混凝土結構設計中幾個常見問題探討

【摘 要】 混凝土結構是以混凝土為主要材料并根據需要配置鋼筋制成的結構，是建筑工程應用最為廣泛的一種結構形式。本文首先介紹了《混凝土結構設計規范》的有關規定與設計經驗，然后分析了鋼筋代換中的幾個具體問題，最后簡要談談鋼筋與構件的承載能力問題。

【關鍵詞】 混凝土結構；結構設計；鋼筋代換

混凝土結構是建筑工程中廣泛使用的一種結構。在混凝土結構設計中，在同一構件中或是同一截面上，配置不同鋼種的鋼筋是經常會遇到的；在施工中，由于鋼種不齊或鋼筋直徑不全，而必須進行代換也是經常會發生的。

一、《混凝土結構設計規范》的有關規定與設計經驗

在設計規范中，對鋼筋分普通鋼筋和預應力鋼筋兩類。普通鋼筋系指用于鋼筋混凝土結構中的鋼筋和預應力混凝土結構中的非預應力鋼筋，如I級、Ⅱ級、Ⅲ級熱軋鋼筋等；預應力鋼筋系指用以對構件施加預加應力的鋼筋，如碳素鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋、冷拔鋼絲以及冷拉II、Ⅲ、IV級鋼筋等。在結構設計中，應根據結構的要求和施工的可能，合理選擇其小之一或若干種鋼筋進行配筋。

在設計規范中，對一個構件中或—個截面上配置鋼筋的方式，可概括如下：（1）在一個構件中的縱向鋼筋和箍筋通常會是兩個鋼種，除非縱向鋼筋和箍筋均選用I級或Ⅱ級鋼筋。（2）在一個構件中或者說—個截面上的普通縱向受拉鋼筋與普通縱向受壓鋼筋可以是不同的鋼種，但通常構件中常會選用一種鋼種，特別是在柱中。（3）在預應力混凝土構件中的預應力鋼筋和非預應力鋼筋通常是兩個鋼種，但也可采用同一鋼種：當受拉區部分鋼筋施加預應力已能使構件符合抗裂或裂縫寬度要求寸，則承載力計算所需的其余受托鋼筋允許采用非預應力鋼筋；如非預應力鋼筋采用與預應力鋼筋同級的冷拉Ⅱ級或冷拉Ⅲ級鋼筋時，其截面面積不宜大于受拉鋼筋總截面面積的20%，如非預應力鋼筋采用Ⅲ級及Ⅲ級以下的熱軋鋼筋時，其截面面積可不受限制。（4）在鋼筋混凝土構件中，受拉區或受壓區的縱向受力鋼筋，對于集中在兩對邊配筋時，一般不會選用兩個鋼種的鋼筋，而習慣干選用同一鋼種的鋼筋；對既有集中配筋又有腹部（均勻）配筋時，可能會選用兩個鋼種的鋼筋，當然仍可選用同一鋼種的鋼筋。

如果符合上述概括的情況，就可直接按設計規范中具體給出的承載能力和正常使用極限狀態的計算方法進行計算。對構件中配有不同種類的鋼筋時，每種鋼筋根據其受力情況應采用各自的強度設計值或根據計算確定各自的應力值。在鋼筋混凝土構件受拉區集中配置兩個鋼種的普通縱向受力鋼筋是否允許？因為設計規范規定，在截面受拉區內配置有不同種類或不同預應力值的鋼筋的受彎構件，其相對界限受壓區高度應分別計算，并取其較小值。當采用上述混合配筋于受拉區時，對以平截面假定為基礎的正截面承載力計算不存在困難。

二、鋼筋代換中的幾個具體問題

施工單位作鋼筋代換，實質上是一次再設計，除非設計單位提供內力設計值等有關設計參數，一般只能根據構件或截面承載力相等或大于原設計的承載力作為代換的基本原則，同時，尚應驗算正常使用極限狀態的有關要求，以及滿足相應的構造措施和施工條件等。

通過計算確定鋼筋代換常遇到的情況有：同鋼種條件下的鋼筋直徑代換，它只反映在鋼筋根數的變化上；不同鋼種鋼筋的代換，它包括全部代換或部分代換，它也反映在鋼筋直徑和根數的變化上。有時，還會影響到鋼筋合力點的位置。

1、按承載力代換

通常在設計圖紙上給出的實配鋼筋量會略大于理論計算的配筋量，如果能知道理論計算的配筋量，在代換中可望能達到節省一些鋼筋的目的，但在實際中難以獲得。施工單位只能根據圖紙中的構件及其截面尺寸、混凝土強度等級、實際配筋等來進行代換。

在按按正截面承載力代換時，代換后的受拉區或受壓區鋼筋合力點應力求與原設計的相重合，且應符合設計規范和施工規范規定的混凝土保護層厚度、鋼筋上下左右的間距等要求；對抗震設防的構件，應避免在框架梁端和柱端的鋼筋代換中超配鋼筋，以確保“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求；代換后鋼筋根數和布置的變化，會影響箍筋的配置，特別是抗震要求的箍筋加密區，應子以足夠的重視；對配置彎起鋼筋時，代換縱向受力鋼筋也將對其產生影響。

在按斜截面受剪承載力代換中應注意下列幾點：①原設計中箍筋間距或直徑在構件中改變的位置形成幾個區段，它是為了適應剪力設計值變化而采取受剪承載力設計值包絡圖而形成的，在代換中應作相應的考慮；②在構件的一個區段內，同時有箍筋和彎起鋼筋時，可否在代換中取消彎起鋼筋而全部由箍筋來承擔，從理論上}井是可能的，在設計規范中指出，承受剪力的鋼筋宜優先采用箍筋。但是，設計者如果對設置彎起鋼筋有專門考慮時，施工單位應尊重設計單位的意見；③不論是靜力或抗震設計，箍筋和彎起鋼筋的超配代換對結構總是有利的。

2、鋼筋代換后的正常使用性能驗算與剛度驗算

鋼筋混凝土構件的縱向受力鋼筋按正截面承載力代換后，還應對縱向受拉鋼筋應力、裂縫寬度、剛度等性能進行驗算，以達到原設計的要求。如果能獲得設計時采用的荷載短期效應組合的彎矩值時，即可按設計規范公式計算鋼筋應力；在不能獲得時，可按設計圖紙的截面尺寸、材料強度和鋼筋截面面積求得正截面承載力后確定。用強度級別較高的鋼筋來代換強度級別較低的鋼筋時，鋼筋截面面積將會由最大裂縫寬度確定，除非原設計留有較多的裕度。應當指出，滿足等剛度的鋼筋代換是一個穩妥的辦法，因為這里未考慮對構件撓度起決定性作用的構件跨高比影響，當設計者選擇的跨高比較小時，可不必考慮鋼筋代換的構件撓度驗算。

三、鋼筋與構件的承載能力

一個鋼筋混凝土構件的承載能力與它的混凝土強度、鋼筋的強度和數量、構件截面的幾何尺寸有關。如典型受彎構件一一梁，在混凝土強度和幾何尺寸一定的情況下，提高鋼筋強度和增加鋼筋數量能提高構件的承載能力。那么，是不是鋼筋配得越多，構件的承載力就越高呢？下面就談談這個問題。

梁根據某縱向受力鋼筋配置的多少，可分為少筋梁、適筋梁、超筋梁。這里僅以適筋梁和超筋梁作以比較。適筋梁意為梁中縱向受力筋配置適中，適筋梁的承載能力由下式確定：

MP=μRgbh02[（1-0.5μRg/Rw）]

式中：b為梁寬，h0為梁截面的有效高度，Rw為混凝土的彎曲抗壓強度，Rg為鋼筋強度，μ為鋼筋面積與截面有效面積（bh0）之比。從式中可以看出，當梁中Rw，b，h0一定時，提高鋼筋數量（μ）和鋼筋強度（Rg）可提高MP，但當梁中鋼筋數量配置過多使μ（Rg/Rw）>0.55時，此時的梁被稱力超筋梁，其承載能力由MP=0.4Rwbh02求得。由此式可以看出，此時梁的承載力就與鋼筋數量的多少無關了，若再增加鋼筋的配置量無疑是一種浪費，同時還將給建筑物帶來嚴重隱患。

適筋梁是指梁中鋼筋數量配置適中，所謂適中是指梁破壞前，受拉區縱向鋼筋光岡眼，經一段塑性變形之后，受壓區混凝土壓碎，整個梁失去承載能力，也就是說適筋梁的破壞有一個明顯的預兆，并且破壞時，鋼筋和混凝土的強度都得到了充分發揮。超筋梁則相反，由于鋼筋配置得太多，所以它的破壞是在鋼筋尚未屈服前受壓區混凝上先壓碎，梁的破壞是無明顯預兆的脆性破壞，是很危險的。因此，對一個梁來說，并不是鋼筋配置得越多，梁的承載能力越大，只有在保證梁為適筋梁的范圍內配筋量增加，才會使梁的承載能力增加。

參考文獻

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