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第12章 水工大体积混凝土结构设计中的若干问题（第2页）

　　从多年的工程设计实践来看，水工96规范关于最小配筋率的条文总体上是合理的。

　　但水工96规范的最小配筋率的规定也还存在如下两个问题：

　　（1）对一般钢筋混凝土结构构件所规定的纵向受力钢筋最小配筋率的具体数值（表12-2）仍偏低，与国际主流规范的规定还有相当大的差距，也低于现行的《混凝土结构设计规范》（gb50010—2002），因此有必要考虑作进一步的调整。

　　（2）关于厚度大于5m的结构构件可不受最小配筋率限制的规定，使得截面厚度在5m上下时，用钢量会有很大的突变。

　　12。1。2配置最小配筋量的原因和确定最小配筋率的原则

　　1。配置最小配筋量的原因

　　各家规范对必须配置最小配筋量的原因，看法尚不统一，大体上有如下几点：

　　（1）认为混凝土是一种非延性材料，在配置钢筋以后，结构性能才能得到改变，当配筋量少于一定限度以后，构件的性能就将与无筋的素混凝土结构相差无几。因此，在作为钢筋混凝土结构设计时，对配筋量要有一个起码的要求，这就是最小配筋率。但目前，尚无法从结构构件的延性性能来确定出这个配筋最低限度。

　　（2）对受弯构件等的纵向受拉钢筋，配筋量过小时，混凝土一旦开裂，钢筋立即屈服，裂缝会急剧开展，发生突然性的脆性破坏。

　　（3）受拉钢筋的配筋量不宜小于为了控制温度、干缩裂缝的宽度不过大而必须设置的配筋数量。这是因为在通常的设计计算中，一般都没有计入温度和干缩的作用，所以在确定最小配筋率时，就宜把温度和干缩的影响考虑在内。

　　（4）对钢筋混凝土受压构件（主要是指轴心受压构件），认为配筋过少时，其实际承载力比按钢筋混凝土计算公式得出的为低。因为配筋过少时，在压力持续作用下混凝土的徐变会使钢筋在荷载不大时就达到了屈服；同时，钢筋混凝土柱的浇筑密实度比无筋混凝土为差，如纵向钢筋用量过少，其承载力有可能比同截面的无筋混凝土柱的承载力更弱（但这一因素对墙体的影响就很小）。所以必须配置一定数量的钢筋后，才能用钢筋混凝土结构的公式计算。

　　（5）受压构件总有受到弯矩作用的可能，所以对轴心受压构件应该配置最低限度的钢筋。

　　2。有关确定最小配筋率原则的讨论

　　在确定最小配筋率的原则时，有些问题值得进一步讨论：

　　（1）在国内外有些规范中，受弯构件的受拉钢筋的最小配筋率是按钢筋混凝土正截面计算时钢筋所能承担的极限弯矩mu不小于素混凝土截面所能承担的抗裂弯矩mcr的原则确定的。这一原则对于截面尺寸不会很大的房屋建筑中的一般梁板构件还可适用，但如果把这一原则移用到截面尺寸可能很大的水工底板一类构件，就不一定恰当了。因为当截面尺寸很大时，构件早已满足抗裂要求，也就是说，截面所受的实际外力矩m将远小于截面抗裂弯矩mcr，若此时硬要构件承受事实上不可能出现的、数值上等于mcr的外力矩，并以mu=mcr的原则来确定钢筋用量，在概念上是不妥的。

　　采用mu=mcr的原则来确定受拉钢筋的最小配筋用量，pmin就与配筋特征值ftfy成正比，就会得出在相同荷载和截面尺寸条件下，混凝土等级越高，所需的用钢量也越多的不合理结果。当然，混凝土强度非常高时，脆性将增大，适当提高最小配筋率的水平也是应该的。

　　（2）最小配筋率的规定究竟是为了满足最低限度的承载力要求，还是为了满足控制裂缝宽度，特别是没有计算的温度和干缩作用下的裂缝宽度的要求，各家还有不同的看法。早期的规范大都着眼于承载力要求，但近期的规范也有以裂缝宽度允许限值的大小来确定最小配筋率的。

　　美国aci318规范规定：如果梁的实际配筋量较按承载力要求计算所需的配筋量多出13时，就可不再遵守最小配筋率的限制。这是从承载力要求的观点来处理的。但它同时又规定，板的配筋应满足温度和干缩的要求，在跨度方向和垂直跨度方向，温度干缩钢筋的配筋率不小于0。2%（40号、50号钢筋）或0。18%（60号钢筋或焊接网），这又是从控制裂缝宽度的观点来处理的。

　　（3）偏心受压构件的受拉钢筋和受压钢筋的最小配筋率应该取为同一值，这一点目前已趋于一致，《混凝土结构设计规范》（gb50010—2002）已对《钢筋混凝土结构设计规范》（tj10—74）、《混凝土结构设计规范》（gbj10—89）的传统做法作了修改。

　　（4）对于大体积结构构件（例如厚度大于2。5m的底板和墩墙），在遵守最小配筋率的要求时，就会发生截面尺寸越大，配筋用量也越多的现象。解决这一矛盾的方法目前大体上有如下5种办法：

　　1）认为截面尺寸由稳定或布置条件确定的大体积结构构件，可不受最小配筋率的限制，如水工78规范。但这种处理方法有可能使用钢量下降得太多（当截面尺寸极大时，配筋量理论上可趋近于零），承载力安全度有可能会不足。

　　2）认为当实际配筋量较承载力计算所需的钢筋面积多出若干时，就可不再遵守最小配筋率的规定。如美国aci318规范就规定：实配钢筋面积超出按承载力计算所需的钢筋面积13时，就可不再遵守最小配筋率的规定。这种做法的优点是比较简单，但在所规定的限量处，用钢量将有一很大的跳跃性突变；同时，在截面尺寸还不是太大时，由承载力计算所需的钢筋面积相对较多，所增加的13的数量也就比较大，相反，当截面尺寸很大时，由承载力计算所需的钢筋面积相对很小，所增加的13的数量就微乎其微，如图12-1所示。这就造成了该增加配筋量的地方增加很少；不需要增加配筋量的地方反而有很大的突增。

　　图12-1底板厚度与受拉钢筋截面面积的关系

　　3）除了规定最小配筋率pmin以外，再规定出一个配筋上限，以控制截面尺寸很大时配筋不至于过多。例如美国陆军工程师团《水工建筑物配筋细部设计指示书》中，对一面受约束的构件（如闸墩等底部受基岩约束的竖立墙体），规定在离约束边（基岩）l4高度范围内（在此，l为约束长度，即墙体长），墙体每一侧的水平钢筋配筋率应为0。2%，但配筋量不多于

　　28＠300；上部其余高度范围内的水平钢筋以及墙体竖向钢筋的配筋率应各为0。1%，但不多于

　　19＠300。这种方法比较简单，但对于承受不同荷载、具有不同截面尺寸的不同类别和功用的结构构件，分别给出不同的配筋上限，就不胜其烦而且几乎是不可能了。

　　4）对于按承载力计算出的配筋率小于最小配筋率时的大体积结构构件，配筋用量可由最小配筋率pmin乘以承载力所需的混凝土截面面积（而不是构件原有的全截面面积）来确定。

　　如美国aci318规范规定，受压构件截面大于承载力计算需要时，可按总面积的一半来计算配筋用量。但美国规范所规定的受压柱全部纵向钢筋的最小配筋率为1%，比水工96规范的0。4%高出一倍还多。显然，美国规范这种不问受力大小，单纯以截面面积来确定最小配筋率的办法，虽然十分简便，但显得有些粗糙。

　　5）认为当按承载力要求得出的截面配筋率ppmin的大尺寸厚板，其截面承载力常常未被充分利用，也就是截面所承受的外力矩km（k为承载力安全系数，m为弯矩设计值）小于该截面的极限弯矩mu，其受拉纵向钢筋的配筋量as可由最小配筋率pmin计算得出后，再乘以一个小于1的系数，该系数为截面所承受的外力矩km与该截面的极限弯矩mu的比值kmmu，即

　　水工96规范就是采用这一方法来处理大体积厚板的配筋的。该规范还给出了mu的简明计算公式，使整个计算变得比较简单。用这一方法求得的受拉钢筋面积，不论板厚增加到什么程度，都将保持不变，见图12-1中按式（12-1）计算的曲线。