试论钢筋混凝土受弯构件最小配筋率选用
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【摘 要】 配筋率是保证安全使用影响承载力的主要因素，合理确定钢筋的最小配筋率，确保建筑物安全并带来良好的社会及经济效益，本文根据现行设计规范对结构的最小配筋率分析探讨。
【关键词】 钢筋砼结构；最小配筋率；受弯构件；带肋钢筋
现行的国家规范“砼结构设计规范”(GB50010-2002) 中把HRB400钢筋确定为钢筋砼结构的主导用筋。其后冶金企业研制开发的符合国情标准“钢筋砼用热轧带肋钢筋”(GB1499-1998) 的新型号筋。HRB500钢筋具有强度高、延性好、耐高低温、耐疲劳和可加工性能好的优点，符合砼结构对建筑用筋性能指标的主要内容要求。HRB500钢筋在建筑行业中己得到广泛使用，会促进其它相关建筑材料的发展提高，因此而带来可观的社会及经济效益，促进建筑业健康有序的发展具有重要意义。
钢筋砼梁的主筋纵向筋配筋率是保证安全使用影响承载力的主要因素，配筋率的变化不仅使梁的受弯承载力产生变化，而且会使梁的受力性能和破坏特征发生质的变化。当纵向主筋配筋率少到一定值后，梁的受力性能会产生大的变化，同无筋素砼梁没有什么差别。当这种梁一旦在受拉区的砼出现开裂，裂缝截面的拉力会很快超过屈服强度而进入强化阶段，造成整根梁发生撕裂，甚至使整个钢筋被拉断，这种破坏现象没有明显的预兆，属于脆性破坏。为了防止这种脆断的产生，钢筋砼结构设计规范明确规定：钢筋砼受弯构件的纵向受力主筋的配筋率不能低于某一限定值，该值即为受控钢筋的最小配筋率。HRB500钢筋作为一种新型的高强钢筋，已经在工程实践应用范围较广,必须合理确定其作为受拉钢筋的最小配筋率。在实践应用中探讨对HRB500钢筋作为受弯构件纵向主受拉的最小配筋率作浅要分析。
1最小配筋率确定的一般原则
钢筋砼受弯构件的最小配筋率是一个比较复杂的技术问题。试验和理论分析均表明,构件的最小配筋不仅与受力形态、表面尺寸及形式、材料强度有关,而且与受荷时间的长短、温度变化的大小、收缩及徐变的程度有关。目前世界一些国家对钢筋砼受弯构件的受拉钢筋最小配筋率的取值方法基本上有两种：即模型法和经验法。模型法是以截面受拉区砼开裂后，受拉钢筋由于配置过少而立即屈服进入强化阶段，此时的受拉钢筋配筋的最小配筋率。经验法是指直接给出最小配筋率的的取值，而没有受完整的受力模型作为取值准则，但其中也从不同角度考虑了一些因素对最小钢筋率取值的影响，所考虑的这些因素的影响规律与模型方案的趋势有一定的近似性。
而国内现行的《混凝土结构设计规范》对钢筋砼受弯构件的最小配筋率的确定原则是：截面开裂后，构件不会立即失效（裂而不断），即在最小配筋率的条件下，构件的抗弯承载力不低于同截面素混凝土构件的开裂弯矩，即：
MEY≤Mu ①
现以单筋矩形截面承受纯弯矩作用为例探讨钢筋砼受弯构件的纵向主受拉钢筋的最小配筋率问题。首先要计算钢筋砼梁的开裂弯矩。由于钢筋砼梁开裂时，钢筋的应力很低，因此计算钢筋砼梁开裂弯矩时，可以忽略钢筋的作用，即钢筋砼梁的开裂弯矩等于素砼的开裂弯矩。根据文献对素砼梁的开裂弯矩的推导计算，无筋素砼梁的开裂弯矩为：
MEY =0.256Ｆｆtbh2 ②
试中： ｆt-为混凝土轴心抗拉强度设计值。
根据钢筋砼梁的受力进行过程, 按照现行砼设计规范关于正截面承载力计算的基本假定“不考虑砼的抗拉强度”,假定钢筋砼梁达到极限承载力状态时的截面力臂为yho，其中y为内力臂长度系数,则钢筋砼梁的极限弯矩为:
MU = yhoòyAS
此时òy= fyAS =pmin bho Y=1
MU = ho fypmin bho③
将式②、式③ 带入式① 以后，求出：
pmin=0.256ｆt / fy[h/ho]2 ④
2国内不同时期砼结构设计规范对最小配筋率的规定
根据介绍对世界各有关国家砼结构设计规范，对钢筋砼受弯构件规定的最小配筋率进行了简单比较，见表1。为转化为国内材料强度后各有关国家砼结构设计规范，对钢筋砼受弯构件规定的最小配筋率表达式。
表1不同国家对钢筋砼构件最小配筋率计算要求
我国的设计规范对于钢筋砼受弯构件，确定的最小配筋率的规定基本上是沿用前苏联20世纪五、六十年代的规定,数值明显偏低。随着我国国力的增强,结构设计的安全度增大以及结构耐久性设计概念的应用,钢材供应状况及水平的偏高,每次规范修订均适当提高了受力钢筋的最小配筋率,而且使其更为合理。a.在原《钢筋混凝土结构设计规范》TJ10-74中规定受弯构件最小配筋百分率:当砼强度标号为200号及以下时为0.1;当砼强度标号为250-400号时为0.15。b.在进行了修改后的《混凝土结构设计规范》GBJ10-1989中规定受弯构件最小配筋百分率:当砼强度等级为C35时为0.15；当砼强度等级为C40-C60时为0.2。c.在现行的《混凝土结构设计规范》GB50010-2002中规定受弯构件最小配筋百分率为0.2和45 ft / fy中的较大值。
从国各内各个阶段设计规范对最小配筋率规定的变化可以看出:随着我国改革开放的进一步推进,国民经济收入稳步的提高,对结构安全度的要求逐渐提高,综合考虑各种因素,构件的最小配筋率均有提高,而且考虑了材料强度的影响,有利于促进高强材料在工程中的大量应用。
3HRB500钢筋砼受弯构件的最小配筋率的应用
根据我国现行的《钢筋砼用热扎带肋钢筋》GB1499-1998中规定:HRB 335的屈服强度为335 MPa，HRB 400的屈服强度为400 MPa,HRB 500的屈服强度为500 MPa。我国现行的《混凝土结构设计规范》规定：HRB 335的屈服强度设计值为300 MPa，HRB 400的屈服强度设计值为360 MPa，不同种类钢筋材料分项系数ys均为1.10，因此HRB500钢筋的屈服强度设计值应取为450MPa。根据资料介绍的试验结果并考虑到裂缝宽度的影响，对HRB500钢筋的屈服强度设计值建议为420MPa，材料分项系数ys为1.19。根据我国现行的《混凝土结构设计规范》GB50010-2002中规定受弯构件最小配筋率百分率公式45 ft / fy，分别计算出各种钢筋的最小配筋率。详见表2。
表2钢筋混凝土受弯构件配筋率要求
根据表2可以看出，钢筋砼构件的最小配筋率的确定，不完全是技术问题，还反映了某一地区当时的经济建设发展水平，具有一定的社会性和政策性。因此，考虑将HRB 500钢筋砼受弯构件的最小配筋率百分率（%）为：当混凝土强度等级不大于C30时为0.15，当砼强度等级为C30以上时为0.2和45ft / fy 中的较大值为宜。根据上述浅要分析，国家推广应用HRB500钢筋不仅可以满足建筑行业科技飞速发展的需用，还具有明显的经济效益和社会效益。为了在工程实践中大力推广HRB500钢筋，考虑到我国实际国情，要采用HRB 500钢筋砼受弯构件的最小百分率（%）为：当砼强度等级不大于C30时为0.15，当砼强度等级为C30以上时为0.2和45ft / fy，中的较大值安全。
参考文献
1徐有邻等．混凝土结构设计规范理解与应用．中国建筑工业出版社, 2002
2张艇.HRB500钢筋砼构件受力性能的试验研究[D].学位论文.郑州 大学,2004(4)
3谭周玲等.非抗震梁受拉钢筋最小配筋率取值分析与建议[J].重庆 建筑大学学报,2004(25)2
【关键词】 钢筋砼结构；最小配筋率；受弯构件；带肋钢筋
现行的国家规范“砼结构设计规范”(GB50010-2002) 中把HRB400钢筋确定为钢筋砼结构的主导用筋。其后冶金企业研制开发的符合国情标准“钢筋砼用热轧带肋钢筋”(GB1499-1998) 的新型号筋。HRB500钢筋具有强度高、延性好、耐高低温、耐疲劳和可加工性能好的优点，符合砼结构对建筑用筋性能指标的主要内容要求。HRB500钢筋在建筑行业中己得到广泛使用，会促进其它相关建筑材料的发展提高，因此而带来可观的社会及经济效益，促进建筑业健康有序的发展具有重要意义。
钢筋砼梁的主筋纵向筋配筋率是保证安全使用影响承载力的主要因素，配筋率的变化不仅使梁的受弯承载力产生变化，而且会使梁的受力性能和破坏特征发生质的变化。当纵向主筋配筋率少到一定值后，梁的受力性能会产生大的变化，同无筋素砼梁没有什么差别。当这种梁一旦在受拉区的砼出现开裂，裂缝截面的拉力会很快超过屈服强度而进入强化阶段，造成整根梁发生撕裂，甚至使整个钢筋被拉断，这种破坏现象没有明显的预兆，属于脆性破坏。为了防止这种脆断的产生，钢筋砼结构设计规范明确规定：钢筋砼受弯构件的纵向受力主筋的配筋率不能低于某一限定值，该值即为受控钢筋的最小配筋率。HRB500钢筋作为一种新型的高强钢筋，已经在工程实践应用范围较广,必须合理确定其作为受拉钢筋的最小配筋率。在实践应用中探讨对HRB500钢筋作为受弯构件纵向主受拉的最小配筋率作浅要分析。
1最小配筋率确定的一般原则
钢筋砼受弯构件的最小配筋率是一个比较复杂的技术问题。试验和理论分析均表明,构件的最小配筋不仅与受力形态、表面尺寸及形式、材料强度有关,而且与受荷时间的长短、温度变化的大小、收缩及徐变的程度有关。目前世界一些国家对钢筋砼受弯构件的受拉钢筋最小配筋率的取值方法基本上有两种：即模型法和经验法。模型法是以截面受拉区砼开裂后，受拉钢筋由于配置过少而立即屈服进入强化阶段，此时的受拉钢筋配筋的最小配筋率。经验法是指直接给出最小配筋率的的取值，而没有受完整的受力模型作为取值准则，但其中也从不同角度考虑了一些因素对最小钢筋率取值的影响，所考虑的这些因素的影响规律与模型方案的趋势有一定的近似性。
而国内现行的《混凝土结构设计规范》对钢筋砼受弯构件的最小配筋率的确定原则是：截面开裂后，构件不会立即失效（裂而不断），即在最小配筋率的条件下，构件的抗弯承载力不低于同截面素混凝土构件的开裂弯矩，即：
MEY≤Mu ①
现以单筋矩形截面承受纯弯矩作用为例探讨钢筋砼受弯构件的纵向主受拉钢筋的最小配筋率问题。首先要计算钢筋砼梁的开裂弯矩。由于钢筋砼梁开裂时，钢筋的应力很低，因此计算钢筋砼梁开裂弯矩时，可以忽略钢筋的作用，即钢筋砼梁的开裂弯矩等于素砼的开裂弯矩。根据文献对素砼梁的开裂弯矩的推导计算，无筋素砼梁的开裂弯矩为：
MEY =0.256Ｆｆtbh2 ②
试中： ｆt-为混凝土轴心抗拉强度设计值。
根据钢筋砼梁的受力进行过程, 按照现行砼设计规范关于正截面承载力计算的基本假定“不考虑砼的抗拉强度”,假定钢筋砼梁达到极限承载力状态时的截面力臂为yho，其中y为内力臂长度系数,则钢筋砼梁的极限弯矩为:
MU = yhoòyAS
此时òy= fyAS =pmin bho Y=1
MU = ho fypmin bho③
将式②、式③ 带入式① 以后，求出：
pmin=0.256ｆt / fy[h/ho]2 ④
2国内不同时期砼结构设计规范对最小配筋率的规定
根据介绍对世界各有关国家砼结构设计规范，对钢筋砼受弯构件规定的最小配筋率进行了简单比较，见表1。为转化为国内材料强度后各有关国家砼结构设计规范，对钢筋砼受弯构件规定的最小配筋率表达式。
表1不同国家对钢筋砼构件最小配筋率计算要求
我国的设计规范对于钢筋砼受弯构件，确定的最小配筋率的规定基本上是沿用前苏联20世纪五、六十年代的规定,数值明显偏低。随着我国国力的增强,结构设计的安全度增大以及结构耐久性设计概念的应用,钢材供应状况及水平的偏高,每次规范修订均适当提高了受力钢筋的最小配筋率,而且使其更为合理。a.在原《钢筋混凝土结构设计规范》TJ10-74中规定受弯构件最小配筋百分率:当砼强度标号为200号及以下时为0.1;当砼强度标号为250-400号时为0.15。b.在进行了修改后的《混凝土结构设计规范》GBJ10-1989中规定受弯构件最小配筋百分率:当砼强度等级为C35时为0.15；当砼强度等级为C40-C60时为0.2。c.在现行的《混凝土结构设计规范》GB50010-2002中规定受弯构件最小配筋百分率为0.2和45 ft / fy中的较大值。
从国各内各个阶段设计规范对最小配筋率规定的变化可以看出:随着我国改革开放的进一步推进,国民经济收入稳步的提高,对结构安全度的要求逐渐提高,综合考虑各种因素,构件的最小配筋率均有提高,而且考虑了材料强度的影响,有利于促进高强材料在工程中的大量应用。
3HRB500钢筋砼受弯构件的最小配筋率的应用
根据我国现行的《钢筋砼用热扎带肋钢筋》GB1499-1998中规定:HRB 335的屈服强度为335 MPa，HRB 400的屈服强度为400 MPa,HRB 500的屈服强度为500 MPa。我国现行的《混凝土结构设计规范》规定：HRB 335的屈服强度设计值为300 MPa，HRB 400的屈服强度设计值为360 MPa，不同种类钢筋材料分项系数ys均为1.10，因此HRB500钢筋的屈服强度设计值应取为450MPa。根据资料介绍的试验结果并考虑到裂缝宽度的影响，对HRB500钢筋的屈服强度设计值建议为420MPa，材料分项系数ys为1.19。根据我国现行的《混凝土结构设计规范》GB50010-2002中规定受弯构件最小配筋率百分率公式45 ft / fy，分别计算出各种钢筋的最小配筋率。详见表2。
表2钢筋混凝土受弯构件配筋率要求
根据表2可以看出，钢筋砼构件的最小配筋率的确定，不完全是技术问题，还反映了某一地区当时的经济建设发展水平，具有一定的社会性和政策性。因此，考虑将HRB 500钢筋砼受弯构件的最小配筋率百分率（%）为：当混凝土强度等级不大于C30时为0.15，当砼强度等级为C30以上时为0.2和45ft / fy 中的较大值为宜。根据上述浅要分析，国家推广应用HRB500钢筋不仅可以满足建筑行业科技飞速发展的需用，还具有明显的经济效益和社会效益。为了在工程实践中大力推广HRB500钢筋，考虑到我国实际国情，要采用HRB 500钢筋砼受弯构件的最小百分率（%）为：当砼强度等级不大于C30时为0.15，当砼强度等级为C30以上时为0.2和45ft / fy，中的较大值安全。
参考文献
1徐有邻等．混凝土结构设计规范理解与应用．中国建筑工业出版社, 2002
2张艇.HRB500钢筋砼构件受力性能的试验研究[D].学位论文.郑州 大学,2004(4)
3谭周玲等.非抗震梁受拉钢筋最小配筋率取值分析与建议[J].重庆 建筑大学学报,2004(25)2