臨建工程用竹筋替代鋼筋的分析

（中交一公局廈門(mén)工程有限公司，福建 廈門(mén) 361021）

一、工程概況

甘肅省道208線從洛門(mén)鎮(zhèn)到水簾洞景區(qū)這一路段總共有預(yù)制箱梁121片，在此之中有85片40m箱梁，36片20m箱梁。建設(shè)的預(yù)制梁場(chǎng)總共有40m或20m，箱梁使用的臺(tái)座一共有12個(gè)，在布置龍門(mén)吊軌道的時(shí)候建設(shè)為東西方向，長(zhǎng)度總共有460m。一共有121片箱梁，設(shè)置的預(yù)制箱梁數(shù)量較少，施工時(shí)間短。為減少過(guò)多的經(jīng)濟(jì)投入，造成資源浪費(fèi)，決定采用竹筋。在預(yù)制臺(tái)座、龍門(mén)吊軌道基礎(chǔ)、鋼筋加工棚基礎(chǔ)中，采用竹筋作為縱向筋，鋼筋作為箍筋的一種施工技術(shù)。

二、竹子的性能研究

（一）竹子的力學(xué)特性

AKeju Falade（2001）報(bào)告的最終拉伸強(qiáng)度值為135N/mm2，彈性模量范圍從15833N/mm2到22843N/mm2。邵卓平在2003年實(shí)驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，竹子在處于壓縮大變形的狀況下和鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系一致，主要有三個(gè)階段：彈性階段；屈服后弱線性強(qiáng)化階段；壓密強(qiáng)化階段。在這種情況下，材料的抗變形的能力會(huì)增加得較為迅速，此時(shí)會(huì)處于冪強(qiáng)化階段。李霞鎮(zhèn)在《毛竹材力學(xué)及破壞特性研究》中發(fā)現(xiàn)竹子的彎曲強(qiáng)度及彎曲彈性模量會(huì)受到其他因素影響的結(jié)論，所以表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度，最小的彎曲壓應(yīng)力只有65MPa,最大的橫紋抗彎強(qiáng)度可達(dá)到1157MPa,不同竹齡下竹材的抗彎強(qiáng)度在128.0MPa～179.1MPa之間，抗彎彈性模量為8.55GPa～10.95GPa。

（二）竹子強(qiáng)度特性

和鋼材比起來(lái)，竹子的重量比較輕，而且硬度相對(duì)較大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,竹材不易發(fā)生變形，韌性及彈性卻很高，順紋抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到170MPa，順紋抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到80MPa。尤其是剛竹，它的順紋抗拉強(qiáng)度在最高的時(shí)候能夠達(dá)到280MPa,這樣的強(qiáng)度幾乎能達(dá)到相同截面尺寸鋼材的一半。即使鋼材的抗拉強(qiáng)度是普通竹材的2.5倍～3倍，但是對(duì)抗拉能力按照按單位重量的方式計(jì)算，那么普通竹材會(huì)比鋼材高2倍～3倍。

（三）竹子的力學(xué)分析

1.空心圓截面的強(qiáng)度分析

表1 竹子的各種力學(xué)強(qiáng)度（MPa）

（1）按照在化工設(shè)備機(jī)械中的彎曲強(qiáng)度理論，彎曲應(yīng)力是桿件強(qiáng)度的主要指標(biāo)。彎曲強(qiáng)度需要滿足。如果要增強(qiáng)桿件的強(qiáng)度，除了在安排受力的時(shí)候做到合理，較小Mmax的數(shù)值外，還可以合理設(shè)置截面形狀，盡可能地提升抗彎截面模量W的數(shù)值，提升材料的利用率。空心圓截面以及實(shí)心圓截面需要符合的抗彎截面模量分別為：

表2 竹子與其他材料比較

按照上面的理論，相同截面積的實(shí)心桿的抗彎強(qiáng)度低于大空心圓截面桿；而且抗彎強(qiáng)度會(huì)隨著空心圓截面桿內(nèi)、外直徑的比值的增大而增加。比如，在=0.7的情況下，其抗彎強(qiáng)度和重量相同的實(shí)心圓截面相比大2倍。由于桿件在抗彎的情況下按照正應(yīng)力規(guī)律能夠發(fā)現(xiàn)正應(yīng)力會(huì)隨著桿截面上離中性軸的距離越遠(yuǎn)而增大，而且在中性軸附近應(yīng)力的數(shù)值比較小，這樣就無(wú)法充分發(fā)揮材料的性能。要是把實(shí)心圓截面變化為空心圓截面,也就是增加中性軸材和料移置之間的距離，就能極大地提升抗彎強(qiáng)度。

2.材料分布的強(qiáng)度分析

（1）因?yàn)樵谶吘壩恢玫恼龖?yīng)力最大，因此在布置優(yōu)質(zhì)材料的時(shí)候?qū)⑵溥x于邊緣位置是最好的布置方式，竹子就能達(dá)到這樣的效果：竹壁從外向內(nèi)，可以分成竹黃、竹肉和竹青三個(gè)部分。竹子表面有一層青色的叫竹青，是由抗拉強(qiáng)度比較高的纖維質(zhì)構(gòu)成。

（2）竹節(jié)可以在抗剪中起到關(guān)鍵作用。竹節(jié)能夠把竹身分成區(qū)格，在區(qū)格的頂端能夠提供良好的變形約束，這樣也能有效提升竹子的抗剪能力。

三、竹筋混凝土的研究

竹筋混凝土梁的設(shè)計(jì)工藝在竹筋中是使用最早技術(shù)之一，為了對(duì)竹筋混凝土梁的變形能力及承載能力進(jìn)行有效的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輕質(zhì)或普通混凝土梁進(jìn)行了大量研究。在設(shè)計(jì)制作竹筋混凝土梁的過(guò)程中，竹筋配筋率最好是梁截面面積的3%～4%，竹箍筋配筋率最好設(shè)置為混凝土梁箍筋面積的4倍。

2011年，Adom-Asamoah Markl等人對(duì)不同箍筋的竹筋混凝土梁的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。竹材使用的材料為毛竹，選用的混凝土為兩種不同的配合比，截面尺寸選取為110mm×200mm×2000mm及110mm×135mm×1800mm兩種，選用的箍筋變量為藤條箍筋、竹箍筋、鋼筋箍筋及無(wú)箍筋四種形式。研究表明箍筋在選用鋼筋的混凝土梁的情況下承載力最大，并且混凝土強(qiáng)度越大，所有梁的承載力也會(huì)隨之增加，考慮到承載力方面和經(jīng)濟(jì)方面選用竹筋鋼筋箍筋的混凝土梁是一種比較經(jīng)濟(jì)的方式。

四、工程實(shí)例——龍門(mén)吊軌道計(jì)算

下面以龍門(mén)吊軌道基礎(chǔ)為例進(jìn)行詳細(xì)介紹，預(yù)制臺(tái)座及鋼筋加工棚基礎(chǔ)方法與龍門(mén)吊軌道基礎(chǔ)相同，不再贅述。

（一）計(jì)算說(shuō)明

在選用預(yù)制梁場(chǎng)的時(shí)候可以選用門(mén)吊最大起重量為100t，跨度為30.5m。在選取龍門(mén)吊走行軌道基礎(chǔ)的時(shí)候可以使用竹筋混凝土條形基礎(chǔ)，可以把鋼筋當(dāng)做箍筋，把竹筋當(dāng)做縱筋，可以把倒T形截面當(dāng)做基礎(chǔ)，選用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)置為C30。可以把P43的鐵路鋼軌當(dāng)做龍門(mén)吊走行鋼軌，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的時(shí)候可以把基礎(chǔ)和軌道的共同受力作用排除在外，鋼軌承載能力也可以忽略不計(jì)，在分析設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的過(guò)程中可以按照彈性地基梁進(jìn)行。

（二）設(shè)計(jì)參數(shù)

1.設(shè)計(jì)荷載

本梁場(chǎng)龍門(mén)吊自重按80t考慮。按最不利工況滿載85t計(jì)算輪壓，由此可計(jì)算龍門(mén)吊行走臺(tái)車最大輪壓：。混凝土自重按25.0kN/m3計(jì)。

圖1 100t龍門(mén)吊計(jì)算簡(jiǎn)圖（cm）

圖2 100t龍門(mén)吊基礎(chǔ)斷面圖（cm）

圖3 100t龍門(mén)吊軌道基礎(chǔ)竹筋布置圖

2.材料性能指標(biāo)

(1)混凝土

C30混凝土：軸心抗壓強(qiáng)度17.3MPa；軸心抗拉強(qiáng)度1.73MPa。

(2)竹子

Ⅱ級(jí)鋼筋：300MPa；

順紋抗拉強(qiáng)度170MPa；

順紋抗壓強(qiáng)度：80MPa;

3.地基承載力

地基承載力平均值按 fak=250kPa計(jì)。

（三）龍門(mén)吊基礎(chǔ)計(jì)算

1.計(jì)算簡(jiǎn)圖

在計(jì)算100t龍門(mén)吊的時(shí)候可以選用荷載較大的30.5m跨門(mén)吊。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示，輪壓按45°擴(kuò)散角向基礎(chǔ)下部傳遞。

2.計(jì)算參數(shù)

基礎(chǔ)的寬度為1.2m，高度為0.7m。其截面如圖2所示。

3.地基承載力驗(yàn)算

基礎(chǔ)對(duì)地基的均布荷載為:

基礎(chǔ)梁底處地基的平均壓力值為:

滿足要求。

4.龍門(mén)吊基礎(chǔ)梁的內(nèi)力計(jì)算

使用的地基是開(kāi)挖地基，有著良好的承載力，能將其認(rèn)定為剛性地基，龍門(mén)吊基礎(chǔ)變形情況可以忽略，在計(jì)算時(shí)可以將其視為完全剛性基礎(chǔ)計(jì)算。

5.龍門(mén)吊基礎(chǔ)梁配筋計(jì)算

（1）正截面受彎承載力檢算

因地基變形很小，縱向采用竹筋按構(gòu)造配筋，配筋率為鋼筋的4倍。

（2）斜截面抗剪計(jì)算。

混凝土抗剪：

箍筋按構(gòu)造配筋，選配Φ10@300。

6.翼板計(jì)算

翼板根部的彎矩：

根據(jù)翼板彎矩配筋：

五、施工工藝

以龍門(mén)吊軌道基礎(chǔ)施工工藝為例介紹。

基礎(chǔ)開(kāi)挖，按照測(cè)量隊(duì)提供給的基礎(chǔ)標(biāo)高及地面標(biāo)高，采用挖機(jī)進(jìn)行基礎(chǔ)開(kāi)槽，寬度按照設(shè)計(jì)圖紙寬度進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)完成后，由試驗(yàn)室人員測(cè)得地基承載力，不滿足要求后，采用小型振動(dòng)機(jī)械進(jìn)行夯實(shí)，達(dá)到250kPa，才能滿足要求。本項(xiàng)目梁場(chǎng)所在地質(zhì)持力層為卵石土，承載力很高，開(kāi)挖后，地基承載力都能達(dá)到250kPa。

鋼筋籠綁扎，箍筋按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加工，竹筋的搭接尺寸控制在1m，并用扎絲綁扎。竹筋在使用前，應(yīng)對(duì)竹筋進(jìn)行浸泡，保持竹筋濕潤(rùn)，避免竹筋在混凝土內(nèi)部吸收水分，導(dǎo)致混凝土失水。竹筋按照間距布置與鋼筋箍筋進(jìn)行綁扎，上下兩層分別綁扎，避免施工過(guò)程中，竹筋上浮。

圖4 龍門(mén)吊軌道基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)澆筑圖

混凝土澆筑時(shí)，按照一定的厚度、順序和方向分層澆筑。采用插入式振搗器，澆筑層厚度控制在300mm。

澆筑完成后，及時(shí)用土工布覆蓋，并保持土工布濕潤(rùn)。

六、竹筋與鋼筋經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

該項(xiàng)目共計(jì)460m龍門(mén)吊軌道基礎(chǔ)，12個(gè)40.5m長(zhǎng)的預(yù)制臺(tái)座，按照鋼筋保守設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，縱向鋼筋需要Φ12鋼筋15.348t。選用竹筋做縱向筋時(shí)，在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中竹筋共計(jì)消耗4.722t。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，竹筋的綁扎速度非常快，因?yàn)橹窠钯|(zhì)量輕，人工就可以搬運(yùn)、布設(shè)，相對(duì)于鋼筋，節(jié)省了人工，同時(shí)也加快了綁扎速度。通過(guò)對(duì)比可知，竹筋的經(jīng)濟(jì)性比較顯著。