钢筋混凝土结构最小配筋率文献综述

钢筋混凝土构件最小配筋率文献综述

摘要：1999年我国部分专家提出了“应大幅度提高我国建筑结构可靠度”的建议，其中证明我国可靠度过低的主要论据之一是我国钢筋混凝土结构构件的纵筋最小配筋率与国外规范相比取值过低。国内部分专家学者对受拉和受压纵筋最小配筋率的功能作了进一步研究，对各国规范有关规定作了较细致的对比分析。本文主要概括介绍有关钢筋混凝土受弯构件受拉纵筋最小配筋率的研究情况。

关键词：钢筋混凝土、最小配筋率、受弯构件

1.规范的规定

1.1《混凝土结构设计规范》GB50010 - 2002 （以下简称《规范》)第9.5.1规定:受弯构件纵向受力钢筋的最小配筋百分率( % )为012和45ft/fy中的较大值,并说明受弯构件一侧受拉钢筋的配筋率应按全截面面积扣除受压翼缘面积(b′f-b)h′f后的截面面积计算(即按矩形截面的全面积计算)。

1.2 《规范》第9.5.2条规定：对卧置于地基上的混凝土板，板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应小于0.15%。

1.3 《规范》第11.3.6规定：框架梁纵向受拉钢筋的最小配筋百分率( % ) 抗震等级 一级 二级 三、四级 梁支座 0.004和0.8ft/fy的较大值 0.003和0.65ft/fy的较大值 0.0025和0.55ft/fy的较大值 梁跨中 0.003和0.65ft/fy的较大值 0.0025和0.55ft/fy的较大值 0.002和0.45ft/fy的较大值 2 非抗震混凝土梁抗弯性能及受拉纵筋最小配筋率的研究

匀质弹性材料梁加载时，其变形规律符合平截面假定（平截面在梁弯屈后仍保持平面），由于材料性能符合虎克定律（应力与应变成正比），受压区和受拉区的应力分布图形都是三角形。此外，梁的挠度与弯矩也将保持线性关系。 钢筋混凝土梁是由钢筋和混凝土两种材料所组成，且混凝土是非弹性、非匀质材料，抗拉强度又远小于其抗压强度，因而其受力性能有很大不同。研究钢筋混凝土梁的受弯性能，首先要进行梁加载试验。

素混凝土梁用作受弯构件是不能胜任的，因为它的抗拉强度与抗压强度相比

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只是很小一部分。所以，这种梁早在受压侧混凝土的强度得到充分利用之前，在很小的荷载作用下受拉一侧即先行破坏。

因此，钢筋应布置在受拉侧尽可能靠近最外受拉纤维处，但要符合钢筋的适当防火和防腐蚀的要求。在这样的钢筋混凝土梁中，弯矩引起的拉力主要由钢筋来承受，而混凝土通常只承受相应的压力。当作用在这样的梁上的荷载从零逐渐增加到使梁破坏时，可清楚地区分出几个不同性能的阶段。

在低荷载时，只要混凝土的最大拉应力小于抗拉强度，整个混凝土都有效地承受应力，中和轴的一侧受压而另一侧受拉。此外，与其相邻混凝土有相同变形的钢筋也承受拉力。在这一阶段混凝土中的所有应力都不大，且与应变成正比。 当荷载进一步增加，很快就达到混凝土的抗拉强度，钢筋混凝土梁拉区混凝土开裂后，全部拉力将由受拉筋负担，受弯钢筋应力σs显著增大。当配筋率过低时，混凝土一开裂σs超过其屈服强度，进入强化阶段甚至直接被拉断。这说明由于配筋率ρ过小，钢筋所能承受的拉力尚不足以负担原来由拉区混凝土所承受的拉力，即钢筋混凝土梁的Mu尚低于同样截面、同样混凝土强度的素混凝土梁的开裂弯矩Mcr。这种梁称为少筋梁，其破坏特征是直接被拉断，或者拉区混凝土突然出现一条很宽的裂缝，荷载迅速下降，尽管开裂后梁仍保留有一定的承载力，但梁已发生严重开裂下垂，这部分承载力实际上是不能利用的。少筋梁属于脆性破坏，既不经济，又不安全，故在建筑结构中不允许采用。为了防止这种严重损害构件工作质量的现象，可以考虑用“有实配受拉钢筋计算出的抗弯能力

Mu等于开裂弯矩

MuMcrMcr”作为确定受拉钢筋最小配筋率的基本条件，即：

（1）

或者可以进一步写成

AsfyzrftW0 （2）

通过简化分析，则可以写成以下形式：

minftfy （3）

取值为0.45，此时min0.002，但考虑到依据我国对材料离散性的统计结

果，将取为0.5可能更好些。

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3 抗震混凝土梁抗弯性能及受拉纵筋最小配筋率的研究

根据抗震基本要求，当框架梁端在负弯矩或正弯矩作用下进入屈服后变形状态之后，都应保持其相应的对负弯矩或正弯矩的基本抗弯能力直到罕遇地震所引起的结构非弹性变形状态，或者说具有罕遇地震所需要的延性；同时，还应能通过其非弹性滞回性能耗散地震输入的能量，减小强震下的结构非弹性反应。但要保证梁端具有上述抗震性能，还有一个必须满足的条件，即上部纵筋和下部纵筋的数量都必须使由实际配筋算得的抗负弯矩能力 |Mua-|和抗正弯矩能力Mua+ 分别大于相应方向的截面开裂弯矩 |Mcr-|和Mcr+ ，即应满足 |Mua-|≥| Mcr-|和M+ua≥ Mcr+ 的基本要求。因为只有这样，当截面首次受到较大的组合负弯矩或组合正弯矩作用时，才能如图1a先开裂，后屈服，并保证形成屈服后符合抗震要求的滞回性能。

但是在工程中有可能出于某些原因而选用了过大的梁截面，使常遇地震下的组合弯矩小于截面在相应弯矩作用方向的开裂弯矩。这时，截面在该方向常遇地震组合弯矩作用下一般将不会开裂，但若钢筋数量仍按常遇地震组合弯矩确定，则一旦出现更大地震，使组合弯矩超过了截面开裂弯矩，并导致截面受拉区开裂，则由于开裂前原来由受拉区混凝土承受的拉力转由数量不足的受拉钢筋承担，钢筋将立即进入屈服后变形状态，且形成较大的塑性应变，在最不利情况下甚至被拉断。在图 1b 中给出了当上部钢筋配筋率偏低，即 | Mcr-| > | Mua-|时，截面开裂前后的梁端弯矩 - 转角曲线。

在图 1c 中则给出了当上部钢筋数量足够，但下部钢筋配筋率过低时的类似不利情况。从中可以清楚看出，开裂后截面抗弯能力的陡降以及随后的塑性变形迅速发育和甚至有可能导致的截面失效。鉴于一旦出现这种情况，梁端将在相应方向丧失受弯承载力，无法保证结构在后续动力反应过程中的延性和塑性耗能能力，因此，在抗震设计中应着力防止发生这种情况。具体办法是对正、负弯矩受拉钢筋规定适度的最小配筋率，以使由受拉钢筋形成的截面抗弯能力大于该弯矩作用方向的截面开裂弯矩；或者更准确地说，是保证以较高的概率实现M+ua>M+cr和|M-ua|>|M-cr|。

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（a）当 |My-|>|Mcr-|且（b）当|My-|<|Mcr-| （c）当|My-|>|Mcr-| |My+|>|Mcr+|时 但 My+抗震框架梁纵向受拉钢筋的最小配筋百分率规范的具体取值见1.3。

4 基础最小配筋率的研究

《建筑地基基础设计规范ＧＢ５０００７－２００２》８．２．７ 条 ３ 款规定：基础底板的配筋，应按抗弯计算确定。《 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 ＧＢ５００１０－２００２》９.５.２ 条规定：对卧置于地基板上的混凝土板，板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应低于0.15％ ；该条的条文说明又说是指“厚板 ”，多少厚度以上的板才能称 “ 厚板 ”规范并没有明确 。根据该取值，设备基础越厚配筋越高。该最小配筋率的取值没有考虑大体积混凝土设备基础的实际情况，按固定的最小配筋率取值势必会导致设备基础底板越厚配筋越大。而实事上由于大体积混凝土设备基础的基础较大，如果不考虑非荷载因素设备和最小配筋率的限制，设备基础配筋将很小；大体积混凝土设备基础中非荷载因素（如混凝土中的温度应力或混凝土的收缩）是不可忽略的，但这此因素对大体积设备基础最小配筋率的影响目还有待进一步研究。

5 总结

在过去很长的一段时间内，我国建筑结构各类混凝土构件受拉钢筋最小配筋率的规定与其他国家相比明显偏低，远未达到受拉混凝土开裂后受拉钢筋不致立即屈服的水平。原规范曾对受拉钢筋最小配筋率作了小幅度提高，但未从根本上改变最小配筋率偏低的状态。02规范的修改适当提高了受弯构件、偏心受拉构件的受拉钢筋最小配筋率。控制受弯构件、偏心受拉、轴心受拉构件的受拉钢筋的最小配筋率时，引入配筋特征值（ft/fy），反应了钢筋的最小配筋率与混凝土强度和钢筋强度的关系。

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对于抗震框架梁受拉钢筋最小配筋率的取值我国规范取最小配筋率与抗震等级有关，也可以说与结构所在地区地震作用大小有关，而且支座和跨中（也就是指上部梁筋与下部梁筋）的最小配筋率取值不同；为了以足够高的概率实现受拉混凝土开裂后受拉钢筋不致立即屈服，有关文献建议用于我国规范的抗震框架梁受拉钢筋最小配筋率如下表： 抗震等级 一、二级 三、四级 梁端上部纵筋 0.004和0.8ft/fy的较大值 0.003和0.65ft/fy的较大值 梁全长下部纵筋 0.0035和0.7ft/fy的较大值 0.0025和0.55ft/fy的较大值 新规范中对于受弯构件的最小配筋率没有区分梁类构件和板类构件，现浇板混凝土强度等级偏高时，受拉钢筋用量常由最小配筋率控制，与原规范相比，用钢量增大幅度较大。这是有待进一步研究的问题。

参考文献：

[1] 《混凝土结构设计规范》， GBJ50010-2002。 [2] 《建筑地基基础设计规范》， GBJ50007-2002。

[3] 谭周玲，余瑜，傅剑平，白绍良.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. 2003，（4）

[4] 余瑜，谭周玲，傅剑平，白绍良.抗震框架梁受拉钢筋最小配筋率的功能和取值〔J〕.重庆建筑大学学报. 2003，（6）

[5] 同济大学，《混凝土结构基本原理》，顾祥林主编，同济大学出版社，2004年

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