鋼筋混凝土構(gòu)件模型的配筋率及保護層厚度研究

摘要：運用相似性原理，對鋼筋混凝土軸心受壓、大偏心受壓柱以及鋼筋混凝土梁的強度相似條件進行推導(dǎo)，確定了模型試驗中模型構(gòu)件配筋率及混凝土保護層厚度的理論取值，并采用誤差分析方法分析了模型混凝土保護層厚度取值對承載力相似性的影響.分析表明，在進行鋼筋混凝土構(gòu)件模型試驗時，宜采用與原型相同的配筋率.對于軸心受壓柱，模型保護層厚度不產(chǎn)生誤差；對于鋼筋混凝土梁，模型保護層厚度取原型保護層厚度除以0.5倍比例系數(shù)，此時誤差可以控制在10%；對于大偏壓柱，建議保護層厚度取原型保護層厚度除比例系數(shù).

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；模型試驗；相似原理；配筋率；保護層厚度

中圖分類號：TU205文獻標識碼：A

在工程實踐和理論研究中，結(jié)構(gòu)試驗的對象大多是實際結(jié)構(gòu)的模型.對于工程結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的某一局部，如梁、柱、板、墻，有可能進行足尺的結(jié)構(gòu)試驗.但對于整體結(jié)構(gòu)，除進行結(jié)構(gòu)現(xiàn)場加載試驗外，受設(shè)備能力和經(jīng)濟條件的限制，實驗室條件下的結(jié)構(gòu)試驗大多為縮尺的結(jié)構(gòu)模型試驗.

模型是根據(jù)相似原理，用適當?shù)谋壤吆拖嗨撇牧现瞥傻呐c原型幾何相似的試驗對象，以使之在受到相似力系作用時能重演原型結(jié)構(gòu)的實際工作.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的模型試驗常采用強度模型試驗，強度模型研究原型結(jié)構(gòu)受力全過程性能，重點是破壞形態(tài)和極限承載力，因而要求模型與原型滿足強度相似條件.

在強度模型試件的設(shè)計中，材料與原型結(jié)構(gòu)相同，截面幾何尺寸與原型對應(yīng)成比例.因而，模型的配筋面積也與原型對應(yīng)成比例，即模型的配筋率與原型一致.這看似理所應(yīng)當，但卻未經(jīng)過嚴格地證明.并且，模型構(gòu)件的混凝土保護層厚度的取值也存在問題.當縮尺比例較大時，若將模型構(gòu)件的混凝土保護層厚度按比例設(shè)計得太小，不僅難以保證施工的精度，還將影響鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用；若不按縮尺比例對保護層厚度進行縮小，則會影響模型與原型的相似程度.

由上式可知，在模型柱配筋率與原型柱相同時，模型保護層厚度對相似誤差的影響與柱的極限承載力大小有關(guān)：在偏心距足夠大（式（20）分母大于0）時，隨柱極限軸力的增加，式（20）的分母增大，分子減小，誤差減??；在極限軸力使分母接近0時，誤差將被大幅放大.而偏壓構(gòu)件破壞時的軸力大小與受彎狀態(tài)有關(guān)，故不同的 M，N 組合成不同的極限狀態(tài)，產(chǎn)生的誤差不同，難以定量分析.因保護層厚度在某些情況下會對試驗結(jié)果產(chǎn)生很大影響，故建議嚴格按比例設(shè)計模型，或者在設(shè)計模型時對誤差進行詳細分析.

5結(jié)論

本文針對鋼筋混凝土構(gòu)件模型的配筋率及保護層厚度研究，以相似理論進行推導(dǎo)并分析了誤差，得出了如下結(jié)論：

1） 在鋼筋混凝土構(gòu)件強度模型試驗中，模型試件取與原型相同的配筋率是合適的；

2） 從計算公式上看，對于鋼筋混凝土軸心受壓柱，模型保護層厚度不產(chǎn)生誤差，所以可以根據(jù)方便施工或其他原則確定；

3） 鋼筋混凝土梁在受彎和受剪時，模型保護層厚度取原型保護層厚度除以0.5倍比例系數(shù)即cm≤ 2 c/γ，此時誤差可以控制在10%以內(nèi)；

4）鋼筋混凝土柱在大偏心受壓時，因保護層厚度取值而產(chǎn)生的誤差隨構(gòu)件極限狀態(tài)時彎矩與軸力組合的不同而不同，在軸力處于一定范圍時誤差將被大幅放大，建議保護層厚度嚴格按縮尺比例取值，否則在模型設(shè)計時應(yīng)對誤差進行詳細分析.

參考文獻

[1]林皋， 朱彤， 林蓓. 結(jié)構(gòu)動力模型試驗的相似技巧＼[J＼]. 大連理工大學(xué)學(xué)報， 2000， 40（1）： 1-8.

LIN Gao， ZHU Tong， LIN Bei. Similarity technique for dynamic structural model test ＼[J＼]. Journal of Dalian University of Technology， 2000， 40（1）： 1-8.（In Chinese）

[2]陳星燁， 馬曉燕， 宋建中. 大型結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ拖嗨评碚摲治雠c推導(dǎo)＼[J＼]. 長沙交通學(xué)院學(xué)報， 2004， 20（1）： 11-14.

CHEN Xingye， MA Xiaoyan， SONG Jianzhong. The comparability analysis and deduction of a large structure test model ＼[J＼]. Journal of Changsha Communications University， 2004， 20（1）： 11-14.（In Chinese）

[3]陳星燁， 顏東煌， 馬曉燕. 斜拉橋試驗?zāi)Ｐ拖嗨菩酝茖?dǎo)與動力問題的數(shù)值分析＼[J＼]. 巖土力學(xué)與工程學(xué)報， 2006， 25（1）： 3206-3211.

CHEN Xingye， YAN Donghuang， MA Xiaoyan. Similarity deduction of test model and numerical analysis of dynamical issues for cablestayed bridge ＼[J＼]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2006， 25（1）： 3206-3211.（In Chinese）

[4]張敏政. 地震模型試驗中相似律應(yīng)用的若干問題＼[J＼]. 地震工程與工程振動， 1997， 17（2）： 52-58.

ZHANG Minzheng. Study on similitude laws for shaking table tests ＼[J＼]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 1997， 17（2）： 52-58.（In Chinese）

[5]TIMOTHY Hasselman. Quantification of uncertainty in structural dynamic models＼[J＼]. Journal of Aerospace Engineering， 2001， 14（4）：158-165.

[6]張敏政， 孟慶利， 劉曉明. 建筑結(jié)構(gòu)的地震模擬試驗研究＼[J＼]. 工程抗震， 2003， 12（4）： 31-35.

ZHANG Minzheng， MENG Qingli， LIU Xiaoming. Earthquake simulation experimental research on building structure ＼[J＼].Erthquake Resistant Engineering，2003， 12（4）： 31-35.（In Chinese）

[7]ZHU Hongping，HAO Xingzhou. Comparison of analytical approaches to structural model updating using model test date＼[C＼]// Eavth Space 2006： Engineering， Construction， and Operations in Challenging Environment. Houston： American Society of Civil Engineers， 2006：1-8.

[8]HARRIS Harry G. Dynamic modeling of concrete structures ＼[M＼]. Detroit： American Concrete Institute， 1982.

[9]孟慶利， 黃思凝， 郭迅. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)小比例尺模型的相似性研究＼[J＼]. 世界地震工程， 2008， 24（4）： 1-6.

MENG Qingli， HUANG Sining， GUO Xun. Research on similarity of small scale reinforced concrete structural model ＼[J＼]. World Earthquake Engineering， 2008， 24（4）： 1-6.（In Chinese）

[10]GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范＼[S＼].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

GB 50010-2010Code for design of concrete structures ＼[S＼].Beijing： China Building Industry Press，2010.（In Chinese）