鋼筋混凝土構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，確定了模型試驗中模型構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，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.

關鍵詞：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，結構試驗的對象大多是實際結構的模型.對于工程結構中的構件或結構的某一局部，如梁、柱、板、墻，有可能進行足尺的結構試驗.但對于整體結構，除進行結構現場加載試驗外，受設備能力和經濟條件的限制，實驗室條件下的結構試驗大多為縮尺的結構模型試驗.

模型是根據相似原理，用適當的比例尺和相似材料制成的與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構的實際工作.鋼筋混凝土結構的模型試驗常采用強度模型試驗，強度模型研究原型結構受力全過程性能，重點是破壞形態和極限承載力，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計中，材料與原型結構相同，截面幾何尺寸與原型對應成比例.因而，模型的配筋面積也與原型對應成比例，即模型的配筋率與原型一致.這看似理所應當，但卻未經過嚴格地證明.并且，模型構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，若將模型構件的混凝土保護層厚度按比例設計得太小，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：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，誤差減小；在極限軸力使分母接近0時，誤差將被大幅放大.而偏壓構件破壞時的軸力大小與受彎狀態有關，故不同的 M，N 組合成不同的極限狀態，產生的誤差不同，難以定量分析.因保護層厚度在某些情況下會對試驗結果產生很大影響，故建議嚴格按比例設計模型，或者在設計模型時對誤差進行詳細分析.

5結論

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

1） 在鋼筋混凝土構件強度模型試驗中，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生誤差，所以可以根據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倍比例系數即cm≤ 2 c/γ，此時誤差可以控制在10%以內；

4）鋼筋混凝土柱在大偏心受壓時，因保護層厚度取值而產生的誤差隨構件極限狀態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，否則在模型設計時應對誤差進行詳細分析.

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