CN116335342B - 基于高强纵筋的配置加强筋柱构件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑结构技术领域，具体涉及一种基于高强纵筋的配置加强筋柱构件。本发明包括柱本体以及配置于柱本体中的箍筋和高强纵筋，并限定了其配箍比β和配筋比γ。本发明可解决高强钢筋的材料配比问题，甚至能在同等柱强度下，能使用更低的配筋率来实现既定梁柱构件的施工目的，以达到节省钢材和构件用量以及方便施工的效果。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构技术领域，具体涉及一种基于高强纵筋的配置加强筋柱构件。
背景技术
作为城市发展最典型的代表之一，建筑工程领域占用和消耗了大部分的社会和自然资源，而钢筋混凝土结构在建筑中的应用比例超过50％。大量使用钢筋是造成资源消耗和环境退化的主要因素之一，因此，开发和应用屈服应力大于400MPa的高强钢筋一直被认为是实际工程中减少钢筋数量、解决上述问题的最有效途径之一。
随着高强度钢需求的增加，业内对热轧高强钢筋的成分形态和生产工艺进行了大量的研究。尽管对屈服应力超过600MPa的高强钢筋已经形成了一系列成熟的制造工艺，但由于现有的设计规范规定有限，目前工程实践中应用的高强钢筋强度仍然比较保守。例如，美国混凝土协会的建筑规范ACI 318将钢筋的屈服强度限制在550MPa。CEB-FIP(欧洲标准化协会)型号规范仅规定了500级以下的钢筋的使用要求。同样，澳大利亚混凝土结构标准AS 3600虽然扩大了钢筋的强度范围，并于2018年引入了600MPa钢筋，但仍未有更高强度的高强钢筋的使用先例。而与上述设计规范相比，国内规范GB50010提供的屈服强度甚至仅为500MPa。尽管国内钢筋年产量居世界首位，但由于现有的设计规范规定有限，国内工程实践中应用的高强钢筋的强度设计更为保守，为300～400MPa；如《混凝土结构设计规范》GB50010－2002及《建筑抗震设计规范》GB50011-2001中规定在非预应力混凝土结构中采用的钢筋强度应当分别为屈服强度235MPa、屈服强度335MPa和屈服强度400MPa，且其中400MPa级的钢筋用量仅占钢筋总用量的10％左右；对于更高强度的屈服强度500MPa及以上的钢筋目前尚未列入规范，导致遇到该类情况时无借鉴配比可用。鉴于此，研发出一款适用于高强钢筋的，尤其是可用于600MPa以上的高强钢筋的加强筋柱构件的配比数据，以便提升高强钢筋的应用范围，并填充该类型钢筋的应用空白，为本领域近年来所亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于高强纵筋的配置加强筋柱构件，其可解决高强钢筋的材料配比问题，甚至能在同等柱强度下，能使用更低的配筋率来实现既定梁柱构件的施工目的，以达到节省钢材和构件用量以及方便施工的效果。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于高强纵筋的配置加强筋柱构件，其特征在于：包括柱本体以及配置于柱本体中的箍筋和高强纵筋；
将所述箍筋的体积与柱本体内混凝土体积的比率定义为配箍比β，配箍比β的取值通过下式获得：
其中：
a为系数；
fc为柱本体的抗压强度设计值；
ke为形状系数；
fty为箍筋的抗拉强度设计值；
将所述高强纵筋的体积与柱本体内混凝土体积的比率之比定义为配筋比γ，配筋比γ的取值通过下式获得：
其中：
A为柱本体的截面面积；
F为柱本体的轴压承载力设计值。
优选的，所述形状系数ke的取值如下：
当柱本体为圆形构件时，形状系数ke通过下式获得：
当柱本体为方形构件时，形状系数ke通过下式获得：
其中：
d′是圆形构件核心区的直径；
b′是方形构件核心区的直径；
s是箍筋间距。
优选的，所述系数a的取值为：
当fc＝9.6MPa时，a＝1.53×10-3；当fc＝11.9MPa时，a＝1.44×10-3；
当fc＝14.3MPa时，a＝1.36×10-3；当fc＝16.7MPa时，a＝1.28×10-3；
当fc＝19.1MPa时，a＝1.21×10-3；当fc＝21.1MPa时，a＝1.15×10-3；
当fc＝23.1MPa时，a＝1.08×10-3；当fc＝25.3MPa时，a＝1.02×10-3；
当fc＝27.5MPa时，a＝9.7×10-4；当fc＝29.7MPa时，a＝9.2×10-4；
当fc＝31.8MPa时，a＝8.7×10-4；当fc＝33.8MPa时，a＝8.1×10-4；
当fc＝35.9MPa时，a＝7.6×10-4。
优选的，各箍筋沿柱本体环向分布，各高强纵筋沿柱本体轴向延伸设置。
优选的，所述高强纵筋的屈服强度为601MPa至750MPa。
本发明的有益效果在于：
1)、实际设计加强筋柱构件时，或考虑箍筋采用高强钢筋，或考虑纵筋采用高强钢筋。当高强钢筋为纵筋时，整个加强筋柱构件的强度提高会相对更多，延性提升相对较少；当高强钢筋为箍筋时，整个加强筋柱构件的延性提高会相对更多，强度提升相对较少。当然，上述提升的多寡也仅仅是相对概念，配置加强筋柱构件的整体延性和整体强度仍相较于传统构件会提升较多，因此整体施工效果仍能得到保证。
在上述基础上，本发明重点针对以纵筋为高强钢筋的场合，从而提供了一套简便化的计算思路，力求合理计算材料配比，确保最大化的发挥高强钢筋的自身强度性能。在该思路中，高强纵筋计算之前，需先行计算箍筋的配箍比，在明确配箍比后，方才适应性的配置相应的高强纵筋的配筋比，最终使之满足使用需求。从公式中可看出，配箍比及配筋比最高值理论上无穷大，只受生产成本的制约，也即配箍比和配筋比越高，成本自然会上升，实际视现场施工成本限定最高值即可。实际设计时，考虑尽可能贴近最低值或等于最低值，从而在同等柱强度下，能使用更低的配筋率来实现既定梁柱构件的施工目的，以达到节省钢材和构件用量以及方便施工的效果。
附图说明
图1为方形构件的横截面的结构示意简图；
图2为方形构件的纵向截面的结构示意简图；
图3为圆形构件的横截面的结构示意简图；
图4为实施例1的试件的荷载应变曲线对比图；
图5为实施例1的荷载-纵筋应变曲线对比图。
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
10-柱本体；20-箍筋；30-高强纵筋。
具体实施方式
为便于理解，此处结合图1-5，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
本发明的基于高强纵筋的配置加强筋柱构件，包括柱本体10以及配置于柱本体10中的箍筋20和高强纵筋30。对于柱本体10而言，可以是如图1-2所示的方形构件，也可以是如图3所示的圆形构件。从图1-3中可看出，各箍筋20沿柱本体10环向分布，各高强纵筋30则是沿柱本体10轴向延伸形成。
对于高强纵筋30在选择时，可采用的屈服强度为601MPa至750MPa的高强钢筋；当然，强度更低的也能满足其设计需求。
具体计算时，计算流程如下：
1)、将所述箍筋20的体积与柱本体10内混凝土体积的比率定义为配箍比β，配箍比β的取值通过下式获得：
其中：
a为系数，其取值参照下表1，其余值按照差值计算：
表1
fc为柱本体10的抗压强度设计值；
ke为形状系数，取值如下：
当柱本体10为圆形构件时，形状系数ke通过下式获得：
当柱本体10为方形构件时，形状系数ke通过下式获得：
其中：
d′是圆形构件核心区的直径；
b′是方形构件核心区的直径；
s是箍筋20间距；
fty为箍筋20的抗拉强度设计值。
2)、将所述高强纵筋30的体积与柱本体内混凝土体积的比率之比定义为配筋比γ，配筋比γ的取值通过下式获得：
其中：
A为柱本体10的截面面积；
F为柱本体10的轴压承载力设计值。
实施例1
为便于进一步理解本发明，此处结合上述，给出本发明的其中一种具体实施例如下：
柱本体10选用C50(也即抗压强度设计值fc为23.1MPa)强度等级的混凝土材料，并在柱本体10中配置箍筋20和高强纵筋30。高强纵筋30采用700MPa的高强钢筋。
加强筋柱构件的轴压承载能力设计值F＝1700kN，横截面为方形且尺寸为250mm×250mm，箍筋20的抗拉强度设计值为fty＝545MPa；核心区尺寸为200mm×200mm，箍筋20间距为80mm。
根据上表1获得系数a的取值，并由本发明给出的形状系数ke的计算公式获得ke值，代入配箍比β的计算公式：
得其配箍比β≥0.97。
由本发明给出的柱构件配筋比γ的设计方法：
代入，得其配筋比γ≥1.48％。
为进一步验证，此处对相同牌号的箍筋20搭配高强纵筋30的柱A(配箍比为1.26％，也即大于0.97％)和柱B(配箍比为0.67％，也即小于0.97％)分别进行了试验和有限元分析研究，获得如图4所示的试验数据对比图。图4中，两柱的高强纵筋30配筋比均为1.48％，混凝土强度均为37MPa，结果表明：
从图4所示的试件的荷载应变曲线对比图可看出，当达到峰值荷载时，柱A较柱B应变提高29.5％，柱A较柱B承载能力提高了10.8％，达到了既定试验目的。同时，通过图5所示的荷载-纵筋应变曲线对比图可看出：在试件达到峰值时，柱A纵筋的应变明显接近600MPa钢筋的屈服应变，也即0.003处，说明相应纵筋的强度得以发挥并使得承载能力提高，且柱B的高强纵筋30明显未达屈服状态。
当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (5)
1.一种基于高强纵筋的配置加强筋柱构件，其特征在于：包括柱本体(10)以及配置于柱本体(10)中的箍筋(20)和高强纵筋(30)；
将所述箍筋(20)的体积与柱本体(10)内混凝土体积的比率定义为配箍比β，配箍比β的取值通过下式获得：
其中：
为系数；
为柱本体(10)的抗压强度设计值；
为形状系数；
为箍筋(20)的抗拉强度设计值；
将所述高强纵筋(30)的体积与柱本体(10)内混凝土体积的比率之比定义为配筋比γ，配筋比γ的取值通过下式获得：
其中：
为柱本体(10)的截面面积；
为柱本体(10)的轴压承载力设计值。
2.根据权利要求1所述的一种基于高强纵筋的配置加强筋柱构件，其特征在于：所述形状系数的取值如下：
当柱本体(10)为圆形构件时，形状系数通过下式获得：
当柱本体(10)为方形构件时，形状系数通过下式获得：
其中：
是圆形构件核心区的直径；
是方形构件核心区的直径；
是箍筋(20)间距。
3.根据权利要求1所述的一种基于高强纵筋的配置加强筋柱构件，其特征在于：所述系数的取值为：
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4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于高强纵筋的配置加强筋柱构件，其特征在于：各箍筋(20)沿柱本体(10)环向分布，各高强纵筋(30)沿柱本体(10)轴向延伸设置。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于高强纵筋的配置加强筋柱构件，其特征在于：所述高强纵筋(30)的屈服强度为601MPa至750MPa。
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