关于高强钢筋混凝土结构设计的研究

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摘 要：讨论高强钢筋混凝土结构设计中的钢筋锚固长度和裂缝宽度控制等问题，对不同强度等级钢筋的用量进行了分析和比较，得出了用400MPa级钢筋代替335MPa级钢筋用量可减少约10%、用500MPa级钢筋代替335MPa级钢筋用量可减少约20%的结论。

关键词：高强钢筋；钢筋用量；锚固长度；裂缝宽度

1 概 述

钢筋混凝土结构是我国工程建设中的主要结构形式之一，据统计2011年我国工程建设中钢筋用量约为1.36亿t。与发达国家相比，我国混凝土结构应用钢筋的强度偏低，目前除北京、上海等直辖市和部分应用高强钢筋较好的省区外，大部分中小城市建筑结构的受力钢筋仍以335MPa级钢筋为主，有必要提高混凝土结构所应用的钢筋强度等级，以达到减少单位建筑面积的钢筋用量、节材和节能减排的目的。

普通混凝土结构中应用的高强钢筋是指强度级别为400MPa级及以上的钢筋，目前在建筑工程规范标准中为400，500MPa级的热轧带肋钢筋。在工程建设中推广应用高强钢筋不仅可优化我国的钢筋品种、减少钢筋用量，还可有效改善梁、柱节点钢筋密集的现象，有利于混凝土浇筑，提高工程质量。近年来国内有关单位进行了较系统的高强钢筋工程应用研究，并且在多个试点工程中应用，的《热轧带肋高强钢筋在混凝土结构中应用技术导则》（RISN-TG007-2009）为推广应用高强钢筋积累了经验。新修订的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（简称混凝土规范）以及相关的配套设计规范中已明确将400，500MPa级钢筋作为混凝土结构的主要受力钢筋，以300MPa级等钢筋作为辅助配筋，并规定了相应的材料性能指标和构造要求，为高强钢筋混凝土结构的设计和工程应用提供了依据。

钢筋强度提高后，对于按承载力计算配筋的构件可明显减少钢筋用量，但同时也使受力钢筋的锚固长度增大，有可能给某些工程节点处的锚固构造设计带来一定困难；高强钢筋在正常使用极限状态下的工作应力增大，裂缝宽度也相应增大，也有可能导致某些构件的钢筋用量受裂缝宽度限值的控制；此外，混凝土结构中还配有相当数量的构造钢筋，其用量也并非由钢筋强度确定。因此在混凝土结构中推广应用高强钢筋并不是要求所有的钢筋强度越高越好，而是应结合具体工程的结构形式和承载状况合理选用400MPa级或500MPa级钢筋作为受力主筋，以300MPa级（包括细直径335MPa级热轧带肋钢筋）等钢筋作为构造等辅助配筋，做到不同强度等级钢筋的科学合理应用，取得更好的效益。

2 高强钢筋设计中锚固长度和裂缝宽度分析

2.1 锚固长度分析

混凝土规范规定受拉钢筋的锚固长度应按下列公式确定：

从以上公式可以看出，钢筋的强度越高，所需要的锚固长度就越大；抗震等级越高或钢筋的直径越大，所需的锚固长度也越大。当梁、柱边节点或主、次梁交接处设计为刚节点时，为保证受拉钢筋的锚固承载力和锚固刚度，采用钢筋弯折或加焊锚板等机械锚固措施后，梁纵向受力钢筋伸入节点的水平锚固长度仍需大于或等于0.4laE。

为当梁、柱节点处的混凝土强度等级为C30时，采用335，400，500MPa级钢筋所需的水平锚固长度0.4laE的比较。335MPa级钢筋在各级抗震等级下的水平锚固长度0.4laE均小于400mm，对于一般中、小型多层框架结构的边柱（柱截面尺寸为400×400），梁受力钢筋在柱中的水平锚固长度较容易实现；当钢筋的直径不大于20mm时，水平锚固长度0.4laE一般不超过250mm，对于框架主、次梁节点处（主梁宽度一般为250～300）次梁受力钢筋的锚固也较易处理。400MPa级钢筋在各级抗震等级下当梁中钢筋的直径不大于25mm时，其水平锚固长度0.4laE也小于400mm，边节点处梁中受力钢筋在柱中的水平锚固长度也可实现；当次梁中受力钢筋直径不大于16mm时，水平锚固长度0.4laE不超过250mm，主、次梁节点处次梁受力钢筋的锚固也能够处理。500MPa级钢筋因其抗拉强度较高，所需的水平锚固长度0.4laE也最大，当钢筋直径大于22mm后，500MPa级钢筋的水平锚固长度接近或大于400mm，对于中、小型多层框架结构的边柱节点，梁中受力钢筋的水平锚固长度较难实现；当次梁中受力钢筋直径大于14mm后，水平锚固长度0.4laE也超过了250mm，给主、次梁节点处次梁受力钢筋的锚固也造成一定困难。

为当梁、柱节点处的混凝土强度等级为C50时，采用335，400，500MPa级钢筋所需的水平锚固长度0.4laE的比较。当混凝土强度等级提高到C50时，在各级抗震等级下500MPa级钢筋在直径大于25mm后，其所需的水平锚固长度0.4laE小于或接近400mm，当钢筋在直径不大于18mm时，水平锚固长度0.4laE小于或接近250mm，较容易满足边柱节点以及主次梁节点处受力钢筋的锚固要求。

从以上分析和比较可以看出，当混凝土强度等级为C30时，400MPa级钢筋在节点处的锚固长度较容易满足要求，而500MPa级钢筋在节点处的锚固长度较难满足要求。由于C30混凝土多用于中、小型多层框架结构，因此这类结构宜采用400MPa级钢筋作为受力主筋。当混凝土强度等级较高或梁柱截面尺寸较大时，500MPa级钢筋的锚固长度才容易满足要求，由于高强度混凝土或较大梁柱截面尺寸多用于高层建筑的下部或需要较大承载力的构件，在这类构件中采用500MPa级钢筋，既可获得更好的节材效果，节点的锚固设计也较容易处理。

2.2 裂缝宽度分析

混凝土规范第7.1.2条规定，钢筋混凝土构件在荷载效应准永久组合下并考虑长期效应影响计算的最大裂缝宽度不应超过规定的最大裂缝宽度限值wlim，最大裂缝宽度wmax应按下列公式计算：

2.2.1 梁裂缝宽度分析

从以上对400，500MPa级钢筋的锚固长度和裂缝宽度的分析可以看出，对于中小型钢筋混凝土结构，构件的截面尺寸不很大，混凝土强度等级多为C30或C40时，400MPa级钢筋的锚固长度和裂缝限值均容易满足要求；500MPa级钢筋只有当混凝土强度较高或构件截面尺寸较大、配筋率也较大时，锚固长度和裂缝限值才容易满足要求，适用于需要较大承载力的构件。

3 结 论

（1）对于中小型钢筋混凝土结构，400MPa级钢筋的锚固长度和裂缝限值均容易满足要求，这类结构中宜采用400MPa级钢筋作为受力主筋。500MPa级钢筋只有当混凝土强度较高或构件截面尺寸较大、配筋率也较大时，锚固长度和裂缝限值才容易满足要求，适用于需要较大承载力的结构或构件。

（2）采用400，500MPa级高强钢筋替代335MPa级钢筋后，对于不同类型的结构形式、不同类型的构件以及不同的抗震设防烈度，节约钢筋的效果是不同的，但钢筋总用量的节材比率相差不大。采用400MPa级钢筋代替335MPa级钢筋的节材比率约为10%，采用500MPa级钢筋代替335MPa级钢筋的节材比率约为20%，采用500MPa级钢筋代替400MPa级钢筋后的节材比率也约为10%，即钢筋强度提高一个级别，钢筋用量减少约为10%。

（3）高强钢筋用于梁与柱的纵向受力钢筋，大开间楼板、基础厚板以及高层剪力墙的受力钢筋时节材效果显著；而用于构造等辅助钢筋时，节省钢筋的效果并不明显；用500MPa级钢筋代替400MPa级钢筋进行受剪（或受冲切）承载力计算时，箍筋的用量并不能减少。

参考文献

[1]刘立新，杜朝华.500MPa级钢筋混凝土柱受压性能试验研究[J].公路交通科技：应用技术版，2011（10）.

[2]RISN-TG007-2009热轧带肋高强钢筋在混凝土结构中应用技术导则[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

作者简介：徐星，男，高级工程师，大本，主要从事结构设计及企业管理工作。