保護(hù)層厚度對(duì)基礎(chǔ)梁配筋的影響研究

汪朝成

（中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司， 上海 200063）

0 引言

對(duì)于梁保護(hù)層厚度的取值，目前程序還不能分層定義，在基礎(chǔ)梁與框架梁整體建模計(jì)算時(shí)，一般都按上部框架梁的環(huán)境類(lèi)別選擇梁保護(hù)層厚度，通常取20～25mm。在實(shí)際工程中，基礎(chǔ)梁與地下土或水直接接觸，不少工程的基礎(chǔ)梁位于干濕交替或水位頻繁變動(dòng)等環(huán)境中，環(huán)境類(lèi)別通常為二b 類(lèi)；當(dāng)?shù)叵颅h(huán)境存在腐蝕性介質(zhì)時(shí)，環(huán)境類(lèi)別為五類(lèi)。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010（2015年版）第8.2.1 條規(guī)定〔1〕:梁內(nèi)縱向受力鋼筋的混凝土（不低于C30）最小保護(hù)層厚度在環(huán)境類(lèi)別為二 b 類(lèi)時(shí)不應(yīng)小于 35mm；《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50046-2018 第4.2.5 條規(guī)定〔2〕:梁內(nèi)受力鋼筋最小保護(hù)層厚度在中、弱腐蝕環(huán)境下，不應(yīng)小于35mm，在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下，不應(yīng)小于40mm。當(dāng)保護(hù)層厚度增大時(shí)，配筋量也將增大。因此，實(shí)際計(jì)算的基礎(chǔ)梁配筋是偏低的，有可能造成工程的安全隱患。因此，本文首先從理論上分析了保護(hù)層厚度對(duì)梁配筋的影響，并通過(guò)PKPM有限元分析軟件，對(duì)某框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)梁按不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)和保護(hù)層厚度進(jìn)行了定量計(jì)算與分析，并得出了相關(guān)結(jié)論，希望能為以后的工程設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 理論推導(dǎo)

由于基礎(chǔ)梁不受風(fēng)荷載和水平地震作用，并且沒(méi)有樓板約束，梁剛度也不增大。所以，基礎(chǔ)梁受到得內(nèi)力通常不是很大，配筋相對(duì)上部框架梁較小，梁內(nèi)受力鋼筋一般按單筋矩形截面（ζ＜ζb）計(jì)算。基本計(jì)算公式如下〔1〕:

其中as為單排鋼筋合力作用點(diǎn)到截面外緣的距離〔3〕。

現(xiàn)取兩種凈保護(hù)層厚度分別為cx、cy，且cx＜cy，則

在抵抗相同彎矩Mu的條件下，可推出下列關(guān)系式：

由以上3 個(gè)關(guān)系式可得：

令鋼筋用量增長(zhǎng)率為SP，則

因?yàn)閤y≤ζb·h0y，所以

SP 的取值范圍如下:

2 工程算例

某辦公樓為四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，層高為3.0m，8 度(0.2g)設(shè)防，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地；采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂標(biāo)高為-2.15，基礎(chǔ)梁頂標(biāo)高為±0.000。該辦公樓平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 平面布置圖

采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部編制的“SATWE”程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算〔3〕。基礎(chǔ)梁與框架梁按整體建模計(jì)算，底層樓板按全樓開(kāi)洞處理，不考慮基礎(chǔ)梁剛度增大系數(shù)和扭矩折減系數(shù)。考慮到地下實(shí)際環(huán)境類(lèi)別，對(duì)基礎(chǔ)梁采用不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土和保護(hù)層厚度分別進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果分析

表1～3分別為程序?qū)L1（250mm×600mm）、JL2（250mm×500mm）、JL3（250mm×400mm）在不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土和保護(hù)層厚度條件下的實(shí)際配筋計(jì)算值，并且考慮了承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE= 0.75。

表1 JL1的配筋（mm2）

表2 JL2 的配筋（mm2）

45 630.5 600.6 637.7 605.1 641.5 607.2 50638.7608.3645.9612.8649.6614.9

表3 JL3 的配筋（mm2）

取上部框架梁保護(hù)層厚度25mm 作為基準(zhǔn)保護(hù)層厚度，在保護(hù)層厚度逐漸增大的條件下，JL1、JL2、JL3 的受力鋼筋用量增長(zhǎng)率范圍按上述推導(dǎo)公式進(jìn)行計(jì)算，如表4；實(shí)際計(jì)算配筋用量增長(zhǎng)率如表5。

表4 受力鋼筋用量增長(zhǎng)率范圍

表5 實(shí)際計(jì)算配筋用量增長(zhǎng)率

2.根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010（2016 年版）第6.3.3 條〔4〕，計(jì)入受壓鋼筋的梁端混凝土受壓區(qū)高度和有效高度之比，二級(jí)抗震等級(jí)不應(yīng)大于0.35，即ζb= 0.35。

通過(guò)表1～5 可發(fā)現(xiàn):（1）隨著保護(hù)層厚度的增大，實(shí)際配筋用量也在不斷增大，但增長(zhǎng)率均處在理論限值的范圍內(nèi)；（2）對(duì)同一部位的基礎(chǔ)梁，隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，其配筋量也相應(yīng)增大（因?yàn)榛炷翉?qiáng)度等級(jí)提高，其彈性模量增大〔1〕，使構(gòu)件剛度也增大，所以受到的內(nèi)力也相應(yīng)增大），但在相同保護(hù)層厚度條件下其配筋量的增長(zhǎng)率隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)增大而相對(duì)減小；（3）在同一截面、同一混凝土強(qiáng)度等級(jí)條件下，配筋量的增長(zhǎng)率隨實(shí)際計(jì)算配筋值的增大而增大；（4）隨著梁截面高度的減小，配筋量隨保護(hù)層厚度增大的增幅比較顯著。

實(shí)際上，程序最終給出的配筋簡(jiǎn)圖中，各構(gòu)件的配筋值并不都是實(shí)際計(jì)算值。程序采用取整法給出，對(duì)于縱筋，單位為100mm2（如計(jì)算配筋值大于300mm2，小于400mm2時(shí)，配筋圖中取400mm2）；對(duì)箍筋，其單位為10mm2（如計(jì)算配筋值大于40mm2，小于50mm2時(shí)，配筋圖中取50mm2）。可見(jiàn)，配筋圖中的配筋值大都比實(shí)際計(jì)算值要大，而且增長(zhǎng)率與實(shí)際計(jì)算配筋值的大小有關(guān)。當(dāng)實(shí)際計(jì)算配筋值越小，增長(zhǎng)率的上限值越大（如實(shí)際計(jì)算配筋值小于1000 mm2時(shí)，增長(zhǎng)率的上限值大于10%）；反之，增長(zhǎng)率的上限值越小（如實(shí)際計(jì)算配筋值大于1000 mm2時(shí)，增長(zhǎng)率的上限值小于10%）。所以，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，考慮保護(hù)層厚度對(duì)配筋的影響時(shí)，也不應(yīng)忽視程序?qū)?shí)際配筋值的取整放大作用。

4 結(jié)論

（1）保護(hù)層厚度增大，配筋量也相應(yīng)增大，但增長(zhǎng)率SP 基本上在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，即SPbot＜SP＜SPtop。

（2）隨保護(hù)層厚度的增大，配筋量增長(zhǎng)率還與混凝土強(qiáng)度等級(jí)、構(gòu)件實(shí)際計(jì)算配筋值及梁高有關(guān)。混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高時(shí)，增幅相對(duì)放緩；構(gòu)件實(shí)際計(jì)算配筋值較大時(shí)，增幅相對(duì)增大；梁高較小時(shí)，增幅將顯著增大。

（3）在整體建模計(jì)算時(shí)，對(duì)于基礎(chǔ)梁保護(hù)層厚度相對(duì)較小（不大于35mm）、梁高截面較大（不小于400mm）以及基礎(chǔ)梁實(shí)際計(jì)算配筋值較小（小于1000 mm2）的情況下，保護(hù)層厚度對(duì)基礎(chǔ)梁配筋的影響較小（增長(zhǎng)率在5%以內(nèi)），基礎(chǔ)梁配筋可按上部框架梁保護(hù)層厚度計(jì)算；對(duì)于基礎(chǔ)梁保護(hù)層厚度較大（不小于40mm），梁高截面較小（小于400mm）及基礎(chǔ)梁實(shí)際計(jì)算配筋值普遍較大（大于1000 mm2）時(shí)，基礎(chǔ)梁配筋宜按基礎(chǔ)梁保護(hù)層厚度進(jìn)行計(jì)算。