鋼筋混凝土受彎受壓構(gòu)件及預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件最小配筋百分率的說明和看法

1、鋼筋混凝土受彎受壓構(gòu)件及預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件最小配筋百分率的說明和看法自從公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范( JTG D62-2004)頒布以后 ,有同志提出第9章關(guān)于縱向鋼筋配筋百分率是怎么定出來的的問題 ;也有同志提出像簡支梁端部彎矩很小 ,是否也要符合最小配筋百分率 ;根據(jù)不同構(gòu)件 ,為什么規(guī)定不同的受彎構(gòu)件配筋百分率 ,而且懸殊頗大。像鐵路沉井最小配筋百分率原為 0.1(配筋率為 0.1% ) ,1985年后改為 0.05( 0.05% ) ;公路沉井則為何一直保持0.1( 0.1% )。又如 JTG D62-2004規(guī)范對受彎鋼筋配筋百分率為 45ftd/fsd且不小 0.2

2、,與國家標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范( GB 50010-2002)不謀而合 ,是如何趨于一致的。GB50010-2002還規(guī)定對臥置于地基上的混凝土板 ,最小配筋百分率可降為 0.15。由于現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定數(shù)值不一 ,而且隨某些特殊構(gòu)件有不同規(guī)定 ,難免引起讀者在使用過程中有所思考。下面就有關(guān)構(gòu)件的最小配筋百分率做出說明。1受彎構(gòu)件鋼筋混凝土是復(fù)合材料 ,其中混凝土延性差 ,而且在受拉區(qū) ,抗拉能力很低 ;鋼筋則在受拉區(qū)具有較好的抗拉能力和良好的延性。鋼筋在拉斷之前還有屈服段、強(qiáng)化段等大幅度的伸長變形 ,其均勻伸長率可達(dá) 10% ,使結(jié)構(gòu)不致于脆性破壞 ,而具有明顯的破壞征兆。在受拉區(qū) ,混凝土和鋼筋

3、都具有抗拉能力 , 但前者遠(yuǎn)低于后者。 19 85年公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范( JTJ023-85)第 6.2.15條條文說明 :“對于受彎構(gòu)件的最小配筋率 ,是根據(jù)混凝土梁所能承擔(dān)的彎矩 ,與截面尺寸相同的配置最小配筋率的鋼筋混凝土梁所能承擔(dān)的彎矩相等而確定的”19 85年鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范( TBJ2-85)第 5.3.2條條文說明 :“對于最小配筋率的要求是按混凝土梁由抗拉極限強(qiáng)度能承受的彎矩與最小配筋率的鋼筋混凝土梁所能承受彎矩相等制定 ,并給予一定的安全儲備”美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范荷載與抗力系數(shù)設(shè)計法( AASHTO LRED)第一版 ( 19 9 4)第 5.7.3.3

4、.2條稱 :“除非另有規(guī)定 ,在彎曲構(gòu)件的任何截面 ,預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力鋼筋的總量應(yīng)足以發(fā)揮一個乘有系數(shù)抗彎力 Mr,該值應(yīng)至少根據(jù)第 5.4.2.6條規(guī)定的混凝土的彈性應(yīng)力分布和彎折模量 fr 求出的開裂強(qiáng)度的 1.2倍”上述彎折模量fr 即我國抗彎曲受拉強(qiáng)度ftk見 JTG D62-2004規(guī)范公式 ( 6.5.2-2) 。美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范( AASHTO) 14版第 8.17.1.1條也有同樣規(guī)定。按 20 0 4規(guī)范計算的最小配筋百分率 ,大于 1975年、1985年計算的最小配筋百分率 ,其原因為 :( 1)2004年計算式中混凝土截面考慮了安全儲備 (系數(shù)1.2) ;( 2)按參

5、考文獻(xiàn) 6第 5節(jié)所述 ,“從本質(zhì)上說 ,最小配筋率的確定 ,不完全是技術(shù)問題 ,還反映了某一地區(qū)和時代的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平 ,因而具有一定的社會性和政策性”我國目前鋼產(chǎn)量已為上世紀(jì) 70年代的 10倍以上 ,適當(dāng)提高最小配筋百分率也是必要的。歷年各中外規(guī)范的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件最小配筋百分率見表 3?？箯潣?gòu)件最小配筋百分率 ,說的是作為鋼筋混凝土構(gòu)件 ,應(yīng)具備規(guī)定的最小配筋率 ,否則其抗彎承載力將小于作為混凝土構(gòu)件抗彎承載力 ,那就沒有“資格”稱為鋼筋混凝土構(gòu)件了。這樣是為避免一些低配筋的鋼筋混凝土構(gòu)件 ,用鋼筋混凝土構(gòu)件計算 ,其承載力反而會小于不設(shè)鋼筋 (或僅設(shè)構(gòu)造鋼筋 ,以下同 )的混凝土構(gòu)件

6、計算的承載力 ;換言之 ,既然作為鋼筋混凝土構(gòu)件 ,最小配筋率就要夠“格”。鋼筋混凝土構(gòu)件受彎過程是 :開始時不開裂 ,截面混凝土承拉 ,此時鋼筋只承受按彈性模量分配得的少量拉力 ,其余由未開裂的混凝土承拉。待彎矩逐漸增大 ,混凝土開裂退出承拉 ,此時拉力將由鋼筋來全部承擔(dān) ,按鋼筋混凝土構(gòu)件計算承彎。這是鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的兩個階段。后一階段鋼筋混凝土梁的最低需要配筋率即最小配筋率。在表 3內(nèi) ,有 4本規(guī)范不規(guī)定最小配筋百分率 ;還有 2002年建筑規(guī)范和公路、鐵路規(guī)范對地基板和沉井的最小配筋百分率予以降低 ,這實際上是越過上述第一階段 ,直接按第二階段計算。這樣未始不可。不過 ,這樣做對

7、于厚板低筋 ,例如像 19 85 2005鐵路沉井 ,或許按鐵路規(guī)范只到第一階段就夠了 ,達(dá)不到第二階段 ,即承載能力第一階段可能大于第二階段。上述鋼筋混凝土構(gòu)件最小配筋百分率的計算 ,只是理論上的概念和認(rèn)識 ,在實際上尚有一些不準(zhǔn)確的因素。( 1)在等式 ( 6)等號左邊對混凝土梁抗拉乘以1.2,這樣做是為了保證最小配筋百分率和鋼筋混凝土構(gòu)件計算承載力不小于混凝土構(gòu)件計算的承載力 ,在某些角度來講就不夠“相等”,19 75年公路規(guī)范未乘以 1.2。( 2)塑性影響系數(shù) r與截面形狀有關(guān) ,矩形截面與 T形截面大致相當(dāng) ,但矩形截面 r大于 I形截面 r,即使同一形狀截面 ,公路、鐵路規(guī)范與建

8、筑規(guī)范對照 ,r的確定方法也不同。( 3)配筋的混凝土與不配筋 (或配以少量構(gòu)造鋼筋 0.05%及以下 )的混凝土 ,它們的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(或設(shè)計值 )是不一樣的 (前者稱為混凝土 ,后者稱為素混凝土 ,以示區(qū)別 )。在 GB 50010-2002規(guī)范內(nèi) ,后者軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為前者的 0.55倍 (見第A.2.2條 ) ;在公路設(shè)計規(guī)范上也有同樣情況 ,公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范( JTG D61-2005) (素 )混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為 JTG D62-2004規(guī)范混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值的 0.5倍 見 JTG D61-2005規(guī)范第 3.3.2條條文說明 。上述兩種混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

9、(設(shè)計值 )的懸殊 ,主要是安全度取用不同 ,特別是最新的規(guī)范大幅度提高了素混凝土安全度 ,致使素混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 (設(shè)計值 )大大低于混凝土。有同志提出簡支梁支點附近彎矩很小 ,是否需要按最低配筋百分率配筋 ?按設(shè)計慣例沒有必要按最小配筋百分率配筋 ,但是 ,也有必要驗算一下截面 :( 1)按實際配筋用 JTG D62-2004規(guī)范公式( 5.2.2-1)驗算 ;( 2)按 JTG D61-2005規(guī)范公式( 4.0.12)驗算 ,其中構(gòu)件受拉邊緣的彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計值 ftmd,按該規(guī)范表 3.3.2采用 ,如果配筋百分率不小于 0.1,則可乘以 2(即采用鋼筋混凝土的混凝土彎曲抗拉強(qiáng)度

10、設(shè)計值 )。有一個通過即可。鋼筋混凝土受彎構(gòu)件最小配筋百分率問題 ,誠如 1 989年混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范( GBJ10-8 9)第6 .1.15條條文說明所示 :“是一個較復(fù)雜的問題”。例如表 3內(nèi)某些規(guī)范不規(guī)定最小配筋百分率 ;又如1974年、1989年兩本國家標(biāo)準(zhǔn)混凝土設(shè)計規(guī)范( GBJ10-74,GBJ-89) ,受彎構(gòu)件最小配筋百分率不分鋼材均用同一數(shù)值。可見怎樣處理這類問題尚有分岐。本文關(guān)于受彎構(gòu)件最小配筋百分率的討論 ,主要基于 1975年公路橋涵設(shè)計規(guī)范編制時的思路 ,也參考鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范和美國 AASHTO橋梁設(shè)計規(guī)范的一些規(guī)定。至于鐵路規(guī)范沉井最小配筋百分率自 197 5年

11、的 0.1降至 1985年的 0.05,此系根據(jù)專設(shè)標(biāo)徐 ( 5 9)字第 0638號文執(zhí)行 ,其值雖小 ,但具一定經(jīng)驗。鐵路沉井一般多為圓形或橢圓形 ,井壁截面壁厚 ( 1.01.5m) ,以受壓為主 ,公路沉井則多用矩形帶圓頭為多 ,承彎或承壓彎。在公路與建筑方面 ,0.05 %的配筋一般用作素混凝土的構(gòu)造鋼筋 (見 JTG D6 1-2005規(guī)范第 4.0.9條、第 5.2.9條和 GB50010-2002規(guī)范第 A.2.1條 )。所以兩者各有經(jīng)濟(jì)、安全方面的考慮。以上均為最小配筋量 ,至于最大配筋量 ,則由JTG D6 2-2004規(guī)范公式 ( 5 .2.2-3)控制。過多地配置受拉鋼

12、筋 ,盡管構(gòu)件承載能力有所提高 ,但脆性破壞的可能性隨之增加。公式 ( 5 .2.2-3)即用以控制鋼筋用量 ,做到適筋設(shè)計。2受壓構(gòu)件公路橋涵受壓構(gòu)件多系單向或雙向偏心受壓 ,且其偏心的方向可逆 ,故一般作為全截面受壓配置受壓鋼筋。受壓構(gòu)件的受壓鋼筋配置 ,要考慮兩個因素 :( 1)受壓構(gòu)件靠混凝土承壓 ,混凝土是脆性材料 ,應(yīng)設(shè)置鋼筋避免混凝土達(dá)到受壓極限時突然脆性潰損 ;( 2)混凝土的收縮和受壓后的徐變 ,壓力將逐漸由混凝土轉(zhuǎn)移到鋼筋 (見本節(jié)附錄 ) ,配筋過少可能使鋼筋壓力增加較快或提前接近受壓極限 ,因此需有一個配筋百分率低限。受壓構(gòu)件最小配筋百分率 ,與受彎構(gòu)件最小配筋百分率相

13、比為大 ,且每個規(guī)范必有規(guī)定 (除個別外 ) ,其值也是根據(jù)經(jīng)驗沿革而得出。國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于受壓構(gòu)件最小配筋百分率見表 4。受壓構(gòu)件以靠混凝土承壓為主 ,混凝土是脆性材料 ,加之混凝土尚有收縮和徐變 ,所以設(shè)縱向鋼筋非常必要 ,表 4內(nèi)前蘇聯(lián) 1984年橋梁設(shè)計規(guī)范未列入受壓構(gòu)件最小配筋百分率 ,實屬罕見 ,無法理解。受壓構(gòu)件的最大配筋率 ,主要應(yīng)考慮施工的方便和布筋空間的可能性 ,各規(guī)范規(guī)定不一 ,如我國鐵路為 3% ,建筑為 5% ,美國為 8% ,德國為 9% (包括搭接接頭 ) ,規(guī)定的數(shù)值懸殊。我國公路為 5%。鉆孔灌注樁在規(guī)范內(nèi)未規(guī)定最小配筋百分率。公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范( JTJ024-8 5 )第4.2.2條僅規(guī)定宜設(shè)不少于