提高混凝土強(qiáng)度對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的影響

錢麗霞

(中國(guó)石化集團(tuán)寧波工程有限公司，浙江寧波 315103)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)因具有平面布置靈活，使用空間大，延性較好，取材容易等優(yōu)點(diǎn)，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。然而，在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)施工過程中，有些施工單位采用提高框架上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，使得混凝土強(qiáng)度提前達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度承受荷載，從而滿足縮短工期的要求。這種做法雖然在施工期間，通過前期的混凝土強(qiáng)度和模板支撐系統(tǒng)共同承受施工荷載，可以保證安全。但是，對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在使用階段受力將會(huì)產(chǎn)生很大影響。因此，針對(duì)混凝土強(qiáng)度提高之后對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)帶來的影響因素進(jìn)行分析。

1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

混凝土是由水泥、骨料和水按適當(dāng)比例配合，拌合制成混合物經(jīng)一定時(shí)間后硬化而成的人造石料?；炷恋膹?qiáng)度主要有抗壓、抗折、抗拉、抗剪強(qiáng)度等。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土主要用來抵抗壓力，同時(shí)考慮到混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，抗壓強(qiáng)度是最主要最常用的強(qiáng)度指標(biāo)。

在實(shí)際工程中，受壓、受剪、受彎或者受拉等情況會(huì)對(duì)鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)造成破壞，這主要是由于受力過程中所產(chǎn)生的主拉應(yīng)力而造成的。

一般情況下，進(jìn)行承載能力狀態(tài)計(jì)算時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用抗壓及抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(見表1);進(jìn)行正常使用狀態(tài)驗(yàn)算時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用抗壓及抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(見表2)。標(biāo)準(zhǔn)值除以分項(xiàng)系數(shù)1.4等于設(shè)計(jì)值。

表1 混凝土軸心抗壓(fc)、軸心抗拉(ft)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 N/mm2

表2 混凝土軸心抗壓(fck)、軸心抗拉(ftk)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 N/mm2

表1和表2分別所示的是我國(guó)GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范混凝土軸心抗壓、軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和標(biāo)準(zhǔn)值，由表1，表2可知，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C15增加到C80后，混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc隨之由7.2 N/mm2提高至35.9 N/mm2，變化顯著;混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值也隨之由0.91 N/mm2提高到2.22 N/mm2，但改變很小。

由此可見，對(duì)于受壓構(gòu)件，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)能夠有較好的效果產(chǎn)生，對(duì)于受拉構(gòu)件，若一味提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)并不能很大程度地提高其抗拉效果，只會(huì)增加混凝土結(jié)構(gòu)的造價(jià)，通常它可通過配筋率來實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度的提高。因此，為了充分利用混凝土抗壓強(qiáng)度，節(jié)約鋼材，減小截面尺寸，受壓構(gòu)件宜采用較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，一般柱中采用C20～C40或更高。對(duì)于梁板類受彎及其受剪等構(gòu)件，提高其混凝土強(qiáng)度等級(jí)所能夠帶來的效果就遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上柱類。若盲目地提高梁板等相關(guān)構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)構(gòu)件承載力的提高不明顯。

2 框架結(jié)構(gòu)的受力

框架結(jié)構(gòu)是由梁、板、柱等桿件剛接組成的空間體系。其特點(diǎn)是承受豎向荷載的能力強(qiáng)，承受水平荷載(如風(fēng)荷載、水平地震作用等)的能力弱?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，屬柔性體系，因而其高度受到限制。其抗側(cè)剛度主要取決于梁、柱及節(jié)點(diǎn)的抗彎能力和柱子的軸向剛度?？蚣芟虏康牧?、柱彎矩大，層間位移也大，愈到上部層間變形愈小，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)剪切型變形。

在豎向荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移對(duì)其內(nèi)力的影響較小。在梁線剛度大于柱線剛度的情況下，只要結(jié)構(gòu)和荷載不是非常不對(duì)稱，則豎向荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移較小，對(duì)桿端彎矩的影響也較小。另外，框架各層橫梁上的豎向荷載只對(duì)本層橫梁及與之相連的上、下層柱的彎矩影響較大，對(duì)其他各層梁、柱的彎矩影響較小。

上述所指的內(nèi)力不包括柱軸力，因?yàn)槟硨恿荷系暮奢d對(duì)下部各層柱的軸力均有較大影響，不能忽略。

框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，一般都可歸結(jié)為受節(jié)點(diǎn)水平力的作用，框架的每個(gè)節(jié)點(diǎn)除產(chǎn)生相對(duì)水平位移外，還產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，由于越靠近底層框架所受層間剪力越大，故各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)水平位移和轉(zhuǎn)角都具有越靠近底層越大的特點(diǎn)。柱上、下兩段彎曲方向相反，柱中一般都有一個(gè)反彎點(diǎn)。梁和柱的彎矩圖都是斜線，梁中也有一個(gè)反彎點(diǎn)。對(duì)于多、高層框架結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為柱的反彎點(diǎn)位置主要與柱兩端的約束剛度有關(guān)。而影響柱端約束剛度的主要因素，除了梁柱線剛度比外，還有結(jié)構(gòu)總層數(shù)及該柱所在的樓層位置、上層與下層梁線剛度比、上下層層高變化以及作用于框架上的荷載形式等。

3 影響分析

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，柱為壓彎構(gòu)件，梁、板為彎剪構(gòu)件。梁、板、柱的混凝土通常采用不同的強(qiáng)度等級(jí)，從構(gòu)件的受力特性、重要性和構(gòu)件的安全等級(jí)方面來看，柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)自下而上逐漸降低，梁和板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同，理論上這樣設(shè)計(jì)是合理的，但從實(shí)際操作時(shí)增加施工難度，容易造成施工質(zhì)量問題。所以，在工程中柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高，梁、板一般低于柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選擇要滿足柱軸壓比的要求，同時(shí)又要滿足控制柱截面的要求，柱子采用較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土則成為一種必然。而對(duì)于以受彎為主的樓層梁板，過高的混凝土強(qiáng)度等級(jí)卻不必要且不適宜?；炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)的柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度高于梁板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度必然存在，而且隨著建筑物高度的增大，兩者的設(shè)計(jì)強(qiáng)度差距會(huì)越大，此外，需特別說明的是，這種情況主要存在于高層建筑的下部。

如果提高框架上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，除造成不必要的工程成本增加外，主要還帶來一些不利影響，下面就這些問題進(jìn)行分析:

1)承載能力:對(duì)整體框架結(jié)構(gòu)而言，若提高上部混凝土強(qiáng)度等級(jí)，使得整體鋼筋混凝土框架的受壓能力發(fā)生改變，上部承載力增大的同時(shí)，下部承載力并沒有隨之增大，柱的受壓能力下部小于上部，因而使得上下承載力體系不平衡。同時(shí)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的降低，造成抗震能力差。對(duì)于梁板類受彎等構(gòu)件，由于其配筋率較受壓等相關(guān)構(gòu)件低，因而提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)時(shí)必須慎重，這樣不僅不能很顯著地提高其抗拉強(qiáng)度，反而會(huì)導(dǎo)致工程原設(shè)計(jì)中所得的彎矩值發(fā)生改變，對(duì)工程整體框架結(jié)構(gòu)無益。2)變形能力:強(qiáng)度等級(jí)不同的混凝土，有著相似的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。一般來說，隨著軸心抗壓強(qiáng)度的提高，其相應(yīng)的峰值應(yīng)變也略有增加。曲線的上升段形狀都是相似的，但曲線的下降段形狀迥異。強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土下降段頂部陡峭，應(yīng)力急劇下降，其延性較差;強(qiáng)度等級(jí)低的混凝土下降段頂部平緩，應(yīng)力緩慢下降，其延性較好。因此，使得上下部結(jié)構(gòu)體系的變形能力不平衡。另外，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，使其易開裂，裂縫寬度也有影響。3)延性:延性好是指受彎構(gòu)件在受拉鋼筋屈服之前不產(chǎn)生混凝土受剪或受壓的脆性破壞，受壓構(gòu)件不產(chǎn)生受剪的脆性破壞。在原設(shè)計(jì)配筋和截面尺寸沒有改變的情況下，將上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度提高，使其上部結(jié)構(gòu)剛度增大，造成延性變差，減弱抗震能力。不滿足抗震設(shè)計(jì)中“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”“強(qiáng)柱弱梁”的延性要求。在地震作用下，框架結(jié)構(gòu)不是良好的梁式側(cè)移延性體系，框架柱上下柱端首先出現(xiàn)塑性鉸，節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞。

4 工程案例

某石化工程鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面布置為橫向兩跨分別為12.0 m，10.0 m，縱向四跨分別為 10.0 m × 3，8.0 m，邊跨設(shè)10.0×5.0電梯間至頂層。立面布置共七層，各層標(biāo)高分別為9.00，17.00，23.00，31.00，38.00，45.70，49.30，總高度 49.30 m，在17.00處縮進(jìn)縱向8.0 m 跨，在38.00處縮進(jìn)縱向10.0×2 m跨，在45.70處縮進(jìn)縱向10.0 m跨?？拐鹪O(shè)防烈度7度，地震分組一組，基本地震加速度值0.10g，建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類。混凝土標(biāo)號(hào)采用:全柱為C35，各層梁板為C30。

在框架的標(biāo)高45.7 m層上坐落主要設(shè)備，施工期間為了在這個(gè)設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)之前完成本層框架的施工，使得這個(gè)設(shè)備直接吊裝就位。為此，施工單位加快施工速度，擅自將六層以上混凝土標(biāo)號(hào)改為C60。他們首先從材料著手，設(shè)計(jì)合理的混凝土配合比并加入適當(dāng)?shù)膿郊觿Ｆ浯卧诨炷翝仓笞龊灭B(yǎng)護(hù)措施，一是使水泥得以充分水化的條件，加速混凝土硬化;二是防止混凝土成型后因日曬、風(fēng)吹、干燥等自然因素的影響而出現(xiàn)超出正常范圍的收縮、裂縫等現(xiàn)象，使得高強(qiáng)度混凝土初期強(qiáng)度增長(zhǎng)很快。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)2 d可達(dá)到C35的強(qiáng)度，7 d可達(dá)到C50的強(qiáng)度。若按正常情況采用原設(shè)計(jì)混凝土等級(jí)，當(dāng)?shù)?0月份氣溫已在20℃以下，已低于混凝土養(yǎng)護(hù)的最佳溫度(22℃以上)，需要至少4周才可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。可見，采用這種方法確實(shí)能使工期提前約半個(gè)多月，保證了施工進(jìn)度。

雖然在當(dāng)時(shí)特殊的情況下，從施工角度看:解決了工期實(shí)際問題，但從設(shè)計(jì)角度看:對(duì)框架結(jié)構(gòu)帶來的影響要引起重視。1)導(dǎo)致整體抗壓強(qiáng)度的不均衡，上部強(qiáng)度和剛度增大較多，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度及其穩(wěn)定性帶來了不良影響。2)上部剛度增大，使結(jié)構(gòu)延性減小，對(duì)抗震不利。3)短期內(nèi)強(qiáng)度會(huì)達(dá)到要求，但彈性模量可能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性等等。

總之，采用提高混凝土強(qiáng)度加快工期，對(duì)結(jié)構(gòu)有很多方面的影響，需要從理論上進(jìn)一步分析研究。在實(shí)踐中對(duì)工程實(shí)例觀察分析，長(zhǎng)期密切關(guān)注它的承載力、變形及裂縫發(fā)展情況。

5 結(jié)語

綜上分析可見，采用提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)的方法，達(dá)到加快工期的目的，由于要考慮鋼筋混凝土整體框架結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生較大程度的改變，若改變對(duì)于結(jié)構(gòu)及其質(zhì)量的影響較小，可適當(dāng)?shù)貙?duì)結(jié)構(gòu)的某構(gòu)件或部分進(jìn)行混凝土強(qiáng)度等級(jí)的調(diào)整;否則，它不是好的辦法。

應(yīng)該尋求既不影響框架結(jié)構(gòu)又能滿足縮短工期的其他途徑，建議考慮下列方法:1)從施工方案入手，例如:加強(qiáng)模板支撐系統(tǒng)，根據(jù)計(jì)算可適當(dāng)縮短各層拆模時(shí)間;2)可使用早強(qiáng)劑，選用快硬、早強(qiáng)水泥，同時(shí)控制好摻入量，保證混凝土的耐久性;3)從設(shè)計(jì)階段考慮選用高強(qiáng)混凝土，但要考慮成本增加因素。使用高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久的混凝土是未來發(fā)展的方向。

[1]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年版)[S].