圆形截面钢筋混凝土构件裂缝宽度计算的研究
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摘要
圆形截面钢筋混凝土构件是工程结构中常用的构件之一，如港口工程中的混凝土灌注桩、建筑物的承载柱、桥梁桥墩以及基坑的支护排桩等。由于混凝土本身的抗拉强度小，易开裂的特性，所以实际工程中的许多混凝土构件都是带缝工作的。裂缝对混凝土结构的耐久性、安全性及承载能力有着明显的影响。因此，结构构件除需进行强度计算外，还需根据使用和耐久性要求进行裂缝宽度验算。国内外对裂缝宽度计算的问题已经进行了大量的理论和试验研究，但在圆形截面构件的裂缝计算方面研究还不多。本文是《港口工程混凝土结构设计规范》(JTJ 267-98)修订的研究专题，目的是提出简便实用的适用于港口工程中圆形截面钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算方法。根据专题要求，主要进行了以下工作：
(1)对国内外有关钢筋混凝土构件裂缝宽度的文献进行了分析研究，确定影响裂缝宽度的主要因素；比较国内及国外主要国家混凝土规范裂缝的控制方法，根据文献资料讨论了裂缝对钢筋腐蚀的影响。
(2)对12根大偏心受压、12根受弯、12根大偏心受拉、12根小偏心受拉和16根轴心受拉圆形和环形试件进行试验，测得了开裂荷载、每级荷载下试件的受拉钢筋和混凝土应变和裂缝宽度。
(3)建立了用钢筋应变和混凝土压力角表示的构件截面力和弯矩的平衡方程，并给出计算钢筋应变和混凝土压力角的数值分析方法；根据平衡方程优化计算的结果提出计算钢筋应力的简化公式。
(4)对圆形截面钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算进行了研究，给出有效受拉钢筋配筋率的计算公式，根据裂缝宽度试验结果对钢筋应力简化计算公式做了进一步的简化。
(5)用提出的裂缝宽度计算方法对三个钢筋混凝土灌注桩进行了试算。
Members with circular concrete sections have been used widely for piles in harbor engineering, columns of the building, bridge piers and support piles in deep foundation ditch engineering, etc. Many reinforced concrete members are cracking during their working time for the reason of small tensile strength of the concrete. Durability, safety and bearing capacity of the concrete members are affected obviously by the cracks. So the the crack width of the member must be calculated based on the application and durability of the structures except the calculation of the strength. Many theories of calculation and experimental studys on the concrete cracks have been developed by the researcher home and abroad, but only a little on the crack width calculation of the members with circular sections. This is the Revised matter of Deisign Code for Harbour Engineering Concrete Structure. The main Objective to develop Crack Width Calculation of Reinforced Concrete Members with Circular Sections which can be used in Harbour Engineering. Baseed on the require of the Revise, the main aspects of the research work are as follows:
(1) Studying and analysis of the materials about the crack width of RC concrete members home and abroad to define the main effects. Compare the methods of crack control in the concrete code and discuss the influence of the crack width to the corrosion of the steel bar.
(2) Twelve large eccentric compression specimens, twelve flexural specimens, twelve large eccentric tension specimens, twelve small eccentric compression specimens ,sixteen axial tension specimens are test and tensile strain of the steel bar and crack width under every class of load are obtained in this paper.
(3) Equilibrium equation of force and bend which established through steel strain and compresion angle. Numerical analysis methods to solve the equation are given. The simplified equation which calculate the steel stress are established based on the results of the equilibrium equation.
(4) Studying on the calculation of the crack width to establish the calculate equation of the effective ratio of the tensile steel bar and further simplified quation of the steel stress are given based on the experimental crack width.
(5) The crack width of three RC piles are calculated by the equation which established in this paper.
(1)对国内外有关钢筋混凝土构件裂缝宽度的文献进行了分析研究，确定影响裂缝宽度的主要因素；比较国内及国外主要国家混凝土规范裂缝的控制方法，根据文献资料讨论了裂缝对钢筋腐蚀的影响。
(2)对12根大偏心受压、12根受弯、12根大偏心受拉、12根小偏心受拉和16根轴心受拉圆形和环形试件进行试验，测得了开裂荷载、每级荷载下试件的受拉钢筋和混凝土应变和裂缝宽度。
(3)建立了用钢筋应变和混凝土压力角表示的构件截面力和弯矩的平衡方程，并给出计算钢筋应变和混凝土压力角的数值分析方法；根据平衡方程优化计算的结果提出计算钢筋应力的简化公式。
(4)对圆形截面钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算进行了研究，给出有效受拉钢筋配筋率的计算公式，根据裂缝宽度试验结果对钢筋应力简化计算公式做了进一步的简化。
(5)用提出的裂缝宽度计算方法对三个钢筋混凝土灌注桩进行了试算。
Members with circular concrete sections have been used widely for piles in harbor engineering, columns of the building, bridge piers and support piles in deep foundation ditch engineering, etc. Many reinforced concrete members are cracking during their working time for the reason of small tensile strength of the concrete. Durability, safety and bearing capacity of the concrete members are affected obviously by the cracks. So the the crack width of the member must be calculated based on the application and durability of the structures except the calculation of the strength. Many theories of calculation and experimental studys on the concrete cracks have been developed by the researcher home and abroad, but only a little on the crack width calculation of the members with circular sections. This is the Revised matter of Deisign Code for Harbour Engineering Concrete Structure. The main Objective to develop Crack Width Calculation of Reinforced Concrete Members with Circular Sections which can be used in Harbour Engineering. Baseed on the require of the Revise, the main aspects of the research work are as follows:
(1) Studying and analysis of the materials about the crack width of RC concrete members home and abroad to define the main effects. Compare the methods of crack control in the concrete code and discuss the influence of the crack width to the corrosion of the steel bar.
(2) Twelve large eccentric compression specimens, twelve flexural specimens, twelve large eccentric tension specimens, twelve small eccentric compression specimens ,sixteen axial tension specimens are test and tensile strain of the steel bar and crack width under every class of load are obtained in this paper.
(3) Equilibrium equation of force and bend which established through steel strain and compresion angle. Numerical analysis methods to solve the equation are given. The simplified equation which calculate the steel stress are established based on the results of the equilibrium equation.
(4) Studying on the calculation of the crack width to establish the calculate equation of the effective ratio of the tensile steel bar and further simplified quation of the steel stress are given based on the experimental crack width.
(5) The crack width of three RC piles are calculated by the equation which established in this paper.
引文
[1] 赵国藩，李树瑶等．钢筋混凝土结构的裂缝控制．北京：海洋出版社，1991．
[2] 徐有邻，周氐．混凝土结构设计规范理解与应用．北京：中国建筑工业出版社，2002．
[3] 赵国藩，宋玉普，黄承逵等．高等钢筋混凝土结构学．北京：中国电力出版社，1999．
[4] Brondum-Nielsen, Troels. Serviceability Limit State Analysis of Circular and Annular Cracked Concrete Sections, ACI Structural Journal, 1989, 86 (36) : 401-404.
[5] 抗裂度及裂缝专题研究组(赵国藩主持)．钢筋混凝土环形、圆形截面偏心受压、受弯构件抗裂度和最大裂缝开展宽度的试验和计算方法．大连工学院海洋工程研究所结构研究室，1981．
[6] 冯乃谦，顾晴霞，郝挺宇．混凝土结构的裂缝与对策．北京：机械工业出版社，2006．
[7] 王铁梦．工程结构裂缝控制．北京：中国建筑工业出版社，1997．
[8] 陈肇元，崔京浩，朱金铨等．钢筋混凝土裂缝机理与控制措施．工程力学．2006，23(1)：86-107．
[9] 赵国藩等．高等钢筋混凝土结构学．北京：机械工业出版社，2005．
[10] 赵国藩，高俊生，廖婉卿等．钢筋混凝土构件抗裂度和最大裂缝宽度的试验和计算方法．建筑结构学报．1984，4：1-17．
[11] A. P. Clark. Cracking in R. C. flexural members. Jural. ACI. 1956. 4: 76—81.
[12] 侯文崎，罗如登，叶梅新．钢-高配筋现浇混凝士结合梁裂缝宽度试验研究．中国铁道科学，2001，22 (5)：54-59．
[13] Broms B B. Technique for investigation of internal cracks in reinforced concrete members. ACI Journal, 1965 (7) : 124-129.
[14] Base, G. D. , control of Flexural Cracking in Reinforced Concrete, Civil Engineer-ing Transactions, 1972 (69) : 212-216.
[15] Beeby, A. W. , The prediction of Crack Widths in Hardened Concrete, The Structural Engineer, 1979, 57 (1) : 9-17.
[16] 刘全德，杨德滋译，陈开利，张开敬校．日本土木学会混凝土结构设计规范与解说[S]．成都：西南交通大学出版社，1991．
[17] 中华人民共和国国家标准．混凝土结构设计规范(GBJ50010-2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002．
[18] ACI Committee 318. Building code requirements for structural concrete(ACI 318-02) and commentary(ACI 318R-02).
[19] CEB欧洲国际混凝土委员会．混凝土结构1990 CEB-FIP模式规范，中国建筑科学研究院结构所规范室译．北京：中国建筑科学研究院出版，1991．
[20] 中华人民共和国行业标准．港口工程混凝土结构设计规范(JTJ 267-98)．北京：人民交通出版社，1998．
[21] 中华人民共和国行业标准．铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB10-002．3-2005)．北京：中国铁道出版社，2005．
[22] Gergely, P. and Lutz, L.A. Causes, Mechanism and Control of Cracking in Concrete,American Concrete Institute, Detroit, Michigan, 1968:87-117
[23] 南京工学院第五系．使用荷载下出现裂缝的预应力受弯构件变形和裂缝的试验研究，钢筋混凝土研究报告选集．北京：中国建筑工业出版社，1977
[24] M. CHI, A.F. Kiretein. Flexural cracks in R.C. beams. ACI Journal, 1958(4): 76—89
[25] 中华人民共和国电力行业标准．水工混凝士结构设计规范(DL／T 5057-1996)．北京：中国电力出版社，1997．
[26] 中华人民共和国行业标准．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)．北京：人民交通出版社，2004．
[27] 钢筋混凝土构件裂缝专题组．混凝土保护层厚度对钢筋混凝土构件裂缝宽度影响的试验研究．钢筋混凝土结构研究报告选集(3)．北京：中国建筑工业出版社，1994．
[28] Eurocode 2: Design of concrete structures-Part 1-1: General rules and rules for buildings(EN 1992-1-1:2004).
[29] 中华人民共和国行业标准．港口工程灌注桩设计与施工规程(JTJ248-2001)．北京：人民交通出版社，2001．
[30) Beeby A W. Corrosion of Reinforcing Steel in Concrete and Its Relation to Cracking. The Structural Engineer, 1978: 77～81.
[31] Schiessl P. The influence of cracks on the corrosion of steel in concrete. Preliminary Report of RIL EM Internatiional Symposimu on the Durability of Concrete,Prague 1969:52—67.
[32] 李家康．混凝土结构的裂缝与钢筋腐蚀．青岛建筑工程学院学报．1997，18(8)：92-95
[33] 林宝玉．海工建筑物钢筋混凝土耐久性指标的确定．全国海岸带和海涂资源综合调查．海岸工程学术会议论文集(下)．北京：海洋出版社，1982．
[34] 牛荻涛等．氧气在混凝土中扩散系数的确定．西安建筑科技大学学报．1996，28(1)：6～9
[35] Francois R and Arliguie G. Effect of Microcracking and Cracking on the Development of Corrosion in Reinforced Concrete Members. Magazine of Concrete Research, 1999, 51(2):98-110
[36] 聂建国，樊建生，王挺．压型钢板混凝土组合梁裂缝的试验研究．土木工程学报．2002，35(1)：15—20．
[37] 中华人民共和国国家标准．普通混凝土力学性能试验方法标准(GB／T 50081-2002)，北京：中国建筑工业出版社，2003．
[38] 柴迎春．钢筋混凝土圆形截面偏心受压构件承载能力计算方法的探讨．工程结构．2005，25(4)：49—50．
[39] 四川省建筑科学研究所．钢筋混凝土轴心受拉构件裂缝宽度的计算．钢筋混凝土研究报告选集．北京：中国建筑工业出版社．1977：290-297．
[40] 东南大学、天津大学、同济大学．混凝土结构．北京：中国建筑工业出版社．2002．
[41] 李广平．圆形截面钢筋混凝土偏压构件正截面承载力的计算方法．建筑结构．2000(5)：28-32．
[40] 夏保国，汤达明，朱伯庆．圆形截面钢筋混凝土受弯构件正截面承载力的使用计算方法．建筑结构，1995(3)：36-41．
[43] 童岳生等．钢筋混凝土圆形截面偏压构件的复核验算．建筑结构．1995(9)：42—47．
[44] 滕智明．钢筋混凝土基本构件．北京：清华大学出版社，1987．
[2] 徐有邻，周氐．混凝土结构设计规范理解与应用．北京：中国建筑工业出版社，2002．
[3] 赵国藩，宋玉普，黄承逵等．高等钢筋混凝土结构学．北京：中国电力出版社，1999．
[4] Brondum-Nielsen, Troels. Serviceability Limit State Analysis of Circular and Annular Cracked Concrete Sections, ACI Structural Journal, 1989, 86 (36) : 401-404.
[5] 抗裂度及裂缝专题研究组(赵国藩主持)．钢筋混凝土环形、圆形截面偏心受压、受弯构件抗裂度和最大裂缝开展宽度的试验和计算方法．大连工学院海洋工程研究所结构研究室，1981．
[6] 冯乃谦，顾晴霞，郝挺宇．混凝土结构的裂缝与对策．北京：机械工业出版社，2006．
[7] 王铁梦．工程结构裂缝控制．北京：中国建筑工业出版社，1997．
[8] 陈肇元，崔京浩，朱金铨等．钢筋混凝土裂缝机理与控制措施．工程力学．2006，23(1)：86-107．
[9] 赵国藩等．高等钢筋混凝土结构学．北京：机械工业出版社，2005．
[10] 赵国藩，高俊生，廖婉卿等．钢筋混凝土构件抗裂度和最大裂缝宽度的试验和计算方法．建筑结构学报．1984，4：1-17．
[11] A. P. Clark. Cracking in R. C. flexural members. Jural. ACI. 1956. 4: 76—81.
[12] 侯文崎，罗如登，叶梅新．钢-高配筋现浇混凝士结合梁裂缝宽度试验研究．中国铁道科学，2001，22 (5)：54-59．
[13] Broms B B. Technique for investigation of internal cracks in reinforced concrete members. ACI Journal, 1965 (7) : 124-129.
[14] Base, G. D. , control of Flexural Cracking in Reinforced Concrete, Civil Engineer-ing Transactions, 1972 (69) : 212-216.
[15] Beeby, A. W. , The prediction of Crack Widths in Hardened Concrete, The Structural Engineer, 1979, 57 (1) : 9-17.
[16] 刘全德，杨德滋译，陈开利，张开敬校．日本土木学会混凝土结构设计规范与解说[S]．成都：西南交通大学出版社，1991．
[17] 中华人民共和国国家标准．混凝土结构设计规范(GBJ50010-2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002．
[18] ACI Committee 318. Building code requirements for structural concrete(ACI 318-02) and commentary(ACI 318R-02).
[19] CEB欧洲国际混凝土委员会．混凝土结构1990 CEB-FIP模式规范，中国建筑科学研究院结构所规范室译．北京：中国建筑科学研究院出版，1991．
[20] 中华人民共和国行业标准．港口工程混凝土结构设计规范(JTJ 267-98)．北京：人民交通出版社，1998．
[21] 中华人民共和国行业标准．铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB10-002．3-2005)．北京：中国铁道出版社，2005．
[22] Gergely, P. and Lutz, L.A. Causes, Mechanism and Control of Cracking in Concrete,American Concrete Institute, Detroit, Michigan, 1968:87-117
[23] 南京工学院第五系．使用荷载下出现裂缝的预应力受弯构件变形和裂缝的试验研究，钢筋混凝土研究报告选集．北京：中国建筑工业出版社，1977
[24] M. CHI, A.F. Kiretein. Flexural cracks in R.C. beams. ACI Journal, 1958(4): 76—89
[25] 中华人民共和国电力行业标准．水工混凝士结构设计规范(DL／T 5057-1996)．北京：中国电力出版社，1997．
[26] 中华人民共和国行业标准．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)．北京：人民交通出版社，2004．
[27] 钢筋混凝土构件裂缝专题组．混凝土保护层厚度对钢筋混凝土构件裂缝宽度影响的试验研究．钢筋混凝土结构研究报告选集(3)．北京：中国建筑工业出版社，1994．
[28] Eurocode 2: Design of concrete structures-Part 1-1: General rules and rules for buildings(EN 1992-1-1:2004).
[29] 中华人民共和国行业标准．港口工程灌注桩设计与施工规程(JTJ248-2001)．北京：人民交通出版社，2001．
[30) Beeby A W. Corrosion of Reinforcing Steel in Concrete and Its Relation to Cracking. The Structural Engineer, 1978: 77～81.
[31] Schiessl P. The influence of cracks on the corrosion of steel in concrete. Preliminary Report of RIL EM Internatiional Symposimu on the Durability of Concrete,Prague 1969:52—67.
[32] 李家康．混凝土结构的裂缝与钢筋腐蚀．青岛建筑工程学院学报．1997，18(8)：92-95
[33] 林宝玉．海工建筑物钢筋混凝土耐久性指标的确定．全国海岸带和海涂资源综合调查．海岸工程学术会议论文集(下)．北京：海洋出版社，1982．
[34] 牛荻涛等．氧气在混凝土中扩散系数的确定．西安建筑科技大学学报．1996，28(1)：6～9
[35] Francois R and Arliguie G. Effect of Microcracking and Cracking on the Development of Corrosion in Reinforced Concrete Members. Magazine of Concrete Research, 1999, 51(2):98-110
[36] 聂建国，樊建生，王挺．压型钢板混凝土组合梁裂缝的试验研究．土木工程学报．2002，35(1)：15—20．
[37] 中华人民共和国国家标准．普通混凝土力学性能试验方法标准(GB／T 50081-2002)，北京：中国建筑工业出版社，2003．
[38] 柴迎春．钢筋混凝土圆形截面偏心受压构件承载能力计算方法的探讨．工程结构．2005，25(4)：49—50．
[39] 四川省建筑科学研究所．钢筋混凝土轴心受拉构件裂缝宽度的计算．钢筋混凝土研究报告选集．北京：中国建筑工业出版社．1977：290-297．
[40] 东南大学、天津大学、同济大学．混凝土结构．北京：中国建筑工业出版社．2002．
[41] 李广平．圆形截面钢筋混凝土偏压构件正截面承载力的计算方法．建筑结构．2000(5)：28-32．
[40] 夏保国，汤达明，朱伯庆．圆形截面钢筋混凝土受弯构件正截面承载力的使用计算方法．建筑结构，1995(3)：36-41．
[43] 童岳生等．钢筋混凝土圆形截面偏压构件的复核验算．建筑结构．1995(9)：42—47．
[44] 滕智明．钢筋混凝土基本构件．北京：清华大学出版社，1987．