鋼筋混凝土建筑構(gòu)件裂縫測量儀理論及應(yīng)用設(shè)想

包貴華

摘 要：文章從鋼筋混凝土梁的受彎破壞形態(tài)及其相應(yīng)的受力特點出發(fā)，利用承載能力極限狀態(tài)理論，結(jié)合消防工作的現(xiàn)況，論證了鋼筋混凝土建筑構(gòu)件裂縫測量儀在實際滅火工作中得到運用的可能性。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)撲救過程中險情預(yù)警裝置的研究有一定的啟發(fā)性。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；支撐能力；裂縫；承載能力極限狀態(tài)

中圖分類號：TU998 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0117-01

1 理論基礎(chǔ)

1.1 鋼筋混凝土構(gòu)件是一種不燃燒體且具有良好耐火性的建筑構(gòu)件

鋼筋混凝土構(gòu)件是用不燃性建筑材料（按GB5464檢驗方法進(jìn)行檢驗）制成的不燃燒體構(gòu)件，該構(gòu)件在空氣中或高溫作用時不起火、不微燃、不炭化。故在建筑領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

1.2 建筑物在火災(zāi)荷載作用下破壞順序

建筑物在火災(zāi)荷載作用下（除爆炸荷載外），隨著建筑材料、建筑構(gòu)件的燃燒和破壞，整個建筑結(jié)構(gòu)必然遭到局部破壞或全部坍塌，其坍塌次序一般是先吊頂后屋頂，最后是墻壁；也就是說，建筑物的承重結(jié)構(gòu)中，梁的破壞先于柱，由此可知，在論證中考慮柱失去支撐能力沒有多大意義，因為在柱失去支撐能力前，梁已先于柱破壞，所以在鋼筋混凝土建筑構(gòu)件裂縫測量儀理論計算中只考慮梁裂縫的開展。

1.3 鋼筋混凝土建筑構(gòu)件的工作原理及其正截面受彎破壞形態(tài)

（1）鋼筋混凝土建筑構(gòu)件的工作原理：鋼筋混凝土建筑構(gòu)件的承重是通過鋼筋與其周圍混凝土之間的相互作用來實現(xiàn)的，其相互作用主要包括粘結(jié)力和相對滑移兩方面（其中粘結(jié)力起主要作用）。粘結(jié)的重要性在于它是鋼筋與混凝土變形一致、共同受力的保證，如粘結(jié)遭到破壞，就會使構(gòu)件變形增加，裂縫劇烈開展甚至破壞。（2）鋼筋混凝土建筑構(gòu)件正截面受彎破壞形態(tài)有：適筋破壞、超筋破壞和少筋破壞三種形態(tài)。超筋截面破壞形態(tài)：混凝土先壓碎，鋼筋不屈服；少筋截面破壞形態(tài)：一裂就壞；這兩種破壞形態(tài)均屬脆性破壞類型并且沒有明顯預(yù)兆，在施工中禁止采用（預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土除外）。適筋截面破壞形態(tài)則不同，它是鋼筋先屈服，混凝土后壓碎；破壞前有明顯預(yù)兆，故在施工中廣泛采用。

1.4 小結(jié)

通過以上分析知：梁的正截面的破壞始于縱向受拉鋼筋屈服，終于受壓區(qū)混凝土壓碎。在縱向受拉鋼筋屈服時，裂縫截面進(jìn)一步開展，最終梁破壞（此時梁處于最危險狀態(tài)）。

2 研究對象的選擇和裂縫寬度計算

2.1 建筑耐火等級的選擇

目前，一般的工業(yè)與民用建筑耐火等級均選為二級，受力鋼筋大多采用Ⅱ級，其抗拉強度設(shè)計值fy=310N/mm2；混凝土強度等級采用C25，其強度標(biāo)準(zhǔn)值為25N/mm2，抗壓標(biāo)準(zhǔn)ftk=1.75N/mm2，彎曲抗壓設(shè)計強度fcm=13.5N/mm2。

研究對象的選擇：設(shè)一普通簡支梁，梁截面b×h=250mm ×500mm，計算跨度Lo=6.0m，承受均布永久荷載gk=2.45kN/m（包括梁自重），活荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk=18kN/m）。

2.2 裂縫寬度計算

2.2.1 平均裂縫寬度ω的計算

鋼筋水平處的平均裂縫寬度等于平均裂縫間距Lcr內(nèi)鋼筋與混凝土兩者伸長值之差。設(shè)鋼筋的平均應(yīng)變?yōu)棣舠m，混凝土的平均應(yīng)變?yōu)棣與m，則平均裂縫寬度ω=（εsm-εcm）·Lcr，由于εcm很小可以略去不計，有：

ω=ψ·εsm·Lcr=ψ·（σss/Es）·Lcr （1）

式中：ψ—縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，當(dāng)鋼筋接近屈服（承載能力極限狀態(tài)）時ψ趨近于1，相反則減小，其值介于0.4—1.0之間；

σss—在荷載的短期效應(yīng)組合Ms作用下，梁內(nèi)縱向受拉鋼筋應(yīng)力（N/mm2）；

Es—鋼筋彈性模量，Ⅱ級鋼筋Es=200KN/mm2。

根據(jù)試驗資料和使用經(jīng)驗，并考慮鋼筋表面形狀影響系數(shù)ν后，將受力構(gòu)件的平均裂縫間距表達(dá)式修正為：

Lcr=[2.7c+（0.1d）/ρte]·ν （2）

式中：c—混凝土保護(hù)層厚度，c=25mm；

d—縱向受拉鋼筋的直徑，mm；

ρte—受彎構(gòu)件受拉鋼筋的有效配筋率；

ν—縱向受拉鋼筋表面特征系數(shù)，對變形鋼筋取ν=0.7。

綜上得平均裂縫寬度：

ω=ψ·（σss/Es）·Lcr

=ψ·（σss/Es）·[2.7c+（0.1d）/ρte]·ν （3）

在承載能力極限狀態(tài)下：ψ=1，σss=fy=310N/mm2；另外我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：

ψ=1.1-（0.65·ftk）/（ρte·σss） （4）

ψ=1.1-（0.65×1.75）/（ρte×310）

1.1-（0.65×1.75）/（ρte×310）=1

ρte=0.03669=3.669%

對承重梁的配筋要考慮其界限配筋率（最大配筋率）ρb：

ρb=εb·fcm/fy （5）

=0.544×13.5/310=0.0236=2.369%

式中：εb—界限相對受壓區(qū)高度，對Ⅱ級鋼筋εb=0.544；

由于ρte>ρb，選用ρb進(jìn)行配筋計算：

ρb=As/（0.5·b·h） （6）

As=ρb×0.5×b×h=0.02369×0.5×250×500=1480.6（mm2）

可以選用的鋼筋種類及計算截面積：

（1）6Φ18，As=1526mm2；

（2）5Φ20，As=1570mm2；

（3）4Φ22，As=1520mm2。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求，實際配筋面積偏差應(yīng)在計算配筋截面積的5%以內(nèi)，故鋼筋的選取面積As= 1480.6mm2×（1±5%），即配筋面積不應(yīng)小于1406.6mm2，不應(yīng)大于1554.6mm2?？紤]到鋼筋的根數(shù)過多對建筑構(gòu)件的影響，選取4Φ22，As=1520mm2。

通過以上數(shù)據(jù)得平均裂縫寬度：

ω=ψ·（σss/Es）·[2.7c+（0.1d）/ρte]·ν

=1.0×[310÷（200×103）]×（2.7×25+0.1×22÷0.02369）×0.7

=0.174（mm）

2.2.2 最大裂縫寬度

ωmax=αcr×ω （7）

=2.1×0.174=0.366（mm）

式中：αcr—構(gòu)件受力特征系數(shù)，受彎構(gòu)件αcr=2.1

2.3 利用以上數(shù)據(jù)反算所選研究對象的裂縫寬度

已知：b×h=250mm×500mm，Lo=6.0m，gk=2.45kN/m，qk=18kN/m

荷載短期效應(yīng)組合Ms=0.125×（gk+qk）·Lo2 （8）

=0.125×（2.45+18）×62=92.02（kN·m）

在荷載的短期效應(yīng)組合Ms作用下，梁內(nèi)縱向受拉鋼筋的應(yīng)力：

σss=Ms/（0.87·ho·As） （9）

=92.02×106÷（0.87×465×1520）=149.65（N·mm2）

縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)：

ψ=1.1-（0.65×1.75）/（0.0236×149.65）=0.7791

2.4 小結(jié)

在具體運用方面：當(dāng)梁的變形介于0.137mm至0.3mm時，梁的工作狀態(tài)及變形處于受力第Ⅱ階段；當(dāng)梁的變形介于0.3mm至0.365mm時，梁的工作狀態(tài)及變形處于受力第Ⅲ階段。鋼筋混凝土建筑構(gòu)件裂縫測量儀在梁的變形接近0.3mm時發(fā)出預(yù)警，依據(jù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)該目的可以實現(xiàn)。

3 結(jié)語

由于本人知識的局限性和條件限制，無法通過實驗來確定裂縫寬度的修正系數(shù)。在此希望對此感興趣的學(xué)者繼續(xù)深入研究和探討，將鋼筋混凝土建筑構(gòu)件裂縫測量儀及早應(yīng)用到滅火工作中，減少在滅火過程中因建筑坍塌事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

參考文獻(xiàn)

[1]程文襄.混凝土及砌體結(jié)構(gòu)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2000.10.

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB10-89）[S].1998年修訂.

[3]建筑防火編寫組.建筑防火[M].北京：群眾出版社，1995.104-122.