臨建工程用竹筋替代鋼筋的分析

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361021）

一、工程概況

甘肅省道208線從洛門鎮(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)制梁場總共有40m或20m，箱梁使用的臺座一共有12個，在布置龍門吊軌道的時候建設(shè)為東西方向，長度總共有460m。一共有121片箱梁，設(shè)置的預(yù)制箱梁數(shù)量較少，施工時間短。為減少過多的經(jīng)濟投入，造成資源浪費，決定采用竹筋。在預(yù)制臺座、龍門吊軌道基礎(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）報告的最終拉伸強度值為135N/mm2，彈性模量范圍從15833N/mm2到22843N/mm2。邵卓平在2003年實驗的時候發(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，主要有三個階段：彈性階段；屈服后弱線性強化階段；壓密強化階段。在這種情況下，材料的抗變形的能力會增加得較為迅速，此時會處于冪強化階段。李霞鎮(zhèn)在《毛竹材力學(xué)及破壞特性研究》中發(fā)現(xiàn)竹子的彎曲強度及彎曲彈性模量會受到其他因素影響的結(jié)論，所以表現(xiàn)出不同的強度，最小的彎曲壓應(yīng)力只有65MPa,最大的橫紋抗彎強度可達(dá)到1157MPa,不同竹齡下竹材的抗彎強度在128.0MPa～179.1MPa之間，抗彎彈性模量為8.55GPa～10.95GPa。

（二）竹子強度特性

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

（三）竹子的力學(xué)分析

1.空心圓截面的強度分析

表1 竹子的各種力學(xué)強度（MPa）

（1）按照在化工設(shè)備機械中的彎曲強度理論，彎曲應(yīng)力是桿件強度的主要指標(biāo)。彎曲強度需要滿足。如果要增強桿件的強度，除了在安排受力的時候做到合理，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，相同截面積的實心桿的抗彎強度低于大空心圓截面桿；而且抗彎強度會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，其抗彎強度和重量相同的實心圓截面相比大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，這樣就無法充分發(fā)揮材料的性能。要是把實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度。

2.材料分布的強度分析

（1）因為在邊緣位置的正應(yīng)力最大，因此在布置優(yōu)質(zhì)材料的時候?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、竹肉和竹青三個部分。竹子表面有一層青色的叫竹青，是由抗拉強度比較高的纖維質(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)計工藝在竹筋中是使用最早技術(shù)之一，為了對竹筋混凝土梁的變形能力及承載能力進(jìn)行有效的研究，國內(nèi)外學(xué)者對輕質(zhì)或普通混凝土梁進(jìn)行了大量研究。在設(shè)計制作竹筋混凝土梁的過程中，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，并且混凝土強度越大，所有梁的承載力也會隨之增加，考慮到承載力方面和經(jīng)濟方面選用竹筋鋼筋箍筋的混凝土梁是一種比較經(jīng)濟的方式。

四、工程實例——龍門吊軌道計算

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

（一）計算說明

在選用預(yù)制梁場的時候可以選用門吊最大起重量為100t，跨度為30.5m。在選取龍門吊走行軌道基礎(chǔ)的時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)，選用的混凝土強度等級設(shè)置為C30。可以把P43的鐵路鋼軌當(dāng)做龍門吊走行鋼軌，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計的時候可以把基礎(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，在分析設(shè)計基礎(chǔ)的過程中可以按照彈性地基梁進(jìn)行。

（二）設(shè)計參數(shù)

1.設(shè)計荷載

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

圖1 100t龍門吊計算簡圖（cm）

圖2 100t龍門吊基礎(chǔ)斷面圖（cm）

圖3 100t龍門吊軌道基礎(chǔ)竹筋布置圖

2.材料性能指標(biāo)

(1)混凝土

C30混凝土：軸心抗壓強度17.3MPa；軸心抗拉強度1.73MPa。

(2)竹子

Ⅱ級鋼筋：300MPa；

順紋抗拉強度170MPa；

順紋抗壓強度：80MPa;

3.地基承載力

地基承載力平均值按 fak=250kPa計。

（三）龍門吊基礎(chǔ)計算

1.計算簡圖

在計算100t龍門吊的時候可以選用荷載較大的30.5m跨門吊。計算簡圖如圖1所示，輪壓按45°擴散角向基礎(chǔ)下部傳遞。

2.計算參數(shù)

基礎(chǔ)的寬度為1.2m，高度為0.7m。其截面如圖2所示。

3.地基承載力驗算

基礎(chǔ)對地基的均布荷載為:

基礎(chǔ)梁底處地基的平均壓力值為:

滿足要求。

4.龍門吊基礎(chǔ)梁的內(nèi)力計算

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

5.龍門吊基礎(chǔ)梁配筋計算

（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）斜截面抗剪計算。

混凝土抗剪：

箍筋按構(gòu)造配筋，選配Φ10@300。

6.翼板計算

翼板根部的彎矩：

根據(jù)翼板彎矩配筋：

五、施工工藝

以龍門吊軌道基礎(chǔ)施工工藝為例介紹。

基礎(chǔ)開挖，按照測量隊提供給的基礎(chǔ)標(biāo)高及地面標(biāo)高，采用挖機進(jìn)行基礎(chǔ)開槽，寬度按照設(shè)計圖紙寬度進(jìn)行開挖，開完成后，由試驗室人員測得地基承載力，不滿足要求后，采用小型振動機械進(jìn)行夯實，達(dá)到250kPa，才能滿足要求。本項目梁場所在地質(zhì)持力層為卵石土，承載力很高，開挖后，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)對竹筋進(jìn)行浸泡，保持竹筋濕潤，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，避免施工過程中，竹筋上浮。

圖4 龍門吊軌道基礎(chǔ)現(xiàn)場澆筑圖

混凝土澆筑時，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，及時用土工布覆蓋，并保持土工布濕潤。

六、竹筋與鋼筋經(jīng)濟性對比

該項目共計460m龍門吊軌道基礎(chǔ)，12個40.5m長的預(yù)制臺座，按照鋼筋保守設(shè)計進(jìn)行計算時，縱向鋼筋需要Φ12鋼筋15.348t。選用竹筋做縱向筋時，在實際建設(shè)過程中竹筋共計消耗4.722t。在現(xiàn)場實際施工過程中，竹筋的綁扎速度非常快，因為竹筋質(zhì)量輕，人工就可以搬運、布設(shè)，相對于鋼筋，節(jié)省了人工，同時也加快了綁扎速度。通過對比可知，竹筋的經(jīng)濟性比較顯著。