土受压区等效矩形应力图系数；
[0011]
步骤三、确定钢筋混凝土电缆通道在三点法向外荷载(teb)条件下所能承受的最大荷载f
max
。
[0012]
当电缆通道发生破坏时，mu＝m
a,max
；钢筋混凝土电缆通道所能承受的最大荷载：
[0013][0014]
式中，m
a,max
为a端截面最大弯矩；
[0015]
步骤四、建立腐蚀缺陷电缆通道剩余承载力模型，得到腐蚀缺陷混凝土电缆通道所能承受的最大荷载；具体过程为：
[0016]
首先，确定腐蚀后双筋构件矩形截面所能承受的最大弯矩；
[0017][0018]
其中：
[0019][0020]
式中：m
u1
为腐蚀钢筋混凝土电缆通道截面承受的最大弯矩，单位n
·
mm；kc、kr分别为腐蚀混凝土抗压强度折减系数、腐蚀钢筋抗压强度折减系数(将钢筋抗拉强度折减近似为与抗压强度折减相同)；k
cr
为腐蚀混凝土与钢筋粘结强度折减系数；d为腐蚀深度，单位mm；x1为腐蚀减薄截面混凝土受压区高度，单位mm；
[0021]
其次，设定m
u1
＝m
a,max
，则腐蚀缺陷混凝土电缆通道剩余承载力：
[0022][0023]
式中：f
max1
为腐蚀钢筋混凝土电缆通道剩余承载力。
[0024]
电缆通道为单筋构件时，腐蚀缺陷混凝土电缆通道剩余承载力：
[0025][0026]
其中，f
rt
为环向钢筋抗拉强度，a
s1
为计算截面内受压钢筋的截面积。
[0027]
实施本发明的有益效果在于：实施本发明的有益效果在于：采用本发明所提供的腐蚀缺陷矩形钢筋混凝土电缆通道结构承载力计算方法，可以考虑腐蚀减薄对电缆通道承载力的影响，得到的极限承载力计算方式简单实用，可适用于无损以及不同腐蚀深度的电缆通道承载力的计算，有利于研究腐蚀减薄对矩形钢筋混凝土电缆通道剩余承载力的影响，从而指导设计与施工，具有一定的推广使用价值。
附图说明
[0028]
此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
[0029]
图1是本发明的矩形电缆通道受力图；
[0030]
图2是本发明的电缆通道受力简化图；
[0031]
图3是图2中的电缆通道截面1/4区域受力图；
[0032]
图4是本发明的电缆通道受力简化图中转角a处隔离体的正视图；
[0033]
图5是本发明的电缆通道受力简化图中转角a处隔离体的侧视图；
[0034]
图6是本发明实施例中理论计算fmax-d曲线图；
[0035]
图7是本发明腐蚀缺陷矩形钢筋混凝土电缆通道结构承载力计算方法的流程图。
具体实施方式
[0036]
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合本发明的实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程和流程并没有详细叙述。
[0037]
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，本实施例中所要解决的技术问题在于提供一种腐蚀缺陷矩形钢筋混凝土电缆通道结构承载力计算方法，该方法可以考虑腐蚀减薄对电缆通道承载力的影响，得到的极限承载力计算方式简单实用，可适用于无损以及不同腐蚀深度的电缆通道承载力的计算，有利于研究腐蚀减薄对矩形钢筋混凝土电缆通道剩余承载力的影响，从而指导设计与施工；所述方法具体包括以下步骤：
[0038]
步骤一：建立电缆通道简化受力力学模型，矩形电缆通道受力图如图1所示，对电缆通道受力进行简化如图2，电缆通道截面简化为长a、宽b的矩形轴对称结构，简化后的模型为轴对称结构，轴对称图形，对其进行十字形虚拟分隔形成四个矩形区域，取四个矩形区域中位于左上角包含a端的矩形区域进行计算，e点、f点均处在对称轴上，分别具有竖向位移以及横向位移，故可将e点和f点简化取滑动约束，简化后受力图如图3。计算电缆通道上部中点的弯矩m
ea
：
[0039]
求法如下：
[0040][0041]
由于m
af
+m
ae
＝0，解得：
[0042][0043][0044]
式中：m
ae
为ae段a端的弯矩，m
ea
为ae段e端的弯矩，m
af
为af段a端的弯矩，i1为ae段线刚度，i2为af段线刚度，θa为a端转动角度；f为线荷载，单位n。
[0045]
电缆通道在三点法向外荷载条件中所承受的荷载和转角a处截面所受弯矩的关系为：
[0046][0047]
因此，电缆通道的极限承载力可以通过转角处截面最大弯矩计算得出：
[0048][0049]fmax
为电缆通道的极限承载力，m
max
为转角处截面最大弯矩；
[0050]
步骤二：电缆通道通常采用双层配筋，电缆通道破坏时，截面上部受压而下部受拉，取转角a处单元体为隔离体，求出截面最大承受弯矩mu：
[0051]
由力的平衡条件可得：
[0052]
α1f
cc
cx+f
rcas1
＝f
rtas (6)
[0053]
则受压区高度为：
[0054][0055]
对受压钢筋所受合力作用点取矩可得：
[0056][0057]
将x代入式(8)即可得到：
[0058][0059]
式中：mu为截面最大承受弯矩，单位n
·
mm；f
rt
、f
rc
分别为环向钢筋抗拉强度、环向钢筋抗压强度，单位mpa；f
cc
为混凝土抗压强度，单位mpa；as、a
s1
分别为计算截面内受拉钢筋的截面积、计算截面内受压钢筋的截面积，单位mm2；x为受压区高度，单位mm；h0为有效高度，单位mm，h0＝h-as；h、c分别为计算截面高度、宽度，单位：mm；as、a
s1
分别为电缆通道内保护层厚度、外保护层厚度，单位mm；α1为混凝土受压区等效矩形应力图系数，混凝土标号≤c50时取1.0；
[0060]
步骤三：获得钢筋混凝土电缆通道在三点法向外荷载条件下所能承受的最大荷载f
max
：
[0061]
当电缆通道发生破坏时，
[0062]mu
＝m
a,max (10)
[0063]
联立式(5)、(9)和(10)，即可求得钢筋混凝土电缆通道极限承载力：m
a,max
为a端截面最大弯矩；
[0064][0065]
步骤四：公式(11)推导了无损电缆通道最大承载力模型，结合腐蚀作用对钢筋混凝土构件的影响可以做出如下设定：1)混凝土材料劣化通常表现为混凝土抗压强度降低或是弹性模量的折减，引入腐蚀混凝土抗压强度折减系数kc来表示该变化，kc可以通过相关室内试验来进行测定；2)钢筋腐蚀会导致钢筋质量以及截面出现损失，屈服强度以及抗拉强度会有降低，引入腐蚀钢筋抗压强度折减系数kr来表示该变化，kr的取值与钢筋截面变化和抗拉强度相关，二者均可通过室内试验进行测定计算；3)构件腐蚀减薄会导致构件厚度发生改变，钢筋混凝土管道构件的腐蚀减薄通常要分成两种情况进行考虑，当腐蚀减薄厚度小于保护层厚度时，可假定钢筋混凝土管道构件尺寸发生变化，仅损失混凝土部分抗拉强度，当腐蚀减薄厚度大于保护层厚度时，损失混凝土抗压强度，会大幅降低构件承载力；4)混凝土和钢筋间的作用包括机械咬合力以及胶结力，可以采用直剪试验测定混凝土与钢筋界面的粘结强度，引入腐蚀混凝土与钢筋粘结强度折减系数k
cr
，该系数的取值与腐蚀后的钢筋强度，混凝土强度以及钢筋-混凝土结合面积均有关。将上述3)和4)共同考虑，当腐蚀减薄厚度小于保护层厚度时，可利用腐蚀混凝土与钢筋粘结强度折减系数k
cr
来进行计算，若腐蚀减薄厚度大于保护层厚度，钢筋与混凝土间作用力忽略。
[0066]
综合上述设定，得到腐蚀后双筋矩形截面能承受的最大弯矩为：
[0067][0068]
其中：
[0069][0070]
式中：m
u1
为腐蚀钢筋混凝土电缆通道截面承受的最大弯矩，单位n
·
mm；kc、kr分别为腐蚀混凝土抗压强度折减系数、腐蚀钢筋抗压强度折减系数(将钢筋抗拉强度折减近似为与抗压强度折减相同)；k
cr
为腐蚀混凝土与钢筋粘结强度折减系数；d为腐蚀深度，单位mm；x1为腐蚀减薄截面混凝土受压区高度，单位mm；其他参数含义与式(9)中相同。
[0071]
同样设定：
[0072]mu1
＝m
a,max (14)
[0073]ma,max
为a端截面最大弯矩，联立式(5)、(12)和(14)，即可求得腐蚀缺陷混凝土电缆通道所能承受的最大荷载：
[0074][0075]
式中：f
max1
为腐蚀钢筋混凝土电缆通道剩余承载力。
[0076]
下面结合一具体实施例作对比说明：以某矩形钢筋混凝土电缆通道为例，截面长度a＝4400mm，截面宽度b＝3700mm，管长c＝1000mm，壁厚h＝350mm，内侧保护层厚度as＝40mm，外侧保护层厚度a
s1
＝50mm，混凝土抗压强度f
cc
＝23.4mpa，箍筋抗拉强度f
rt
＝650mpa，箍筋抗压强度f
rc
＝613mpa，箍筋直径d1＝16mm，箍筋环数取10，受拉钢筋面积as＝3617.28mm2，受压钢筋面积a
s1
＝1808.64mm2。
[0077]
通过本发明方法对某矩形钢筋混凝土电缆通道承载力进行计算，将以上参数带入式(11)计算得到无损矩形钢筋混凝土材质电缆通道的承载力约为799.41kn。
[0078]
本发明主要考虑腐蚀深度对电缆通道承载性能的影响，不考虑腐蚀对材料力学性能的折减，对公式(15)中的腐蚀混凝土抗压强度折减系数kr、腐蚀钢筋抗压强度折减系数kc以及腐蚀混凝土与钢筋粘结强度折减系数k
cr
均取值为1。其他几何及材料力学性能参数均参考以上参数，当腐蚀深度达到40mm时，电缆通道内壁箍筋开始暴漏在空气中，此时计算出的承载力约为791.99n。
[0079]
由图4可知，随着电缆通道内壁腐蚀深度的增加，其承载性能线性下降，当腐蚀深度达到40mm时，电缆通道内侧保护层完全腐蚀，此时电缆通道承载力折减约为0.93％；腐蚀深度超过内侧保护层厚度，达到72mm时，钢筋笼完全暴露在空气中，此时计算电缆通道极限承载力为693.79kn，约折减13.21％。
[0080]
实际情况中，内侧钢筋完全脱离电缆通道时，电缆通道即为单筋构件，危险截面受力情况发生改变，受压区高度、钢筋内力等随之改变，需对公式进行重新推导。推导过程如下：
[0081]
单层筋截面力矩平衡条件可得：
[0082]
α1f
cc
cx＝f
rtas1 (16)
[0083]
受压区由下式计算：
[0084][0085]
对受压钢筋所受合力点取力矩，并将x带入可得：
[0086][0087]
联立式(5)、(10)及(18)，即可求出腐蚀深度超过保护层厚度时，钢筋混凝土电缆通道在teb荷载作用下的最大承载力：
[0088][0089]
带入腐蚀折减系数，则上述公式可以写成：
[0090][0091]
当腐蚀深度大于72cm时，内侧钢筋完全露出，原本外侧受压钢筋变成受拉钢筋，受压区高度x随之发生改变，此时将表1中电缆通道参数数据带式(20)，计算出电缆通道最大承载力约为365.05kn，强度仅为完整钢筋混凝土电缆通道的45.66％，强度折减过半，此时结果相比于双层配筋钢筋混凝土电缆通道承载力计算公式来说更符合实际情况。
[0092]
表1钢筋混凝土电缆通道性能参数
[0093][0094]
最后说明的是，上述实施例仅用以表示本发明的具体实施方式而非限制，尽管通过上例已对本发明作了较为详细的描述说明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明思想的前提下，还可以在其形式上和细节上作出各种的变形和改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。