钢筋混凝土受弯受压构件及预应力混凝土受弯构件最小配筋百分率的说明和看法

1、钢筋混凝土受弯受压构件及预应力混凝土受弯构件最小配筋百分率的说明和看法自从公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 ( JTG D62-2004) 颁布以后 , 有同志提出第 9 章关于纵向钢筋配筋百分率是怎么定出来的的问题 ; 也有同志提出像简支 梁端部弯矩很小 , 是否也要符合最小配筋百分率 ; 根据不同构件 , 为什么规定不同的受弯 构件配筋百分率 , 而且悬殊颇大。像铁路沉井最小配筋百分率原为 0.1( 配筋率为 0.1% ) ,1985 年后改为 0.05( 0.05% ) ; 公路沉井则为何一直保持 0.1( 0.1% )。又如 JTG D62-2004 规范对受弯钢筋配筋百分率为

2、 45ftd/fsd 且不小 0.2, 与国家标准 混凝土结构设计规范 ( GB 50010-2002) 不谋而合 , 是如何趋于一致的。 GB50010-2002 还规定对卧置于地基上的混凝土板 , 最小配筋百分率可降为 0.15 。由于 现行规范规定数值不一 , 而且随某些特殊构件有不同规定 , 难免引起读者在使用过程中有 所思考。 下面就有关构件的最小配筋百分率做出说明。 1 受弯构件钢筋混凝土是复合材料 其中混凝土延性差 , 而且在受拉区 , 抗拉能力很低 ; 钢筋则在受拉区具有较好的抗拉能力 和良好的延性。钢筋在拉断之前还有屈服段、强化段等大幅度的伸长变形 , 其均匀伸长率 可达 1

3、0% , 使结构不致于脆性破坏 , 而具有明显的破坏征兆。在受拉区 , 混凝土和钢筋都 具有抗拉能力 , 但前者远低于后者。 19 85 年公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 ( JTJ023-85) 第 条条文说明 : “对于受弯构件的最小配筋率 , 是根据混凝土梁 所能承担的弯矩 , 与截面尺寸相同的配置最小配筋率的钢筋混凝土梁所能承担的弯矩相等 而确定的 ”19 85年铁路桥涵设计规范 ( TBJ2-85) 第 条条文说明 :“对于 最小配筋率的要求是按混凝土梁由抗拉极限强度能承受的弯矩与最小配筋率的钢筋混凝土 梁所能承受弯矩相等制定 , 并给予一定的安全储备 ”美国公路桥梁设计规

4、范 荷载与抗力 系数设计法 ( AASHTO LRED) 第一版 ( 19 9 4)第 条称 : “除非另有规定 , 在弯曲构件的任何截面 , 预应力和非预应力钢筋的总量应足以发挥一个乘有系数抗弯 力 Mr, 该值应至少根据第 条规定的混凝土的弹性应力分布和弯折模量 fr 求出 的开裂强度的 1.2 倍”上述弯折模量 fr 即我国抗弯曲受拉强度 ftk 见 JTG D62-2004 规范公式 。美国公路桥梁设计规范 ( AASHTO) 14 版第 条也有同样规定。按 20 0 4 规范计算的最小配筋百分率 , 大于 1975 年、 1985 年计算的最小配筋百分率 , 其原因为 :( 1)20

5、04年计算式中混凝土截面考虑了安全储备 ( 系数 1.2) ;( 2) 按参考文献 6 第 5 节所述 , “从本质上说 , 最小配筋率的确定 , 不完全是技术问题 , 还反映了 某一地区和时代的经济发展水平 , 因而具有一定的社会性和政策性 ”我国目前钢产量已为 上世纪 70 年代的 10 倍以上 , 适当提高最小配筋百分率也是必要的。 历年各中外规范的钢 筋混凝土受弯构件最小配筋百分率见表 3 。抗弯构件最小配筋百分率 , 说的是作为钢筋混 凝土构件 , 应具备规定的最小配筋率 , 否则其抗弯承载力将小于作为混凝土构件抗弯承载 力 , 那就没有 “资格 ”称为钢筋混凝土构件了。 这样是为避

6、免一些低配筋的钢筋混凝土构件 , 用钢筋混凝土构件计算 , 其承载力反而会小于不设钢筋 ( 或仅设构造钢筋 , 以下同 ) 的混 凝土构件计算的承载力 ; 换言之 , 既然作为钢筋混凝土构件 , 最小配筋率就要够 “格 ”。钢 筋混凝土构件受弯过程是 : 开始时不开裂 , 截面混凝土承拉 , 此时钢筋只承受按弹性模量 分配得的少量拉力 , 其余由未开裂的混凝土承拉。 待弯矩逐渐增大 , 混凝土开裂退出承拉 , 此时拉力将由钢筋来全部承担 , 按钢筋混凝土构件计算承弯。这是钢筋混凝土受弯构件的 两个阶段。 后一阶段钢筋混凝土梁的最低需要配筋率即最小配筋率。 在表 3 内 , 有 4 本规 范不规

7、定最小配筋百分率 ; 还有 2002 年建筑规范和公路、铁路规范对地基板和沉井的最 小配筋百分率予以降低 , 这实际上是越过上述第一阶段 , 直接按第二阶段计算。这样未始 不可。不过 , 这样做对于厚板低筋 , 例如像 19 85 2005 铁路沉井 , 或许按铁路规范只 到第一阶段就够了 , 达不到第二阶段 , 即承载能力第一阶段可能大于第二阶段。上述钢筋 混凝土构件最小配筋百分率的计算 , 只是理论上的概念和认识 , 在实际上尚有一些不准确 的因素。 ( 1) 在等式 ( 6) 等号左边对混凝土梁抗拉乘以 1.2, 这样做是为了保证最小配筋 百分率和钢筋混凝土构件计算承载力不小于混凝土构件

8、计算的承载力 , 在某些角度来讲就 不够 “相等 ”,19 75 年公路规范未乘以 1.2 。( 2) 塑性影响系数 r 与截面形状有关 , 矩 形截面与 T 形截面大致相当 , 但矩形截面 r 大于 I 形截面 r, 即使同一形状截面 , 公路、 铁路规范与建筑规范对照 ,r 的确定方法也不同。 ( 3) 配筋的混凝土与不配筋 ( 或配以少 量构造钢筋 0.05% 及以下 ) 的混凝土 , 它们的抗拉强度标准值 ( 或设计值 ) 是不一样的 ( 前者称为混凝土 , 后者称为素混凝土 , 以示区别 ) 。在 GB 50010-2002 规范内 , 后者 轴心抗拉强度设计值为前者的 0.55 倍

9、 ( 见第 条 ) ; 在公路设计规范上也有同样情 况 , 公路圬工桥涵设计规范 ( JTG D61-2005) (素 ) 混凝土轴心抗拉强度设计值为JTG D62-2004 规范混凝土抗拉强度设计值的 0.5 倍 见 JTG D61-2005 规范第 条条文说明 。上述两种混凝土抗拉强度标准值 ( 设计值 ) 的悬殊 , 主要是安全度取用不 同 , 特别是最新的规范大幅度提高了素混凝土安全度, 致使素混凝土抗拉强度标准值 ( 设计值 ) 大大低于混凝土。有同志提出简支梁支点附近弯矩很小 , 是否需要按最低配筋百分 率配筋 ? 按设计惯例没有必要按最小配筋百分率配筋 , 但是 , 也有必要验算

10、一下截 面 :( 1) 按实际配筋用 JTG D62-2004 规范公式 验算 ;( 2) 按 JTG D61-2005 规范公式 验算 , 其中构件受拉边缘的弯曲抗拉强度设计值 ftmd, 按该规范表 采用 , 如果配筋百分率不小于 0.1, 则可乘以 2( 即采用钢筋混凝土的 混凝土弯曲抗拉强度设计值 ) 。有一个通过即可。钢筋混凝土受弯构件最小配筋百分率问题 , 诚如 1 989 年混凝土结构设计规范( GBJ10-8 9) 第 6 .1.15 条条文说明所示 : “是一个较复杂的问题 ”。例如表 3 内某些 规范不规定最小配筋百分率 ; 又如 1974 年、 1989 年两本国家标准混

11、凝土设计规范( GBJ10-74,GBJ-89) , 受弯构件最小配筋百分率不分钢材均用同一数值。可见怎样处理 这类问题尚有分岐。本文关于受弯构件最小配筋百分率的讨论 , 主要基于 1975 年公路桥涵设计规范编制时的思路 , 也参考铁路桥涵设计规范和美国 AASHTO 桥梁设计规范的一些规定。至于铁路规范沉井最小配筋百分率自 197 5 年的 0.1 降至 1985 年的 0.05, 此系 根据专设标徐 ( 5 9) 字第 0638 号文执行 , 其值虽小 , 但具一定经验。铁路沉井一般多 为圆形或椭圆形 , 井壁截面壁厚 ( 1.0 1.5m) , 以受压为主 , 公路沉井则多用矩形带圆

12、头为多 , 承弯或承压弯。在公路与建筑方面 ,0.05 %的配筋一般用作素混凝土的构造钢筋 ( 见 JTG D6 1-2005 规范第 条、第 条和 GB50010-2002 规范第 条 ) 。所以两者各有经济、安全方面的考虑。以上均为最小配筋量, 至于最大配筋量 , 则由 JTG D6 2-2004 规范公式 ( 5 .2.2-3) 控制。过多地配置受拉钢筋 , 尽管构件承载 能力有所提高 , 但脆性破坏的可能性随之增加。公式 ( 5 .2.2-3) 即用以控制钢筋用量 , 做到适筋设计。 2 受压构件公路桥涵受压构件多系单向或双向偏心受压, 且其偏心的方向可逆 , 故一般作为全截面受压配置受压钢筋。受压构件的受压钢筋配置, 要考虑两个因素 :( 1) 受压构件靠混凝土承压 , 混凝土是脆性材料 , 应设置钢筋避免混凝土达到受压极 限时突然脆性溃损 ;( 2) 混凝土的收缩和受压后的徐变 , 压力将逐渐由混凝土转移到钢筋( 见本节附录 ) , 配筋过少可能使钢筋压力增加较快或提前接近受压极限 , 因此需有一个 配筋百分率低限。受压构件最小配筋百分率 , 与受弯构件最小配筋百分率相比为大 , 且每 个规范必有规定 ( 除个别外 ) , 其值也是根据经验沿革而