混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾個(gè)常見問題探討

【摘 要】 混凝土結(jié)構(gòu)是以混凝土為主要材料并根據(jù)需要配置鋼筋制成的結(jié)構(gòu)，是建筑工程應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。本文首先介紹了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，然后分析了鋼筋代換中的幾個(gè)具體問題，最后簡要談?wù)勪摻钆c構(gòu)件的承載能力問題。

【關(guān)鍵詞】 混凝土結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；鋼筋代換

混凝土結(jié)構(gòu)是建筑工程中廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在同一構(gòu)件中或是同一截面上，配置不同鋼種的鋼筋是經(jīng)常會(huì)遇到的；在施工中，由于鋼種不齊或鋼筋直徑不全，而必須進(jìn)行代換也是經(jīng)常會(huì)發(fā)生的。

一、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

在設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)鋼筋分普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋兩類。普通鋼筋系指用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋，如I級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)熱軋鋼筋等；預(yù)應(yīng)力鋼筋系指用以對(duì)構(gòu)件施加預(yù)加應(yīng)力的鋼筋，如碳素鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋、冷拔鋼絲以及冷拉II、Ⅲ、IV級(jí)鋼筋等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的要求和施工的可能，合理選擇其小之一或若干種鋼筋進(jìn)行配筋。

在設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)一個(gè)構(gòu)件中或—個(gè)截面上配置鋼筋的方式，可概括如下：（1）在一個(gè)構(gòu)件中的縱向鋼筋和箍筋通常會(huì)是兩個(gè)鋼種，除非縱向鋼筋和箍筋均選用I級(jí)或Ⅱ級(jí)鋼筋。（2）在一個(gè)構(gòu)件中或者說—個(gè)截面上的普通縱向受拉鋼筋與普通縱向受壓鋼筋可以是不同的鋼種，但通常構(gòu)件中常會(huì)選用一種鋼種，特別是在柱中。（3）在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋通常是兩個(gè)鋼種，但也可采用同一鋼種：當(dāng)受拉區(qū)部分鋼筋施加預(yù)應(yīng)力已能使構(gòu)件符合抗裂或裂縫寬度要求寸，則承載力計(jì)算所需的其余受托鋼筋允許采用非預(yù)應(yīng)力鋼筋；如非預(yù)應(yīng)力鋼筋采用與預(yù)應(yīng)力鋼筋同級(jí)的冷拉Ⅱ級(jí)或冷拉Ⅲ級(jí)鋼筋時(shí)，其截面面積不宜大于受拉鋼筋總截面面積的20%，如非預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Ⅲ級(jí)及Ⅲ級(jí)以下的熱軋鋼筋時(shí)，其截面面積可不受限制。（4）在鋼筋混凝土構(gòu)件中，受拉區(qū)或受壓區(qū)的縱向受力鋼筋，對(duì)于集中在兩對(duì)邊配筋時(shí)，一般不會(huì)選用兩個(gè)鋼種的鋼筋，而習(xí)慣干選用同一鋼種的鋼筋；對(duì)既有集中配筋又有腹部（均勻）配筋時(shí)，可能會(huì)選用兩個(gè)鋼種的鋼筋，當(dāng)然仍可選用同一鋼種的鋼筋。

如果符合上述概括的情況，就可直接按設(shè)計(jì)規(guī)范中具體給出的承載能力和正常使用極限狀態(tài)的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)構(gòu)件中配有不同種類的鋼筋時(shí)，每種鋼筋根據(jù)其受力情況應(yīng)采用各自的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值或根據(jù)計(jì)算確定各自的應(yīng)力值。在鋼筋混凝土構(gòu)件受拉區(qū)集中配置兩個(gè)鋼種的普通縱向受力鋼筋是否允許？因?yàn)樵O(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，在截面受拉區(qū)內(nèi)配置有不同種類或不同預(yù)應(yīng)力值的鋼筋的受彎構(gòu)件，其相對(duì)界限受壓區(qū)高度應(yīng)分別計(jì)算，并取其較小值。當(dāng)采用上述混合配筋于受拉區(qū)時(shí)，對(duì)以平截面假定為基礎(chǔ)的正截面承載力計(jì)算不存在困難。

二、鋼筋代換中的幾個(gè)具體問題

施工單位作鋼筋代換，實(shí)質(zhì)上是一次再設(shè)計(jì)，除非設(shè)計(jì)單位提供內(nèi)力設(shè)計(jì)值等有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，一般只能根據(jù)構(gòu)件或截面承載力相等或大于原設(shè)計(jì)的承載力作為代換的基本原則，同時(shí)，尚應(yīng)驗(yàn)算正常使用極限狀態(tài)的有關(guān)要求，以及滿足相應(yīng)的構(gòu)造措施和施工條件等。

通過計(jì)算確定鋼筋代換常遇到的情況有：同鋼種條件下的鋼筋直徑代換，它只反映在鋼筋根數(shù)的變化上；不同鋼種鋼筋的代換，它包括全部代換或部分代換，它也反映在鋼筋直徑和根數(shù)的變化上。有時(shí)，還會(huì)影響到鋼筋合力點(diǎn)的位置。

1、按承載力代換

通常在設(shè)計(jì)圖紙上給出的實(shí)配鋼筋量會(huì)略大于理論計(jì)算的配筋量，如果能知道理論計(jì)算的配筋量，在代換中可望能達(dá)到節(jié)省一些鋼筋的目的，但在實(shí)際中難以獲得。施工單位只能根據(jù)圖紙中的構(gòu)件及其截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、實(shí)際配筋等來進(jìn)行代換。

在按按正截面承載力代換時(shí)，代換后的受拉區(qū)或受壓區(qū)鋼筋合力點(diǎn)應(yīng)力求與原設(shè)計(jì)的相重合，且應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范規(guī)定的混凝土保護(hù)層厚度、鋼筋上下左右的間距等要求；對(duì)抗震設(shè)防的構(gòu)件，應(yīng)避免在框架梁端和柱端的鋼筋代換中超配鋼筋，以確保“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)柱弱梁”的要求；代換后鋼筋根數(shù)和布置的變化，會(huì)影響箍筋的配置，特別是抗震要求的箍筋加密區(qū)，應(yīng)子以足夠的重視；對(duì)配置彎起鋼筋時(shí)，代換縱向受力鋼筋也將對(duì)其產(chǎn)生影響。

在按斜截面受剪承載力代換中應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：①原設(shè)計(jì)中箍筋間距或直徑在構(gòu)件中改變的位置形成幾個(gè)區(qū)段，它是為了適應(yīng)剪力設(shè)計(jì)值變化而采取受剪承載力設(shè)計(jì)值包絡(luò)圖而形成的，在代換中應(yīng)作相應(yīng)的考慮；②在構(gòu)件的一個(gè)區(qū)段內(nèi)，同時(shí)有箍筋和彎起鋼筋時(shí)，可否在代換中取消彎起鋼筋而全部由箍筋來承擔(dān)，從理論上}井是可能的，在設(shè)計(jì)規(guī)范中指出，承受剪力的鋼筋宜優(yōu)先采用箍筋。但是，設(shè)計(jì)者如果對(duì)設(shè)置彎起鋼筋有專門考慮時(shí)，施工單位應(yīng)尊重設(shè)計(jì)單位的意見；③不論是靜力或抗震設(shè)計(jì)，箍筋和彎起鋼筋的超配代換對(duì)結(jié)構(gòu)總是有利的。

2、鋼筋代換后的正常使用性能驗(yàn)算與剛度驗(yàn)算

鋼筋混凝土構(gòu)件的縱向受力鋼筋按正截面承載力代換后，還應(yīng)對(duì)縱向受拉鋼筋應(yīng)力、裂縫寬度、剛度等性能進(jìn)行驗(yàn)算，以達(dá)到原設(shè)計(jì)的要求。如果能獲得設(shè)計(jì)時(shí)采用的荷載短期效應(yīng)組合的彎矩值時(shí)，即可按設(shè)計(jì)規(guī)范公式計(jì)算鋼筋應(yīng)力；在不能獲得時(shí)，可按設(shè)計(jì)圖紙的截面尺寸、材料強(qiáng)度和鋼筋截面面積求得正截面承載力后確定。用強(qiáng)度級(jí)別較高的鋼筋來代換強(qiáng)度級(jí)別較低的鋼筋時(shí)，鋼筋截面面積將會(huì)由最大裂縫寬度確定，除非原設(shè)計(jì)留有較多的裕度。應(yīng)當(dāng)指出，滿足等剛度的鋼筋代換是一個(gè)穩(wěn)妥的辦法，因?yàn)檫@里未考慮對(duì)構(gòu)件撓度起決定性作用的構(gòu)件跨高比影響，當(dāng)設(shè)計(jì)者選擇的跨高比較小時(shí)，可不必考慮鋼筋代換的構(gòu)件撓度驗(yàn)算。

三、鋼筋與構(gòu)件的承載能力

一個(gè)鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力與它的混凝土強(qiáng)度、鋼筋的強(qiáng)度和數(shù)量、構(gòu)件截面的幾何尺寸有關(guān)。如典型受彎構(gòu)件一一梁，在混凝土強(qiáng)度和幾何尺寸一定的情況下，提高鋼筋強(qiáng)度和增加鋼筋數(shù)量能提高構(gòu)件的承載能力。那么，是不是鋼筋配得越多，構(gòu)件的承載力就越高呢？下面就談?wù)勥@個(gè)問題。

梁根據(jù)某縱向受力鋼筋配置的多少，可分為少筋梁、適筋梁、超筋梁。這里僅以適筋梁和超筋梁作以比較。適筋梁意為梁中縱向受力筋配置適中，適筋梁的承載能力由下式確定：

MP=μRgbh02[（1-0.5μRg/Rw）]

式中：b為梁寬，h0為梁截面的有效高度，Rw為混凝土的彎曲抗壓強(qiáng)度，Rg為鋼筋強(qiáng)度，μ為鋼筋面積與截面有效面積（bh0）之比。從式中可以看出，當(dāng)梁中Rw，b，h0一定時(shí)，提高鋼筋數(shù)量（μ）和鋼筋強(qiáng)度（Rg）可提高M(jìn)P，但當(dāng)梁中鋼筋數(shù)量配置過多使μ（Rg/Rw）>0.55時(shí)，此時(shí)的梁被稱力超筋梁，其承載能力由MP=0.4Rwbh02求得。由此式可以看出，此時(shí)梁的承載力就與鋼筋數(shù)量的多少無關(guān)了，若再增加鋼筋的配置量無疑是一種浪費(fèi)，同時(shí)還將給建筑物帶來嚴(yán)重隱患。

適筋梁是指梁中鋼筋數(shù)量配置適中，所謂適中是指梁破壞前，受拉區(qū)縱向鋼筋光岡眼，經(jīng)一段塑性變形之后，受壓區(qū)混凝土壓碎，整個(gè)梁失去承載能力，也就是說適筋梁的破壞有一個(gè)明顯的預(yù)兆，并且破壞時(shí)，鋼筋和混凝土的強(qiáng)度都得到了充分發(fā)揮。超筋梁則相反，由于鋼筋配置得太多，所以它的破壞是在鋼筋尚未屈服前受壓區(qū)混凝上先壓碎，梁的破壞是無明顯預(yù)兆的脆性破壞，是很危險(xiǎn)的。因此，對(duì)一個(gè)梁來說，并不是鋼筋配置得越多，梁的承載能力越大，只有在保證梁為適筋梁的范圍內(nèi)配筋量增加，才會(huì)使梁的承載能力增加。

參考文獻(xiàn)

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