混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中幾個常見問題探討

【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)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定與設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，然后分析了鋼筋代換中的幾個具體問題，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；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)常會發(fā)生的。

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

在設(shè)計規(guī)范中，對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、Ⅱ級、Ⅲ級熱軋鋼筋等；預(yù)應(yīng)力鋼筋系指用以對構(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級鋼筋等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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)計規(guī)范中，對一個構(gòu)件中或—個截面上配置鋼筋的方式，可概括如下：（1）在一個構(gòu)件中的縱向鋼筋和箍筋通常會是兩個鋼種，除非縱向鋼筋和箍筋均選用I級或Ⅱ級鋼筋。（2）在一個構(gòu)件中或者說—個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)力鋼筋同級的冷拉Ⅱ級或冷拉Ⅲ級鋼筋時，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級及Ⅲ級以下的熱軋鋼筋時，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，對于集中在兩對邊配筋時，一般不會選用兩個鋼種的鋼筋，而習(xí)慣干選用同一鋼種的鋼筋；對既有集中配筋又有腹部（均勻）配筋時，可能會選用兩個鋼種的鋼筋，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)的計算方法進(jìn)行計算。對構(gòu)件中配有不同種類的鋼筋時，每種鋼筋根據(jù)其受力情況應(yīng)采用各自的強(qiáng)度設(shè)計值或根據(jù)計算確定各自的應(yīng)力值。在鋼筋混凝土構(gòu)件受拉區(qū)集中配置兩個鋼種的普通縱向受力鋼筋是否允許？因?yàn)樵O(shè)計規(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，其相對界限受壓區(qū)高度應(yīng)分別計算，并取其較小值。當(dāng)采用上述混合配筋于受拉區(qū)時，對以平截面假定為基礎(chǔ)的正截面承載力計算不存在困難。

二、鋼筋代換中的幾個具體問題

施工單位作鋼筋代換，實(shí)質(zhì)上是一次再設(shè)計，除非設(shè)計單位提供內(nèi)力設(shè)計值等有關(guān)設(shè)計參數(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)計的承載力作為代換的基本原則，同時，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，還會影響到鋼筋合力點(diǎn)的位置。

1、按承載力代換

通常在設(shè)計圖紙上給出的實(shí)配鋼筋量會略大于理論計算的配筋量，如果能知道理論計算的配筋量，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、實(shí)際配筋等來進(jìn)行代換。

在按按正截面承載力代換時，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)計的相重合，且應(yīng)符合設(shè)計規(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?！皬?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；對配置彎起鋼筋時，代換縱向受力鋼筋也將對其產(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)計中箍筋間距或直徑在構(gòu)件中改變的位置形成幾個區(qū)段，它是為了適應(yīng)剪力設(shè)計值變化而采取受剪承載力設(shè)計值包絡(luò)圖而形成的，在代換中應(yīng)作相應(yīng)的考慮；②在構(gòu)件的一個區(qū)段內(nèi)，同時有箍筋和彎起鋼筋時，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)計者如果對設(shè)置彎起鋼筋有專門考慮時，施工單位應(yīng)尊重設(shè)計單位的意見；③不論是靜力或抗震設(shè)計，箍筋和彎起鋼筋的超配代換對結(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)計的要求。如果能獲得設(shè)計時采用的荷載短期效應(yīng)組合的彎矩值時，即可按設(shè)計規(guī)范公式計算鋼筋應(yīng)力；在不能獲得時，可按設(shè)計圖紙的截面尺寸、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)度級別較高的鋼筋來代換強(qiáng)度級別較低的鋼筋時，鋼筋截面面積將會由最大裂縫寬度確定，除非原設(shè)計留有較多的裕度。應(yīng)當(dāng)指出，滿足等剛度的鋼筋代換是一個穩(wěn)妥的辦法，因?yàn)檫@里未考慮對構(gòu)件撓度起決定性作用的構(gòu)件跨高比影響，當(dāng)設(shè)計者選擇的跨高比較小時，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，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，此時的梁被稱力超筋梁，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，整個梁失去承載能力，也就是說適筋梁的破壞有一個明顯的預(yù)兆，并且破壞時，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，是很危險的。因此，對一個梁來說，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，才會使梁的承載能力增加。

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