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关于混凝土结构中采用高强钢筋设计分析作者：唐果单位：上海同建强华建筑设计有限公司省市：重庆邮编：401100摘要：近几年来，我国的建筑行业得到了快速发展，越来越多的新技术运用到建筑工程中，而钢筋混凝土结构是建筑中最常见的结构形式之一，将现有先进技术融入该结构形式中具有很大的经济优越性，但同时又不可避免的会出现混凝土裂缝的问题。本文描述采用HRB400，HRB500级高强钢筋替代HRB335级钢筋后，对于不同类型的结构形式、不同类型的构件以及不同的抗震设防烈度，节约钢筋的效果是不同的，其钢筋的节材比率也是不同的。在选择相应匹配的工程中受弯构件采用HRB400级钢筋代替HRB335级钢筋的节材比率约为15%，采用HRB500级钢筋代替HRB335级钢筋的节材比率约为30%，采用HRB500级钢筋代替HRB400级钢筋后的节材比率也约为15%，即钢筋强度提高一个级别，钢筋用量减少约为15%。关键词：相关概述；混凝土；裂缝宽度；钢筋设计；前言：结构设计的基本原则是安全、经济、适用、美观。一个好的建筑设计作品通常是这五个方面的最佳运用。通常的设计程序是进行完了建筑设计后再进行结构设计，因此结构设计一定程度上受建筑设计的影响和约束，但结构设计又对建筑设计起到“反约束”的作用。钢筋混凝土结构在建设工程中占有举足轻重的地位，据2011年统计我国工程建设中钢筋用量约为1.36亿吨。与发达国家相比，我国混凝土结构应用钢筋的强度偏低，目前除北京、上海等直辖市和部分应用高强钢筋较好的省区外，大部分中小城市建筑结构的受力钢筋仍以HRB335级钢筋为主，有必要提高混凝土结构所应用的钢筋强度等级，以达到减少单位建筑面积的钢筋用量、节材和节能减排的目的。1关于混凝土相关概述1.1近年来国内有关单位进行了较系统的高强钢筋工程应用研究，并且在多个试点工程中应用，发布的《热轧带肋高强钢筋在混凝土结构中应用技术导则》（RISN-TG007-2009）为推广应用高强钢筋积累了经验。新修订的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（简称混凝土规范）以及相关的配套设计规范中已明确将HRB400，HRB500级钢筋作为混凝土结构的主要受力钢筋，以HPB300级等钢筋作为辅助配筋，并规定了相应的材料性能指标和构造要求，为高强钢筋混凝土结构的设计和工程应用提供了依据。1.2钢筋强度提高后，对于按承载力计算配筋的构件可明显减少钢筋用量，但同时也使受力钢筋的锚固长度增大，有可能给某些工程节点处的锚固构造设计带来一定困难；高强钢筋在正常使用极限状态下的工作应力增大，裂缝宽度也相应增大，也有可能导致某些构件的钢筋用量受裂缝宽度限值的控制而增大钢筋的用量；此外，混凝土结构中还配有相当数量的构造钢筋，其用量也并非由钢筋强度确定。1.3因此在混凝土结构中推广应用高强钢筋并不是要求所有的钢筋强度越高越好，而是应结合具体工程的结构形式和承载状况合理选用HRB400级或HRB500级钢筋作为受力主筋，以HPB300级（包括细直径HRB335级热轧带肋钢筋）等钢筋作为构造等辅助配筋，做到不同强度等级钢筋的科学合理应用，取得更好的效益。2高强钢筋设计中锚固长度和裂缝宽度分析2.1锚固长度分析2.1.1混凝土规范规定受拉钢筋的锚固长度应按下列公式确定：(式中参数含义见混凝土规范)从以上公式可以看出，钢筋的强度越高，所需要的锚固长度就越大；抗震等级越高或钢筋的直径越大，所需的锚固长度也越大。2.1.2当梁、柱边节点或主、次梁交接处设计为刚节点时，为保证受拉钢筋的锚固承载力和锚固刚度，梁纵向受力钢筋伸入节点的水平锚固长度需大于或等于0.4laE。在一般中、小型多层框架结构中，梁、柱节点处的混凝土强度等级为C30，主梁最大钢筋直径为25mm，次梁最大钢筋直径为14mm，采用HRB400，HRB500级钢筋所需的水平锚固长度的比较。HRB400级主梁钢筋在各级抗震等级下的水平锚固长度0.4laE一般小于400mm，对于一般中、小型多层框架结构的边柱（柱截面尺寸为400×400），主梁受力钢筋在边柱的水平锚固长度较容易实现；次梁钢筋水平锚固长度0.4laE一般不超过250mm，对于框架主、次梁节点处（主梁宽度一般为250～300），次梁受力钢筋的锚固也较易处理。HRB500级主梁钢筋在各级抗震等级下水平锚固长度最大490mm，边节点处梁中受力钢筋在边柱中的水平锚固长度需加大柱截面才能满足要求，属于构造加大截面，势必会造成一定的经济浪费。2.1.3从以上分析和比较可以看出，当混凝土强度等级为C30时，HRB400级钢筋在节点处的锚固长度较容易满足要求，而HRB500级钢筋在节点处的锚固长度较难满足要求。由于C30混凝土多用于中、小型多层框架结构，因此这类结构宜采用HRB400级钢筋作为受力主筋。当混凝土强度等级较高或梁柱截面尺寸较大时，HRB500级钢筋的锚固长度才容易满足要求，由于高强度混凝土或较大梁柱截面尺寸多用于高层建筑的下部或需要较大承载力的构件，在这类构件中采用HRB500级钢筋，既可获得更好的节材效果，节点的锚固设计也较容易处理。2.2裂缝宽度分析混凝土规范第7.1.2条规定，钢筋混凝土构件在荷载效应准永久组合下并考虑长期效应影响计算的最大裂缝宽度不应超过规定的最大裂缝宽度限值wlim，最大裂缝宽度wmax应按下列公式计算：（式中参数含义见混凝土规范）从上述公式中可看出，钢筋在荷载效应准永久组合下的工作应力越大，裂缝宽度也越大；此外钢筋直径、混凝土强度等级以及保护层厚度对裂缝宽度也有一定的影响。2.2.1梁裂缝宽度分析图1为相当于一类环境下（保护层厚度20mm，cs=30mm，d=20mm），混凝土强度分别为C30和C40时，梁的计算裂缝宽度比较。由图可以看出，采用HRB335，HRB400级钢筋时，在准永久组合弯矩Mq作用下的计算裂缝宽度均小于规定的限值（0.3mm）；采用HRB500级钢筋当配筋率小于1%时，计算裂缝宽度已超过0.3mm；只有当配筋率超过1%时，裂缝宽度才可满足要求。图1梁裂缝宽度比较2.2.2板裂缝宽度分析板类构件中受力钢筋的直径较小，混凝土保护层厚度也较小，在相同的钢筋工作应力下，裂缝宽度也较小。图2为相当于一类或二a类环境下（保护层厚度15～20mm，cs=20mm），混凝土强度等级为C30、受力钢筋直径分别为12，14mm时，采用HRB335，HRB400，HRB500级钢筋的计算裂缝宽度的比较。从图中可以看出，在一类环境下，当板中受力钢筋直径为12，14mm时，HRB335，HRB400，HRB500MPa在各种配筋率下的计算裂缝宽度均小于规定的限值（0.2mm）；而HRB500级钢筋当配筋率较小时的计算裂缝宽度大于规定的限值（0.2mm），只有当配筋率大于1.25%以后计算裂缝宽度才小于规定的限值。图2板裂缝宽度比较从以上对HRB400，HRB500级钢筋的锚固长度和裂缝宽度的分析可以看出，对于中小型钢筋混凝土结构，构件的截面尺寸不很大，混凝土强度等级多为C30或C40时，HRB400级钢筋的锚固长度和裂缝限值均容易满足要求；HRB500级钢筋只有当混凝土强度较高或构件截面尺寸较大、配筋率也较大时，锚固长度和裂缝限值才容易满足要求，适用于需要较大承载力的构件。结语：对于中小型钢筋混凝土结构，HRB400级钢筋的锚固长度和裂缝限值均容易满足要求，这类结构中宜采用HRB400级钢筋作为受力主筋。HRB500级钢筋只有当混凝土强度较高或构件截面尺寸较大、配筋率也较大时，锚固长度和裂缝限值才容易满足要求，适用于需要较大承载力的结构或构件。高强钢筋用于梁与柱的纵向受力钢筋，大开间楼板、基础厚板以及高层剪力墙的受力钢筋时节材效果显著；而用于构造等辅助钢筋时，节省钢筋的效果并不明显；用HRB500级钢筋代替HRB400级钢筋进行受剪（或受冲切）承载力计算时，箍筋的用量并不能减少。普通混凝土结构中应用的高强钢筋是指强度级别为HRB400级及以上的钢筋，目前在建筑工程规范标准中为HRB400，HRB500级的热轧带肋钢筋。在工程建设中推广应用高强钢筋不仅可优化我国的钢筋品种、减少钢筋用量，还可有效改善梁、柱节点钢筋密集的现象，有利于混凝土浇筑，提高工程质量。讨论高强钢筋混凝土结构设计中的钢筋锚固长度和裂缝宽度控制等问题，对不同强度等级钢筋的用量进行了分析和比较，得出了在受弯构件中用HRB400级钢筋代替HRB335级钢筋用量可减少约15%，用HRB500级钢筋代替HRB335级钢筋用量可减少约30%的结论。参考文献：［1］RISN-TG007-2009热轧带肋高强钢筋在混凝土结构中应用技术导则［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010．［2］GB50010-2010混凝土结构设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2011［3］刘立新，杜朝华．500MPa级钢筋混凝土柱受压性能试验研究［J］．公路交通科技：应用技术版，2011（10）.