鋼筋混凝土受彎構件最小配筋率選用
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【摘 要】 配筋率是保證安全使用影響承載力的主要因素，合理確定鋼筋的最小配筋率，確保建筑物安全并帶來良好的社會及經濟效益，本文根據現(xiàn)行設計規(guī)范對結構的最小配筋率分析探討。
【關鍵詞】 鋼筋砼結構；最小配筋率；受彎構件；帶肋鋼筋
【中圖分類號】 TU528.0 【文獻標識碼】 B【文章編號】 1727-5123（2011）01-065-02
Selection of minimum reinforcement ratio of reinforced concrete bending part
【Abstract】 Steel ratio of capacity to ensure the safe use of the main factors to determine reasonable minimum steel reinforcement
ratio, to ensure building safety and bring good social and economic benefits, the paper design of the structure under the current minimum
allocation Rate of reinforcement.
【Key words】 Reinforced concrete structure； Minimum reinforcement ratio； Bending part； Ribbed steel bars
現(xiàn)行的國家規(guī)范“砼結構設計規(guī)范”(GB50010-2002) 中把HRB400鋼筋確定為鋼筋砼結構的主導用筋。其后冶金企業(yè)研制開發(fā)的符合國情標準“鋼筋砼用熱軋帶肋鋼筋”(GB1499-1998) 的新型號筋。HRB500鋼筋具有強度高、延性好、耐高低溫、耐疲勞和可加工性能好的優(yōu)點，符合砼結構對建筑用筋性能指標的主要內容要求。HRB500鋼筋在建筑行業(yè)中己得到廣泛使用，會促進其它相關建筑材料的發(fā)展提高，因此而帶來可觀的社會及經濟效益，促進建筑業(yè)健康有序的發(fā)展具有重要意義。
鋼筋砼梁的主筋縱向筋配筋率是保證安全使用影響承載力的主要因素，配筋率的變化不僅使梁的受彎承載力產生變化，而且會使梁的受力性能和破壞特征發(fā)生質的變化。當縱向主筋配筋率少到一定值后，梁的受力性能會產生大的變化，同無筋素砼梁沒有什么差別。當這種梁一旦在受拉區(qū)的砼出現(xiàn)開裂，裂縫截面的拉力會很快超過屈服強度而進入強化階段，造成整根梁發(fā)生撕裂，甚至使整個鋼筋被拉斷，這種破壞現(xiàn)象沒有明顯的預兆，屬于脆性破壞。為了防止這種脆斷的產生，鋼筋砼結構設計規(guī)范明確規(guī)定：鋼筋砼受彎構件的縱向受力主筋的配筋率不能低于某一限定值，該值即為受控鋼筋的最小配筋率。HRB500鋼筋作為一種新型的高強鋼筋，已經在工程實踐應用范圍較廣,必須合理確定其作為受拉鋼筋的最小配筋率。在實踐應用中探討對HRB500鋼筋作為受彎構件縱向主受拉的最小配筋率作淺要分析。
1最小配筋率確定的一般原則
鋼筋砼受彎構件的最小配筋率是一個比較復雜的技術問題。試驗和理論分析均表明,構件的最小配筋不僅與受力形態(tài)、表面尺寸及形式、材料強度有關,而且與受荷時間的長短、溫度變化的大小、收縮及徐變的程度有關。目前世界一些國家對鋼筋砼受彎構件的受拉鋼筋最小配筋率的取值方法基本上有兩種：即模型法和經驗法。模型法是以截面受拉區(qū)砼開裂后，受拉鋼筋由于配置過少而立即屈服進入強化階段，此時的受拉鋼筋配筋的最小配筋率。經驗法是指直接給出最小配筋率的的取值，而沒有受完整的受力模型作為取值準則，但其中也從不同角度考慮了一些因素對最小鋼筋率取值的影響，所考慮的這些因素的影響規(guī)律與模型方案的趨勢有一定的近似性。
而國內現(xiàn)行的《混凝土結構設計規(guī)范》對鋼筋砼受彎構件的最小配筋率的確定原則是：截面開裂后，構件不會立即失效（裂而不斷），即在最小配筋率的條件下，構件的抗彎承載力不低于同截面素混凝土構件的開裂彎矩，即：
MEY≤Mu ①
現(xiàn)以單筋矩形截面承受純彎矩作用為例探討鋼筋砼受彎構件的縱向主受拉鋼筋的最小配筋率問題。首先要計算鋼筋砼梁的開裂彎矩。由于鋼筋砼梁開裂時，鋼筋的應力很低，因此計算鋼筋砼梁開裂彎矩時，可以忽略鋼筋的作用，即鋼筋砼梁的開裂彎矩等于素砼的開裂彎矩。根據文獻對素砼梁的開裂彎矩的推導計算，無筋素砼梁的開裂彎矩為：
MEY =0.256Ｆｆtbh2 ②
試中： ｆt-為混凝土軸心抗拉強度設計值。
根據鋼筋砼梁的受力進行過程, 按照現(xiàn)行砼設計規(guī)范關于正截面承載力計算的基本假定“不考慮砼的抗拉強度”,假定鋼筋砼梁達到極限承載力狀態(tài)時的截面力臂為yho，其中y為內力臂長度系數(shù),則鋼筋砼梁的極限彎矩為:
MU = yhoòyAS
此時òy= fyAS =pmin bho Y=1
MU = ho fypmin bho③
將式②、式③ 帶入式① 以后，求出：
pmin=0.256ｆt / fy[h/ho]2 ④
2國內不同時期砼結構設計規(guī)范對最小配筋率的規(guī)定
根據介紹對世界各有關國家砼結構設計規(guī)范，對鋼筋砼受彎構件規(guī)定的最小配筋率進行了簡單比較，見表1。為轉化為國內材料強度后各有關國家砼結構設計規(guī)范，對鋼筋砼受彎構件規(guī)定的最小配筋率表達式。
表1不同國家對鋼筋砼構件最小配筋率計算要求
我國的設計規(guī)范對于鋼筋砼受彎構件，確定的最小配筋率的規(guī)定基本上是沿用前蘇聯(lián)20世紀五、六十年代的規(guī)定,數(shù)值明顯偏低。隨著我國國力的增強,結構設計的安全度增大以及結構耐久性設計概念的應用,鋼材供應狀況及水平的偏高,每次規(guī)范修訂均適當提高了受力鋼筋的最小配筋率,而且使其更為合理。a.在原《鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》TJ10-74中規(guī)定受彎構件最小配筋百分率:當砼強度標號為200號及以下時為0.1;當砼強度標號為250-400號時為0.15。b.在進行了修改后的《混凝土結構設計規(guī)范》GBJ10-1989中規(guī)定受彎構件最小配筋百分率:當砼強度等級為C35時為0.15；當砼強度等級為C40-C60時為0.2。c.在現(xiàn)行的《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2002中規(guī)定受彎構件最小配筋百分率為0.2和45 ft / fy中的較大值。
從國各內各個階段設計規(guī)范對最小配筋率規(guī)定的變化可以看出:隨著我國改革開放的進一步推進,國民經濟收入穩(wěn)步的提高,對結構安全度的要求逐漸提高,綜合考慮各種因素,構件的最小配筋率均有提高,而且考慮了材料強度的影響,有利于促進高強材料在工程中的大量應用。
3HRB500鋼筋砼受彎構件的最小配筋率的應用
根據我國現(xiàn)行的《鋼筋砼用熱扎帶肋鋼筋》GB1499-1998中規(guī)定:HRB 335的屈服強度為335 MPa，HRB 400的屈服強度為400 MPa,HRB 500的屈服強度為500 MPa。我國現(xiàn)行的《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定：HRB 335的屈服強度設計值為300 MPa，HRB 400的屈服強度設計值為360 MPa，不同種類鋼筋材料分項系數(shù)ys均為1.10，因此HRB500鋼筋的屈服強度設計值應取為450MPa。根據資料介紹的試驗結果并考慮到裂縫寬度的影響，對HRB500鋼筋的屈服強度設計值建議為420MPa，材料分項系數(shù)ys為1.19。根據我國現(xiàn)行的《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2002中規(guī)定受彎構件最小配筋率百分率公式45 ft / fy，分別計算出各種鋼筋的最小配筋率。詳見表2。
表2鋼筋混凝土受彎構件配筋率要求
根據表2可以看出，鋼筋砼構件的最小配筋率的確定，不完全是技術問題，還反映了某一地區(qū)當時的經濟建設發(fā)展水平，具有一定的社會性和政策性。因此，考慮將HRB 500鋼筋砼受彎構件的最小配筋率百分率（%）為：當混凝土強度等級不大于C30時為0.15，當砼強度等級為C30以上時為0.2和45ft / fy 中的較大值為宜。根據上述淺要分析，國家推廣應用HRB500鋼筋不僅可以滿足建筑行業(yè)科技飛速發(fā)展的需用，還具有明顯的經濟效益和社會效益。為了在工程實踐中大力推廣HRB500鋼筋，考慮到我國實際國情，要采用HRB 500鋼筋砼受彎構件的最小百分率（%）為：當砼強度等級不大于C30時為0.15，當砼強度等級為C30以上時為0.2和45ft / fy，中的較大值安全。
參考文獻
1徐有鄰等．混凝土結構設計規(guī)范理解與應用．中國建筑工業(yè)出版社, 2002
2張艇.HRB500鋼筋砼構件受力性能的試驗研究[D].學位論文.鄭州 大學,2004(4)
3譚周玲等.非抗震梁受拉鋼筋最小配筋率取值分析與建議[J].重慶 建筑大學學報,2004(25)2
【關鍵詞】 鋼筋砼結構；最小配筋率；受彎構件；帶肋鋼筋
【中圖分類號】 TU528.0 【文獻標識碼】 B【文章編號】 1727-5123（2011）01-065-02
Selection of minimum reinforcement ratio of reinforced concrete bending part
【Abstract】 Steel ratio of capacity to ensure the safe use of the main factors to determine reasonable minimum steel reinforcement
ratio, to ensure building safety and bring good social and economic benefits, the paper design of the structure under the current minimum
allocation Rate of reinforcement.
【Key words】 Reinforced concrete structure； Minimum reinforcement ratio； Bending part； Ribbed steel bars
現(xiàn)行的國家規(guī)范“砼結構設計規(guī)范”(GB50010-2002) 中把HRB400鋼筋確定為鋼筋砼結構的主導用筋。其后冶金企業(yè)研制開發(fā)的符合國情標準“鋼筋砼用熱軋帶肋鋼筋”(GB1499-1998) 的新型號筋。HRB500鋼筋具有強度高、延性好、耐高低溫、耐疲勞和可加工性能好的優(yōu)點，符合砼結構對建筑用筋性能指標的主要內容要求。HRB500鋼筋在建筑行業(yè)中己得到廣泛使用，會促進其它相關建筑材料的發(fā)展提高，因此而帶來可觀的社會及經濟效益，促進建筑業(yè)健康有序的發(fā)展具有重要意義。
鋼筋砼梁的主筋縱向筋配筋率是保證安全使用影響承載力的主要因素，配筋率的變化不僅使梁的受彎承載力產生變化，而且會使梁的受力性能和破壞特征發(fā)生質的變化。當縱向主筋配筋率少到一定值后，梁的受力性能會產生大的變化，同無筋素砼梁沒有什么差別。當這種梁一旦在受拉區(qū)的砼出現(xiàn)開裂，裂縫截面的拉力會很快超過屈服強度而進入強化階段，造成整根梁發(fā)生撕裂，甚至使整個鋼筋被拉斷，這種破壞現(xiàn)象沒有明顯的預兆，屬于脆性破壞。為了防止這種脆斷的產生，鋼筋砼結構設計規(guī)范明確規(guī)定：鋼筋砼受彎構件的縱向受力主筋的配筋率不能低于某一限定值，該值即為受控鋼筋的最小配筋率。HRB500鋼筋作為一種新型的高強鋼筋，已經在工程實踐應用范圍較廣,必須合理確定其作為受拉鋼筋的最小配筋率。在實踐應用中探討對HRB500鋼筋作為受彎構件縱向主受拉的最小配筋率作淺要分析。
1最小配筋率確定的一般原則
鋼筋砼受彎構件的最小配筋率是一個比較復雜的技術問題。試驗和理論分析均表明,構件的最小配筋不僅與受力形態(tài)、表面尺寸及形式、材料強度有關,而且與受荷時間的長短、溫度變化的大小、收縮及徐變的程度有關。目前世界一些國家對鋼筋砼受彎構件的受拉鋼筋最小配筋率的取值方法基本上有兩種：即模型法和經驗法。模型法是以截面受拉區(qū)砼開裂后，受拉鋼筋由于配置過少而立即屈服進入強化階段，此時的受拉鋼筋配筋的最小配筋率。經驗法是指直接給出最小配筋率的的取值，而沒有受完整的受力模型作為取值準則，但其中也從不同角度考慮了一些因素對最小鋼筋率取值的影響，所考慮的這些因素的影響規(guī)律與模型方案的趨勢有一定的近似性。
而國內現(xiàn)行的《混凝土結構設計規(guī)范》對鋼筋砼受彎構件的最小配筋率的確定原則是：截面開裂后，構件不會立即失效（裂而不斷），即在最小配筋率的條件下，構件的抗彎承載力不低于同截面素混凝土構件的開裂彎矩，即：
MEY≤Mu ①
現(xiàn)以單筋矩形截面承受純彎矩作用為例探討鋼筋砼受彎構件的縱向主受拉鋼筋的最小配筋率問題。首先要計算鋼筋砼梁的開裂彎矩。由于鋼筋砼梁開裂時，鋼筋的應力很低，因此計算鋼筋砼梁開裂彎矩時，可以忽略鋼筋的作用，即鋼筋砼梁的開裂彎矩等于素砼的開裂彎矩。根據文獻對素砼梁的開裂彎矩的推導計算，無筋素砼梁的開裂彎矩為：
MEY =0.256Ｆｆtbh2 ②
試中： ｆt-為混凝土軸心抗拉強度設計值。
根據鋼筋砼梁的受力進行過程, 按照現(xiàn)行砼設計規(guī)范關于正截面承載力計算的基本假定“不考慮砼的抗拉強度”,假定鋼筋砼梁達到極限承載力狀態(tài)時的截面力臂為yho，其中y為內力臂長度系數(shù),則鋼筋砼梁的極限彎矩為:
MU = yhoòyAS
此時òy= fyAS =pmin bho Y=1
MU = ho fypmin bho③
將式②、式③ 帶入式① 以后，求出：
pmin=0.256ｆt / fy[h/ho]2 ④
2國內不同時期砼結構設計規(guī)范對最小配筋率的規(guī)定
根據介紹對世界各有關國家砼結構設計規(guī)范，對鋼筋砼受彎構件規(guī)定的最小配筋率進行了簡單比較，見表1。為轉化為國內材料強度后各有關國家砼結構設計規(guī)范，對鋼筋砼受彎構件規(guī)定的最小配筋率表達式。
表1不同國家對鋼筋砼構件最小配筋率計算要求
我國的設計規(guī)范對于鋼筋砼受彎構件，確定的最小配筋率的規(guī)定基本上是沿用前蘇聯(lián)20世紀五、六十年代的規(guī)定,數(shù)值明顯偏低。隨著我國國力的增強,結構設計的安全度增大以及結構耐久性設計概念的應用,鋼材供應狀況及水平的偏高,每次規(guī)范修訂均適當提高了受力鋼筋的最小配筋率,而且使其更為合理。a.在原《鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》TJ10-74中規(guī)定受彎構件最小配筋百分率:當砼強度標號為200號及以下時為0.1;當砼強度標號為250-400號時為0.15。b.在進行了修改后的《混凝土結構設計規(guī)范》GBJ10-1989中規(guī)定受彎構件最小配筋百分率:當砼強度等級為C35時為0.15；當砼強度等級為C40-C60時為0.2。c.在現(xiàn)行的《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2002中規(guī)定受彎構件最小配筋百分率為0.2和45 ft / fy中的較大值。
從國各內各個階段設計規(guī)范對最小配筋率規(guī)定的變化可以看出:隨著我國改革開放的進一步推進,國民經濟收入穩(wěn)步的提高,對結構安全度的要求逐漸提高,綜合考慮各種因素,構件的最小配筋率均有提高,而且考慮了材料強度的影響,有利于促進高強材料在工程中的大量應用。
3HRB500鋼筋砼受彎構件的最小配筋率的應用
根據我國現(xiàn)行的《鋼筋砼用熱扎帶肋鋼筋》GB1499-1998中規(guī)定:HRB 335的屈服強度為335 MPa，HRB 400的屈服強度為400 MPa,HRB 500的屈服強度為500 MPa。我國現(xiàn)行的《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定：HRB 335的屈服強度設計值為300 MPa，HRB 400的屈服強度設計值為360 MPa，不同種類鋼筋材料分項系數(shù)ys均為1.10，因此HRB500鋼筋的屈服強度設計值應取為450MPa。根據資料介紹的試驗結果并考慮到裂縫寬度的影響，對HRB500鋼筋的屈服強度設計值建議為420MPa，材料分項系數(shù)ys為1.19。根據我國現(xiàn)行的《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2002中規(guī)定受彎構件最小配筋率百分率公式45 ft / fy，分別計算出各種鋼筋的最小配筋率。詳見表2。
表2鋼筋混凝土受彎構件配筋率要求
根據表2可以看出，鋼筋砼構件的最小配筋率的確定，不完全是技術問題，還反映了某一地區(qū)當時的經濟建設發(fā)展水平，具有一定的社會性和政策性。因此，考慮將HRB 500鋼筋砼受彎構件的最小配筋率百分率（%）為：當混凝土強度等級不大于C30時為0.15，當砼強度等級為C30以上時為0.2和45ft / fy 中的較大值為宜。根據上述淺要分析，國家推廣應用HRB500鋼筋不僅可以滿足建筑行業(yè)科技飛速發(fā)展的需用，還具有明顯的經濟效益和社會效益。為了在工程實踐中大力推廣HRB500鋼筋，考慮到我國實際國情，要采用HRB 500鋼筋砼受彎構件的最小百分率（%）為：當砼強度等級不大于C30時為0.15，當砼強度等級為C30以上時為0.2和45ft / fy，中的較大值安全。
參考文獻
1徐有鄰等．混凝土結構設計規(guī)范理解與應用．中國建筑工業(yè)出版社, 2002
2張艇.HRB500鋼筋砼構件受力性能的試驗研究[D].學位論文.鄭州 大學,2004(4)
3譚周玲等.非抗震梁受拉鋼筋最小配筋率取值分析與建議[J].重慶 建筑大學學報,2004(25)2