临建工程用竹筋替代钢筋的分析

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361021）

一、工程概况

甘肃省道208线从洛门镇到水帘洞景区这一路段总共有预制箱梁121片，在此之中有85片40m箱梁，36片20m箱梁。建设的预制梁场总共有40m或20m，箱梁使用的台座一共有12个，在布置龙门吊轨道的时候建设为东西方向，长度总共有460m。一共有121片箱梁，设置的预制箱梁数量较少，施工时间短。为减少过多的经济投入，造成资源浪费，决定采用竹筋。在预制台座、龙门吊轨道基础、钢筋加工棚基础中，采用竹筋作为纵向筋，钢筋作为箍筋的一种施工技术。

二、竹子的性能研究

（一）竹子的力学特性

AKeju Falade（2001）报告的最终拉伸强度值为135N/mm2，弹性模量范围从15833N/mm2到22843N/mm2。邵卓平在2003年实验的时候发现，竹子在处于压缩大变形的状况下和钢筋的应力应变关系一致，主要有三个阶段：弹性阶段；屈服后弱线性强化阶段；压密强化阶段。在这种情况下，材料的抗变形的能力会增加得较为迅速，此时会处于幂强化阶段。李霞镇在《毛竹材力学及破坏特性研究》中发现竹子的弯曲强度及弯曲弹性模量会受到其他因素影响的结论，所以表现出不同的强度，最小的弯曲压应力只有65MPa,最大的横纹抗弯强度可达到1157MPa,不同竹龄下竹材的抗弯强度在128.0MPa～179.1MPa之间，抗弯弹性模量为8.55GPa～10.95GPa。

（二）竹子强度特性

和钢材比起来，竹子的重量比较轻，而且硬度相对较大。根据实验结果表明,竹材不易发生变形，韧性及弹性却很高，顺纹抗拉强度能够达到170MPa，顺纹抗压强度能够达到80MPa。尤其是刚竹，它的顺纹抗拉强度在最高的时候能够达到280MPa,这样的强度几乎能达到相同截面尺寸钢材的一半。即使钢材的抗拉强度是普通竹材的2.5倍～3倍，但是对抗拉能力按照按单位重量的方式计算，那么普通竹材会比钢材高2倍～3倍。

（三）竹子的力学分析

1.空心圆截面的强度分析

表1 竹子的各种力学强度（MPa）

（1）按照在化工设备机械中的弯曲强度理论，弯曲应力是杆件强度的主要指标。弯曲强度需要满足。如果要增强杆件的强度，除了在安排受力的时候做到合理，较小Mmax的数值外，还可以合理设置截面形状，尽可能地提升抗弯截面模量W的数值，提升材料的利用率。空心圆截面以及实心圆截面需要符合的抗弯截面模量分别为：

表2 竹子与其他材料比较

按照上面的理论，相同截面积的实心杆的抗弯强度低于大空心圆截面杆；而且抗弯强度会随着空心圆截面杆内、外直径的比值的增大而增加。比如，在=0.7的情况下，其抗弯强度和重量相同的实心圆截面相比大2倍。由于杆件在抗弯的情况下按照正应力规律能够发现正应力会随着杆截面上离中性轴的距离越远而增大，而且在中性轴附近应力的数值比较小，这样就无法充分发挥材料的性能。要是把实心圆截面变化为空心圆截面,也就是增加中性轴材和料移置之间的距离，就能极大地提升抗弯强度。

2.材料分布的强度分析

（1）因为在边缘位置的正应力最大，因此在布置优质材料的时候将其选于边缘位置是最好的布置方式，竹子就能达到这样的效果：竹壁从外向内，可以分成竹黄、竹肉和竹青三个部分。竹子表面有一层青色的叫竹青，是由抗拉强度比较高的纤维质构成。

（2）竹节可以在抗剪中起到关键作用。竹节能够把竹身分成区格，在区格的顶端能够提供良好的变形约束，这样也能有效提升竹子的抗剪能力。

三、竹筋混凝土的研究

竹筋混凝土梁的设计工艺在竹筋中是使用最早技术之一，为了对竹筋混凝土梁的变形能力及承载能力进行有效的研究，国内外学者对轻质或普通混凝土梁进行了大量研究。在设计制作竹筋混凝土梁的过程中，竹筋配筋率最好是梁截面面积的3%～4%，竹箍筋配筋率最好设置为混凝土梁箍筋面积的4倍。

2011年，Adom-Asamoah Markl等人对不同箍筋的竹筋混凝土梁的力学性能进行了研究。竹材使用的材料为毛竹，选用的混凝土为两种不同的配合比，截面尺寸选取为110mm×200mm×2000mm及110mm×135mm×1800mm两种，选用的箍筋变量为藤条箍筋、竹箍筋、钢筋箍筋及无箍筋四种形式。研究表明箍筋在选用钢筋的混凝土梁的情况下承载力最大，并且混凝土强度越大，所有梁的承载力也会随之增加，考虑到承载力方面和经济方面选用竹筋钢筋箍筋的混凝土梁是一种比较经济的方式。

四、工程实例——龙门吊轨道计算

下面以龙门吊轨道基础为例进行详细介绍，预制台座及钢筋加工棚基础方法与龙门吊轨道基础相同，不再赘述。

（一）计算说明

在选用预制梁场的时候可以选用门吊最大起重量为100t，跨度为30.5m。在选取龙门吊走行轨道基础的时候可以使用竹筋混凝土条形基础，可以把钢筋当做箍筋，把竹筋当做纵筋，可以把倒T形截面当做基础，选用的混凝土强度等级设置为C30。可以把P43的铁路钢轨当做龙门吊走行钢轨，在进行基础设计的时候可以把基础和轨道的共同受力作用排除在外，钢轨承载能力也可以忽略不计，在分析设计基础的过程中可以按照弹性地基梁进行。

（二）设计参数

1.设计荷载

本梁场龙门吊自重按80t考虑。按最不利工况满载85t计算轮压，由此可计算龙门吊行走台车最大轮压：。混凝土自重按25.0kN/m3计。

图1 100t龙门吊计算简图（cm）

图2 100t龙门吊基础断面图（cm）

图3 100t龙门吊轨道基础竹筋布置图

2.材料性能指标

(1)混凝土

C30混凝土：轴心抗压强度17.3MPa；轴心抗拉强度1.73MPa。

(2)竹子

Ⅱ级钢筋：300MPa；

顺纹抗拉强度170MPa；

顺纹抗压强度：80MPa;

3.地基承载力

地基承载力平均值按 fak=250kPa计。

（三）龙门吊基础计算

1.计算简图

在计算100t龙门吊的时候可以选用荷载较大的30.5m跨门吊。计算简图如图1所示，轮压按45°扩散角向基础下部传递。

2.计算参数

基础的宽度为1.2m，高度为0.7m。其截面如图2所示。

3.地基承载力验算

基础对地基的均布荷载为:

基础梁底处地基的平均压力值为:

满足要求。

4.龙门吊基础梁的内力计算

使用的地基是开挖地基，有着良好的承载力，能将其认定为刚性地基，龙门吊基础变形情况可以忽略，在计算时可以将其视为完全刚性基础计算。

5.龙门吊基础梁配筋计算

（1）正截面受弯承载力检算

因地基变形很小，纵向采用竹筋按构造配筋，配筋率为钢筋的4倍。

（2）斜截面抗剪计算。

混凝土抗剪：

箍筋按构造配筋，选配Φ10@300。

6.翼板计算

翼板根部的弯矩：

根据翼板弯矩配筋：

五、施工工艺

以龙门吊轨道基础施工工艺为例介绍。

基础开挖，按照测量队提供给的基础标高及地面标高，采用挖机进行基础开槽，宽度按照设计图纸宽度进行开挖，开完成后，由试验室人员测得地基承载力，不满足要求后，采用小型振动机械进行夯实，达到250kPa，才能满足要求。本项目梁场所在地质持力层为卵石土，承载力很高，开挖后，地基承载力都能达到250kPa。

钢筋笼绑扎，箍筋按照设计图纸进行加工，竹筋的搭接尺寸控制在1m，并用扎丝绑扎。竹筋在使用前，应对竹筋进行浸泡，保持竹筋湿润，避免竹筋在混凝土内部吸收水分，导致混凝土失水。竹筋按照间距布置与钢筋箍筋进行绑扎，上下两层分别绑扎，避免施工过程中，竹筋上浮。

图4 龙门吊轨道基础现场浇筑图

混凝土浇筑时，按照一定的厚度、顺序和方向分层浇筑。采用插入式振捣器，浇筑层厚度控制在300mm。

浇筑完成后，及时用土工布覆盖，并保持土工布湿润。

六、竹筋与钢筋经济性对比

该项目共计460m龙门吊轨道基础，12个40.5m长的预制台座，按照钢筋保守设计进行计算时，纵向钢筋需要Φ12钢筋15.348t。选用竹筋做纵向筋时，在实际建设过程中竹筋共计消耗4.722t。在现场实际施工过程中，竹筋的绑扎速度非常快，因为竹筋质量轻，人工就可以搬运、布设，相对于钢筋，节省了人工，同时也加快了绑扎速度。通过对比可知，竹筋的经济性比较显著。