提高混凝土強度對鋼筋混凝土框架結構的影響

錢麗霞

(中國石化集團寧波工程有限公司，浙江寧波 315103)

鋼筋混凝土框架結構因具有平面布置靈活，使用空間大，延性較好，取材容易等優點，在各行各業得到廣泛應用。然而，在鋼筋混凝土框架結構施工過程中，有些施工單位采用提高框架上部結構混凝土強度等級，使得混凝土強度提前達到設計強度承受荷載，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度和模板支撐系統共同承受施工荷載，可以保證安全。但是，對于鋼筋混凝土框架結構在使用階段受力將會產生很大影響。因此，針對混凝土強度提高之后對鋼筋混凝土框架結構帶來的影響因素進行分析。

1 混凝土強度等級

混凝土是由水泥、骨料和水按適當比例配合，拌合制成混合物經一定時間后硬化而成的人造石料。混凝土的強度主要有抗壓、抗折、抗拉、抗剪強度等。在鋼筋混凝土結構中，混凝土主要用來抵抗壓力，同時考慮到混凝土抗壓強度試驗簡單易行，抗壓強度是最主要最常用的強度指標。

在實際工程中，受壓、受剪、受彎或者受拉等情況會對鋼筋混凝土的結構造成破壞，這主要是由于受力過程中所產生的主拉應力而造成的。

一般情況下，進行承載能力狀態計算時，混凝土強度等級采用抗壓及抗拉強度設計值(見表1);進行正常使用狀態驗算時，混凝土強度等級采用抗壓及抗拉強度標準值(見表2)。標準值除以分項系數1.4等于設計值。

表1 混凝土軸心抗壓(fc)、軸心抗拉(ft)強度設計值 N/mm2

表2 混凝土軸心抗壓(fck)、軸心抗拉(ftk)強度標準值 N/mm2

表1和表2分別所示的是我國GB 50010-2010混凝土結構設計規范混凝土軸心抗壓、軸心抗拉強度設計值和標準值，由表1，表2可知，當混凝土強度等級從C15增加到C80后，混凝土結構的抗壓強度設計值fc隨之由7.2 N/mm2提高至35.9 N/mm2，變化顯著;混凝土結構的抗拉強度設計值也隨之由0.91 N/mm2提高到2.22 N/mm2，但改變很小。

由此可見，對于受壓構件，提高混凝土強度等級能夠有較好的效果產生，對于受拉構件，若一味提高混凝土強度等級并不能很大程度地提高其抗拉效果，只會增加混凝土結構的造價，通常它可通過配筋率來實現抗拉強度的提高。因此，為了充分利用混凝土抗壓強度，節約鋼材，減小截面尺寸，受壓構件宜采用較高強度等級的混凝土，一般柱中采用C20～C40或更高。對于梁板類受彎及其受剪等構件，提高其混凝土強度等級所能夠帶來的效果就遠遠比不上柱類。若盲目地提高梁板等相關構件的混凝土強度等級，會導致相關構件承載力的提高不明顯。

2 框架結構的受力

框架結構是由梁、板、柱等桿件剛接組成的空間體系。其特點是承受豎向荷載的能力強，承受水平荷載(如風荷載、水平地震作用等)的能力弱。框架結構的側向剛度較小，屬柔性體系，因而其高度受到限制。其抗側剛度主要取決于梁、柱及節點的抗彎能力和柱子的軸向剛度。框架下部的梁、柱彎矩大，層間位移也大，愈到上部層間變形愈小，整個結構呈現剪切型變形。

在豎向荷載作用下，框架結構的側移對其內力的影響較小。在梁線剛度大于柱線剛度的情況下，只要結構和荷載不是非常不對稱，則豎向荷載作用下框架結構的側移較小，對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本層橫梁及與之相連的上、下層柱的彎矩影響較大，對其他各層梁、柱的彎矩影響較小。

上述所指的內力不包括柱軸力，因為某層梁上的荷載對下部各層柱的軸力均有較大影響，不能忽略。

框架結構在水平荷載作用下，一般都可歸結為受節點水平力的作用，框架的每個節點除產生相對水平位移外，還產生轉角，由于越靠近底層框架所受層間剪力越大，故各節點的相對水平位移和轉角都具有越靠近底層越大的特點。柱上、下兩段彎曲方向相反，柱中一般都有一個反彎點。梁和柱的彎矩圖都是斜線，梁中也有一個反彎點。對于多、高層框架結構，可以認為柱的反彎點位置主要與柱兩端的約束剛度有關。而影響柱端約束剛度的主要因素，除了梁柱線剛度比外，還有結構總層數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

鋼筋混凝土框架結構中，柱為壓彎構件，梁、板為彎剪構件。梁、板、柱的混凝土通常采用不同的強度等級，從構件的受力特性、重要性和構件的安全等級方面來看，柱的混凝土強度等級自下而上逐漸降低，梁和板的混凝土強度等級相同，理論上這樣設計是合理的，但從實際操作時增加施工難度，容易造成施工質量問題。所以，在工程中柱混凝土強度等級較高，梁、板一般低于柱混凝土強度等級。

混凝土強度等級的選擇要滿足柱軸壓比的要求，同時又要滿足控制柱截面的要求，柱子采用較高強度等級的混凝土則成為一種必然。而對于以受彎為主的樓層梁板，過高的混凝土強度等級卻不必要且不適宜。混凝土框架結構的柱混凝土設計強度高于梁板的設計強度必然存在，而且隨著建筑物高度的增大，兩者的設計強度差距會越大，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構混凝土強度等級，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，下面就這些問題進行分析:

1)承載能力:對整體框架結構而言，若提高上部混凝土強度等級，使得整體鋼筋混凝土框架的受壓能力發生改變，上部承載力增大的同時，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，導致結構穩定性的降低，造成抗震能力差。對于梁板類受彎等構件，由于其配筋率較受壓等相關構件低，因而提高混凝土強度等級時必須慎重，這樣不僅不能很顯著地提高其抗拉強度，反而會導致工程原設計中所得的彎矩值發生改變，對工程整體框架結構無益。2)變形能力:強度等級不同的混凝土，有著相似的應力—應變曲線。一般來說，隨著軸心抗壓強度的提高，其相應的峰值應變也略有增加。曲線的上升段形狀都是相似的，但曲線的下降段形狀迥異。強度等級高的混凝土下降段頂部陡峭，應力急劇下降，其延性較差;強度等級低的混凝土下降段頂部平緩，應力緩慢下降，其延性較好。因此，使得上下部結構體系的變形能力不平衡。另外，梁板混凝土強度等級提高，使其易開裂，裂縫寬度也有影響。3)延性:延性好是指受彎構件在受拉鋼筋屈服之前不產生混凝土受剪或受壓的脆性破壞，受壓構件不產生受剪的脆性破壞。在原設計配筋和截面尺寸沒有改變的情況下，將上部結構混凝土強度提高，使其上部結構剛度增大，造成延性變差，減弱抗震能力。不滿足抗震設計中“強節點弱構件”“強柱弱梁”的延性要求。在地震作用下，框架結構不是良好的梁式側移延性體系，框架柱上下柱端首先出現塑性鉸，節點發生脆性破壞。

4 工程案例

某石化工程鋼筋混凝土框架結構，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10.0×5.0電梯間至頂層。立面布置共七層，各層標高分別為9.00，17.00，23.00，31.00，38.00，45.70，49.30，總高度 49.30 m，在17.00處縮進縱向8.0 m 跨，在38.00處縮進縱向10.0×2 m跨，在45.70處縮進縱向10.0 m跨。抗震設防烈度7度，地震分組一組，基本地震加速度值0.10g，建筑場地類別Ⅱ類。混凝土標號采用:全柱為C35，各層梁板為C30。

在框架的標高45.7 m層上坐落主要設備，施工期間為了在這個設備到現場之前完成本層框架的施工，使得這個設備直接吊裝就位。為此，施工單位加快施工速度，擅自將六層以上混凝土標號改為C60。他們首先從材料著手，設計合理的混凝土配合比并加入適當的摻加劑。其次在混凝土澆筑后做好養護措施，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、風吹、干燥等自然因素的影響而出現超出正常范圍的收縮、裂縫等現象，使得高強度混凝土初期強度增長很快。據現場實測2 d可達到C35的強度，7 d可達到C50的強度。若按正常情況采用原設計混凝土等級，當地10月份氣溫已在20℃以下，已低于混凝土養護的最佳溫度(22℃以上)，需要至少4周才可達到設計強度。可見，采用這種方法確實能使工期提前約半個多月，保證了施工進度。

雖然在當時特殊的情況下，從施工角度看:解決了工期實際問題，但從設計角度看:對框架結構帶來的影響要引起重視。1)導致整體抗壓強度的不均衡，上部強度和剛度增大較多，對結構的抗壓強度及其穩定性帶來了不良影響。2)上部剛度增大，使結構延性減小，對抗震不利。3)短期內強度會達到要求，但彈性模量可能達不到設計要求，將嚴重影響結構的耐久性等等。

總之，采用提高混凝土強度加快工期，對結構有很多方面的影響，需要從理論上進一步分析研究。在實踐中對工程實例觀察分析，長期密切關注它的承載力、變形及裂縫發展情況。

5 結語

綜上分析可見，采用提高混凝土強度等級的方法，達到加快工期的目的，由于要考慮鋼筋混凝土整體框架結構是否會發生較大程度的改變，若改變對于結構及其質量的影響較小，可適當地對結構的某構件或部分進行混凝土強度等級的調整;否則，它不是好的辦法。

應該尋求既不影響框架結構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:加強模板支撐系統，根據計算可適當縮短各層拆模時間;2)可使用早強劑，選用快硬、早強水泥，同時控制好摻入量，保證混凝土的耐久性;3)從設計階段考慮選用高強混凝土，但要考慮成本增加因素。使用高強、輕質、耐久的混凝土是未來發展的方向。

[1]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[2]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[3]GB 50009-2001，建筑結構荷載規范(2006年版)[S].