關于高強鋼筋混凝土結構設計的研究

摘 要：討論高強鋼筋混凝土結構設計中的鋼筋錨固長度和裂縫寬度控制等問題，對不同強度等級鋼筋的用量進行了分析和比較，得出了用400MPa級鋼筋代替335MPa級鋼筋用量可減少約10%、用500MPa級鋼筋代替335MPa級鋼筋用量可減少約20%的結論。

關鍵詞：高強鋼筋；鋼筋用量；錨固長度；裂縫寬度

1 概 述

鋼筋混凝土結構是我國工程建設中的主要結構形式之一，據統計2011年我國工程建設中鋼筋用量約為1.36億t。與發達國家相比，我國混凝土結構應用鋼筋的強度偏低，目前除北京、上海等直轄市和部分應用高強鋼筋較好的省區外，大部分中小城市建筑結構的受力鋼筋仍以335MPa級鋼筋為主，有必要提高混凝土結構所應用的鋼筋強度等級，以達到減少單位建筑面積的鋼筋用量、節材和節能減排的目的。

普通混凝土結構中應用的高強鋼筋是指強度級別為400MPa級及以上的鋼筋，目前在建筑工程規范標準中為400，500MPa級的熱軋帶肋鋼筋。在工程建設中推廣應用高強鋼筋不僅可優化我國的鋼筋品種、減少鋼筋用量，還可有效改善梁、柱節點鋼筋密集的現象，有利于混凝土澆筑，提高工程質量。近年來國內有關單位進行了較系統的高強鋼筋工程應用研究，并且在多個試點工程中應用，發布的《熱軋帶肋高強鋼筋在混凝土結構中應用技術導則》（RISN-TG007-2009）為推廣應用高強鋼筋積累了經驗。新修訂的《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）（簡稱混凝土規范）以及相關的配套設計規范中已明確將400，500MPa級鋼筋作為混凝土結構的主要受力鋼筋，以300MPa級等鋼筋作為輔助配筋，并規定了相應的材料性能指標和構造要求，為高強鋼筋混凝土結構的設計和工程應用提供了依據。

鋼筋強度提高后，對于按承載力計算配筋的構件可明顯減少鋼筋用量，但同時也使受力鋼筋的錨固長度增大，有可能給某些工程節點處的錨固構造設計帶來一定困難；高強鋼筋在正常使用極限狀態下的工作應力增大，裂縫寬度也相應增大，也有可能導致某些構件的鋼筋用量受裂縫寬度限值的控制；此外，混凝土結構中還配有相當數量的構造鋼筋，其用量也并非由鋼筋強度確定。因此在混凝土結構中推廣應用高強鋼筋并不是要求所有的鋼筋強度越高越好，而是應結合具體工程的結構形式和承載狀況合理選用400MPa級或500MPa級鋼筋作為受力主筋，以300MPa級（包括細直徑335MPa級熱軋帶肋鋼筋）等鋼筋作為構造等輔助配筋，做到不同強度等級鋼筋的科學合理應用，取得更好的效益。

2 高強鋼筋設計中錨固長度和裂縫寬度分析

2.1 錨固長度分析

混凝土規范規定受拉鋼筋的錨固長度應按下列公式確定：

從以上公式可以看出，鋼筋的強度越高，所需要的錨固長度就越大；抗震等級越高或鋼筋的直徑越大，所需的錨固長度也越大。當梁、柱邊節點或主、次梁交接處設計為剛節點時，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械錨固措施后，梁縱向受力鋼筋伸入節點的水平錨固長度仍需大于或等于0.4laE。

為當梁、柱節點處的混凝土強度等級為C30時，采用335，400，500MPa級鋼筋所需的水平錨固長度0.4laE的比較。335MPa級鋼筋在各級抗震等級下的水平錨固長度0.4laE均小于400mm，對于一般中、小型多層框架結構的邊柱（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現；當鋼筋的直徑不大于20mm時，水平錨固長度0.4laE一般不超過250mm，對于框架主、次梁節點處（主梁寬度一般為250～300）次梁受力鋼筋的錨固也較易處理。400MPa級鋼筋在各級抗震等級下當梁中鋼筋的直徑不大于25mm時，其水平錨固長度0.4laE也小于400mm，邊節點處梁中受力鋼筋在柱中的水平錨固長度也可實現；當次梁中受力鋼筋直徑不大于16mm時，水平錨固長度0.4laE不超過250mm，主、次梁節點處次梁受力鋼筋的錨固也能夠處理。500MPa級鋼筋因其抗拉強度較高，所需的水平錨固長度0.4laE也最大，當鋼筋直徑大于22mm后，500MPa級鋼筋的水平錨固長度接近或大于400mm，對于中、小型多層框架結構的邊柱節點，梁中受力鋼筋的水平錨固長度較難實現；當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、次梁節點處次梁受力鋼筋的錨固也造成一定困難。

為當梁、柱節點處的混凝土強度等級為C50時，采用335，400，500MPa級鋼筋所需的水平錨固長度0.4laE的比較。當混凝土強度等級提高到C50時，在各級抗震等級下500MPa級鋼筋在直徑大于25mm后，其所需的水平錨固長度0.4laE小于或接近400mm，當鋼筋在直徑不大于18mm時，水平錨固長度0.4laE小于或接近250mm，較容易滿足邊柱節點以及主次梁節點處受力鋼筋的錨固要求。

從以上分析和比較可以看出，當混凝土強度等級為C30時，400MPa級鋼筋在節點處的錨固長度較容易滿足要求，而500MPa級鋼筋在節點處的錨固長度較難滿足要求。由于C30混凝土多用于中、小型多層框架結構，因此這類結構宜采用400MPa級鋼筋作為受力主筋。當混凝土強度等級較高或梁柱截面尺寸較大時，500MPa級鋼筋的錨固長度才容易滿足要求，由于高強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件，在這類構件中采用500MPa級鋼筋，既可獲得更好的節材效果，節點的錨固設計也較容易處理。

2.2 裂縫寬度分析

混凝土規范第7.1.2條規定，鋼筋混凝土構件在荷載效應準永久組合下并考慮長期效應影響計算的最大裂縫寬度不應超過規定的最大裂縫寬度限值wlim，最大裂縫寬度wmax應按下列公式計算：

2.2.1 梁裂縫寬度分析

從以上對400，500MPa級鋼筋的錨固長度和裂縫寬度的分析可以看出，對于中小型鋼筋混凝土結構，構件的截面尺寸不很大，混凝土強度等級多為C30或C40時，400MPa級鋼筋的錨固長度和裂縫限值均容易滿足要求；500MPa級鋼筋只有當混凝土強度較高或構件截面尺寸較大、配筋率也較大時，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件。

3 結 論

（1）對于中小型鋼筋混凝土結構，400MPa級鋼筋的錨固長度和裂縫限值均容易滿足要求，這類結構中宜采用400MPa級鋼筋作為受力主筋。500MPa級鋼筋只有當混凝土強度較高或構件截面尺寸較大、配筋率也較大時，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構或構件。

（2）采用400，500MPa級高強鋼筋替代335MPa級鋼筋后，對于不同類型的結構形式、不同類型的構件以及不同的抗震設防烈度，節約鋼筋的效果是不同的，但鋼筋總用量的節材比率相差不大。采用400MPa級鋼筋代替335MPa級鋼筋的節材比率約為10%，采用500MPa級鋼筋代替335MPa級鋼筋的節材比率約為20%，采用500MPa級鋼筋代替400MPa級鋼筋后的節材比率也約為10%，即鋼筋強度提高一個級別，鋼筋用量減少約為10%。

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

參考文獻

[1]劉立新，杜朝華.500MPa級鋼筋混凝土柱受壓性能試驗研究[J].公路交通科技：應用技術版，2011（10）.

[2]RISN-TG007-2009熱軋帶肋高強鋼筋在混凝土結構中應用技術導則[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]GB50010-2010混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

作者簡介：徐星，男，高級工程師，大本，主要從事結構設計及企業管理工作。