CN104047428A - 一种增强高强混凝土墩柱延性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强高强混凝土墩柱延性的方法，包括以下步骤：(1)根据需要确定高强混凝土墩柱的延性需求，即需要达到的位移延性系数；(2)根据需要的位移延性系数与高强混凝土墩柱的高强钢筋的配筋关系，确定高强钢筋的含量：高强箍筋的强度比为0.90，高强纵筋的强度比为0.71；(3)根据高强钢筋的含量确定高强箍筋的级别和间距，以及纵向钢筋的级别和数量。本发明具有简单可行、造价低廉的特点，适合推广应用。

Description

一种增强高强混凝土墩柱延性的方法

技术领域

本发明属于建筑技术领域，涉及一种增强高强混凝土墩柱延性的方法。

背景技术

现有技术中，利用高强钢筋提高高强混凝土墩柱抗震性能的基本原理是通过配置相对密集的水平高强箍筋，有效地约束核芯混凝土，使其处于三向受压状态，最大限度地提高核芯混凝土的强度和变形能力；另外，沿柱的纵向除配置适当的普通钢筋外，还配置适量的高强钢筋。试验表明，这种配置钢筋的方法，将使柱的整体处于有利的耗能状态，其延性能够满足强震要求。

现有提高高强混凝土墩柱的延性技术方案主要有两种：

(1)采用钢管混凝土技术

方法是在钢筋里面浇高强混凝土，主要应用于大跨桥梁和高层建筑当中，其约束效果明显，但是造价高，施工复杂，且受到施工条件的限制。

(2)采用FRP(FiberReinforcedPlastics)加固技术

利用FRP加固，能有效提高高强混凝土墩柱的延性，其作法是在高强混凝土墩柱的外面裹覆FRP材料的方法，其实质也是利用约束混凝土的原理提高延性，但FRP弹性模量低，其关键技术还有待进一步研究。

目前，增强高强混凝土变形能力，提高高强混凝土延性的主要措施有：

(1)提高配筋构件的配箍率，或使用方格网约束混凝土，通过对高强混凝土构件提供横向变形约束，来实现增强纵向变形能力的目的。

(2)在高强混凝土中掺加钢纤维形成钢纤维高强混凝土，利用改性混凝土的特点来改善混凝土的变形能力，提高混凝土的延性。

(3)采用钢管混凝土结构。

(4)采用钢-混凝土组合结构。

这些方法施工复杂，造价高，有些关键技术还不成熟。我国《混凝土结构设计规范》和《建筑结构抗震规范》有提到，在框架柱根处采用加密箍筋的方法来提高普通混凝土柱的延性，但是这种方法目前只适应于普通混凝土，对高强混凝土，没有说明。这几年由于高强混凝土诸多优点，得到了越来越广泛的应用，如何有效地提高高强混凝土墩柱的延性，迫切需要一种更为合理科学，简单直观，经济实用的方法，以满足抗震地区对高强混凝土的需要。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种简单可行、造价低廉的增强高强混凝土墩柱延性的方法。高强混凝土由于强度高、脆性大，在抗震地区的使用受到限制，如果利用高强钢筋约束混凝土，一方面可以拓宽高强钢筋在抗震领域的应用范围，另一方面可以有效提高高强混凝土墩柱的抗震性能。其操作方法简单，抗震机理明确，不仅能节约总的用钢量，而且抗震效果明显，能完全满足高强混凝土墩柱抗震的需求，解决长期以来结构工程师没有解决的难题，为建筑抗震规范的修订提供非常有价值的数据，为房屋和桥梁安全提供良好的保障。

本发明的重要意义体现在以下几方面：

(1)能满足行业发展的需求。在土木工程领域中，钢筋混凝土柱的进展与其材料的进步密切相关。随着钢筋和混凝土材料性能的改进，柱的形状和力学性能发生明显改善。目前，混凝土和钢筋等材料已经得到长足的进步，高强混凝土和高强钢筋在行业中的使用已经非常普遍，开展对配有高强钢筋的高强混凝土墩柱的应用迫在眉睫。

(2)有效解决制约高强混凝土墩柱的瓶颈问题。高强混凝土墩柱变形性能相对较弱，导致其抗震延性性能较差，虽然高强混凝土墩柱材料的强度较高，但变形性能相对较弱，抗震性能相对较弱。然而，材料的变形性能差并不一定其构件(或结构)的变形性能也差。合理配置高强度钢筋是提升高强混凝土墩柱变形性能并解决该瓶颈问题的一个有效措施。

(3)利用高强钢筋改善高强混凝土墩柱的抗震性能的技术逐渐成熟，其关键的核心技术问题已得到有效解决。国内外诸多相关研究成果已经证明，利用高强钢筋改善高强混凝土墩柱的变形性能并提高其抗震能力是可行的，也是有效的，其应用的前景十分广阔。

(4)该技术的研究与应用，将带来巨大的经济和社会效益。我国混凝土和钢筋材料资源丰富，钢筋混凝土结构应用领域很广。另外，高强度材料的开发和利用可以有效节约资源，利于环保，符合节能减排的国策。

其技术方案如下：

一种增强高强混凝土墩柱延性的方法，包括以下步骤：

(1)根据需要确定高强混凝土墩柱的延性需求，即需要达到的位移延性系数；

(2)根据需要的位移延性系数与高强混凝土墩柱的高强钢筋的配筋关系，确定高强钢筋的含量：高强箍筋的强度比为0.90，高强纵筋的强度比为0.71；

(3)根据高强钢筋的含量确定高强箍筋的级别和间距，以及纵向钢筋的级别和数量。

优选地，步骤(2)中所述的高强钢筋的屈服强度为1460MPa的钢筋。

优选地，高强钢筋的数量采用高强钢筋的强度比λ来表示，其公式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(f_{\mathrm{py}}\·A_p)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(f_{\mathrm{py}}\·A_p)+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(f_y\·A_s)}$

式中，f_py为高强钢筋的屈服强度，A_p为高强钢筋的面积；f_y为普通钢筋的屈服强度，A_y为普通钢筋的面积。

本发明的有益效果为：本发明不仅适应于普通混凝土，而且适应于高强混凝土。本方法不需要特殊材料或特殊的技术，施工操作方便，简单易行。本发明减少普通钢筋的含量，拓宽高强钢筋在非预应力混凝土当中的应用，所以更经济。主要体现在以下几个方面：

(1)承载能力高。由于使用了高强度混凝土(强度可达C90)和高强度钢筋(极限强度可达1000MPa)，其抗弯、抗剪及抗压能力均得到显著提升；

(2)抗震性能好。由于采用了高强度密集箍筋，提高了对核芯混凝土的约束作用，混凝土材料的变形能力得到显著提高，罕遇地震作用下墩柱的塑性变形能力得到增强，抗震性能得到显著改善；

(3)外形更美观。由于采用高强材料，有效地减小了高强混凝土墩柱截面尺寸，使其形体变得更加纤细、更美观；

(4)适用范围广。这种新型高强混凝土墩柱可用于承压能力需求很高的高层框架柱，大型桥梁结构的桥墩和重要设备的承台等，所建结构的高度、跨度和承担设备的重量均有大幅度提升；

(5)经济、社会和环境效益好。由于截面尺寸相对小，其材料使用量得到显著降低，虽然单价略有提高，但整个结构的造价总体呈下降趋势，同时减少占地和生产建筑材料可能造成的环境污染，良好的抗震性能提升了结构的可靠性，遇到灾害时生命及财产损失更小，对社会的和谐发展起到积极作用。

附图说明

图1为钢筋设计图，图1(a)-图1(f)依次为试件编号HHH91、HHL92、HLL91、HHL91、UHL61、LHL91的钢筋设计图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

本发明结合高强钢筋和高强混凝土的特点，采用了一种更合理的新的提高高强混凝土柱延性的方法，其滞回曲线饱满，耗能能力强，由滞回曲线计算得到的延性系数如表1所示。同时根据位移延性系数和高强钢筋的配箍率提出了一个拟合公式：图1中的构件的具体设计参数列于表1中

表1构件设计参数

在表1中，构件箍筋除采用高强钢筋外，其余采用I级钢筋，纵向钢筋直径为10.7的采用高强钢筋，其余采用II级钢筋，保护层厚度为15mm。图1中DT代表箍筋直径，S代表箍筋间距，两者均按表依不同试件的设计参数取值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种增强高强混凝土墩柱延性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据需要确定高强混凝土墩柱的延性需求，即需要达到的位移延性系数；

(2)根据需要的位移延性系数与高强混凝土墩柱的高强钢筋的配筋关系，确定高强钢筋的含量：高强箍筋的强度比为0.90，高强纵筋的强度比为0.71；

(3)根据高强钢筋的含量确定高强箍筋的级别和间距，以及纵向钢筋的级别和数量。

2.根据权利要求1所述的增强高强混凝土墩柱延性的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的高强钢筋的屈服强度为1460MPa的钢筋。

3.根据权利要求1所述的增强高强混凝土墩柱延性的方法，其特征在于，高强钢筋的数量采用高强钢筋的强度比λ来表示，其公式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(f_{\mathrm{py}}\·A_p)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(f_{\mathrm{py}}\·A_p)+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(f_y\·A_s)}$

式中，f_py为高强钢筋的屈服强度，A_p为高强钢筋的面积；f_y为普通钢筋的屈服强度，A_y为普通钢筋的面积。