關(guān)于高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

摘 要：討論高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的鋼筋錨固長度和裂縫寬度控制等問題，對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)鋼筋的用量進(jìn)行了分析和比較，得出了用400MPa級(jí)鋼筋代替335MPa級(jí)鋼筋用量可減少約10%、用500MPa級(jí)鋼筋代替335MPa級(jí)鋼筋用量可減少約20%的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼筋；鋼筋用量；錨固長度；裂縫寬度

1 概 述

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是我國工程建設(shè)中的主要結(jié)構(gòu)形式之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)2011年我國工程建設(shè)中鋼筋用量約為1.36億t。與發(fā)達(dá)國家相比，我國混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用鋼筋的強(qiáng)度偏低，目前除北京、上海等直轄市和部分應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋較好的省區(qū)外，大部分中小城市建筑結(jié)構(gòu)的受力鋼筋仍以335MPa級(jí)鋼筋為主，有必要提高混凝土結(jié)構(gòu)所應(yīng)用的鋼筋強(qiáng)度等級(jí)，以達(dá)到減少單位建筑面積的鋼筋用量、節(jié)材和節(jié)能減排的目的。

普通混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的高強(qiáng)鋼筋是指強(qiáng)度級(jí)別為400MPa級(jí)及以上的鋼筋，目前在建筑工程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中為400，500MPa級(jí)的熱軋帶肋鋼筋。在工程建設(shè)中推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋不僅可優(yōu)化我國的鋼筋品種、減少鋼筋用量，還可有效改善梁、柱節(jié)點(diǎn)鋼筋密集的現(xiàn)象，有利于混凝土澆筑，提高工程質(zhì)量。近年來國內(nèi)有關(guān)單位進(jìn)行了較系統(tǒng)的高強(qiáng)鋼筋工程應(yīng)用研究，并且在多個(gè)試點(diǎn)工程中應(yīng)用，發(fā)布的《熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》（RISN-TG007-2009）為推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋積累了經(jīng)驗(yàn)。新修訂的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）（簡(jiǎn)稱混凝土規(guī)范）以及相關(guān)的配套設(shè)計(jì)規(guī)范中已明確將400，500MPa級(jí)鋼筋作為混凝土結(jié)構(gòu)的主要受力鋼筋，以300MPa級(jí)等鋼筋作為輔助配筋，并規(guī)定了相應(yīng)的材料性能指標(biāo)和構(gòu)造要求，為高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了依據(jù)。

鋼筋強(qiáng)度提高后，對(duì)于按承載力計(jì)算配筋的構(gòu)件可明顯減少鋼筋用量，但同時(shí)也使受力鋼筋的錨固長度增大，有可能給某些工程節(jié)點(diǎn)處的錨固構(gòu)造設(shè)計(jì)帶來一定困難；高強(qiáng)鋼筋在正常使用極限狀態(tài)下的工作應(yīng)力增大，裂縫寬度也相應(yīng)增大，也有可能導(dǎo)致某些構(gòu)件的鋼筋用量受裂縫寬度限值的控制；此外，混凝土結(jié)構(gòu)中還配有相當(dāng)數(shù)量的構(gòu)造鋼筋，其用量也并非由鋼筋強(qiáng)度確定。因此在混凝土結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋并不是要求所有的鋼筋強(qiáng)度越高越好，而是應(yīng)結(jié)合具體工程的結(jié)構(gòu)形式和承載狀況合理選用400MPa級(jí)或500MPa級(jí)鋼筋作為受力主筋，以300MPa級(jí)（包括細(xì)直徑335MPa級(jí)熱軋帶肋鋼筋）等鋼筋作為構(gòu)造等輔助配筋，做到不同強(qiáng)度等級(jí)鋼筋的科學(xué)合理應(yīng)用，取得更好的效益。

2 高強(qiáng)鋼筋設(shè)計(jì)中錨固長度和裂縫寬度分析

2.1 錨固長度分析

混凝土規(guī)范規(guī)定受拉鋼筋的錨固長度應(yīng)按下列公式確定：

從以上公式可以看出，鋼筋的強(qiáng)度越高，所需要的錨固長度就越大；抗震等級(jí)越高或鋼筋的直徑越大，所需的錨固長度也越大。當(dāng)梁、柱邊節(jié)點(diǎn)或主、次梁交接處設(shè)計(jì)為剛節(jié)點(diǎn)時(shí)，為保證受拉鋼筋的錨固承載力和錨固剛度，采用鋼筋彎折或加焊錨板等機(jī)械錨固措施后，梁縱向受力鋼筋伸入節(jié)點(diǎn)的水平錨固長度仍需大于或等于0.4laE。

為當(dāng)梁、柱節(jié)點(diǎn)處的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30時(shí)，采用335，400，500MPa級(jí)鋼筋所需的水平錨固長度0.4laE的比較。335MPa級(jí)鋼筋在各級(jí)抗震等級(jí)下的水平錨固長度0.4laE均小于400mm，對(duì)于一般中、小型多層框架結(jié)構(gòu)的邊柱（柱截面尺寸為400×400），梁受力鋼筋在柱中的水平錨固長度較容易實(shí)現(xiàn)；當(dāng)鋼筋的直徑不大于20mm時(shí)，水平錨固長度0.4laE一般不超過250mm，對(duì)于框架主、次梁節(jié)點(diǎn)處（主梁寬度一般為250～300）次梁受力鋼筋的錨固也較易處理。400MPa級(jí)鋼筋在各級(jí)抗震等級(jí)下當(dāng)梁中鋼筋的直徑不大于25mm時(shí)，其水平錨固長度0.4laE也小于400mm，邊節(jié)點(diǎn)處梁中受力鋼筋在柱中的水平錨固長度也可實(shí)現(xiàn)；當(dāng)次梁中受力鋼筋直徑不大于16mm時(shí)，水平錨固長度0.4laE不超過250mm，主、次梁節(jié)點(diǎn)處次梁受力鋼筋的錨固也能夠處理。500MPa級(jí)鋼筋因其抗拉強(qiáng)度較高，所需的水平錨固長度0.4laE也最大，當(dāng)鋼筋直徑大于22mm后，500MPa級(jí)鋼筋的水平錨固長度接近或大于400mm，對(duì)于中、小型多層框架結(jié)構(gòu)的邊柱節(jié)點(diǎn)，梁中受力鋼筋的水平錨固長度較難實(shí)現(xiàn)；當(dāng)次梁中受力鋼筋直徑大于14mm后，水平錨固長度0.4laE也超過了250mm，給主、次梁節(jié)點(diǎn)處次梁受力鋼筋的錨固也造成一定困難。

為當(dāng)梁、柱節(jié)點(diǎn)處的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50時(shí)，采用335，400，500MPa級(jí)鋼筋所需的水平錨固長度0.4laE的比較。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高到C50時(shí)，在各級(jí)抗震等級(jí)下500MPa級(jí)鋼筋在直徑大于25mm后，其所需的水平錨固長度0.4laE小于或接近400mm，當(dāng)鋼筋在直徑不大于18mm時(shí)，水平錨固長度0.4laE小于或接近250mm，較容易滿足邊柱節(jié)點(diǎn)以及主次梁節(jié)點(diǎn)處受力鋼筋的錨固要求。

從以上分析和比較可以看出，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30時(shí)，400MPa級(jí)鋼筋在節(jié)點(diǎn)處的錨固長度較容易滿足要求，而500MPa級(jí)鋼筋在節(jié)點(diǎn)處的錨固長度較難滿足要求。由于C30混凝土多用于中、小型多層框架結(jié)構(gòu)，因此這類結(jié)構(gòu)宜采用400MPa級(jí)鋼筋作為受力主筋。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高或梁柱截面尺寸較大時(shí)，500MPa級(jí)鋼筋的錨固長度才容易滿足要求，由于高強(qiáng)度混凝土或較大梁柱截面尺寸多用于高層建筑的下部或需要較大承載力的構(gòu)件，在這類構(gòu)件中采用500MPa級(jí)鋼筋，既可獲得更好的節(jié)材效果，節(jié)點(diǎn)的錨固設(shè)計(jì)也較容易處理。

2.2 裂縫寬度分析

混凝土規(guī)范第7.1.2條規(guī)定，鋼筋混凝土構(gòu)件在荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合下并考慮長期效應(yīng)影響計(jì)算的最大裂縫寬度不應(yīng)超過規(guī)定的最大裂縫寬度限值wlim，最大裂縫寬度wmax應(yīng)按下列公式計(jì)算：

2.2.1 梁裂縫寬度分析

從以上對(duì)400，500MPa級(jí)鋼筋的錨固長度和裂縫寬度的分析可以看出，對(duì)于中小型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的截面尺寸不很大，混凝土強(qiáng)度等級(jí)多為C30或C40時(shí)，400MPa級(jí)鋼筋的錨固長度和裂縫限值均容易滿足要求；500MPa級(jí)鋼筋只有當(dāng)混凝土強(qiáng)度較高或構(gòu)件截面尺寸較大、配筋率也較大時(shí)，錨固長度和裂縫限值才容易滿足要求，適用于需要較大承載力的構(gòu)件。

3 結(jié) 論

（1）對(duì)于中小型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，400MPa級(jí)鋼筋的錨固長度和裂縫限值均容易滿足要求，這類結(jié)構(gòu)中宜采用400MPa級(jí)鋼筋作為受力主筋。500MPa級(jí)鋼筋只有當(dāng)混凝土強(qiáng)度較高或構(gòu)件截面尺寸較大、配筋率也較大時(shí)，錨固長度和裂縫限值才容易滿足要求，適用于需要較大承載力的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。

（2）采用400，500MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋替代335MPa級(jí)鋼筋后，對(duì)于不同類型的結(jié)構(gòu)形式、不同類型的構(gòu)件以及不同的抗震設(shè)防烈度，節(jié)約鋼筋的效果是不同的，但鋼筋總用量的節(jié)材比率相差不大。采用400MPa級(jí)鋼筋代替335MPa級(jí)鋼筋的節(jié)材比率約為10%，采用500MPa級(jí)鋼筋代替335MPa級(jí)鋼筋的節(jié)材比率約為20%，采用500MPa級(jí)鋼筋代替400MPa級(jí)鋼筋后的節(jié)材比率也約為10%，即鋼筋強(qiáng)度提高一個(gè)級(jí)別，鋼筋用量減少約為10%。

（3）高強(qiáng)鋼筋用于梁與柱的縱向受力鋼筋，大開間樓板、基礎(chǔ)厚板以及高層剪力墻的受力鋼筋時(shí)節(jié)材效果顯著；而用于構(gòu)造等輔助鋼筋時(shí)，節(jié)省鋼筋的效果并不明顯；用500MPa級(jí)鋼筋代替400MPa級(jí)鋼筋進(jìn)行受剪（或受沖切）承載力計(jì)算時(shí)，箍筋的用量并不能減少。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：徐星，男，高級(jí)工程師，大本，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及企業(yè)管理工作。