钢筋混凝土构件中的钢筋代换计算

本文根据《钢筋混凝土结构设计规范》及《钢筋混凝土结构施工及验收规范》有关规定，阐明了钢筋混凝土构件中的钢筋代换方法以及代换后的结构安全度、耐久性。

　　关键词:钢筋代换

　　

　　钢筋混凝土作为当今最主要的建筑材料之一，在工程中已得到广泛的应用。在混凝土结构中，经常有同一构件或截面上配置不同种类或型号钢筋的情况。施工中，由于钢种型号不齐或钢筋直径系列不全而需要进行代换的情况也常会发生，以下就如何进行代换及代换后的验算问题予以探讨。

 

 

　　施工单位进行钢筋代换，在未知内力设计值的情况下，一般只能以构件或截面承载力相等或大于原设计的承载力为基本原则，同时，还要满足构造措施、施工条件并进行正常使用极限状态的有关验算。由于预应力钢筋

涉及的问题较多，一般只对非预应力钢筋进行代换。

 

　　当需要对钢筋进行代换时，施工单位应先征得设计单位的同意，代换必须符合《混凝土结构工程施工及验收规范》（以下简称施工规范）和《混凝土结构设计规范》（以下简称设计规范）的有关规定。

 

　　设计规范规定，在截面受拉区域配置不同种类钢筋的受弯构件，其相对界限受压高度应分别计算，并取其较小值。当纵向受拉钢筋配置两种时，正常使用极限状态下的裂缝宽度、受拉钢筋应力方面应增加两项规定：①

参照规范叠合式受弯构件对纵向受拉钢筋作出应力限制σss≤0.9min（fy1，fy2）；②在最大裂缝宽度计算中，两种钢筋的普通纵向受拉应变相同，但钢筋等效的弹性模量Es和表面特征系数v，在由变形钢筋与光面钢筋截面

面积Asx和Asg混配时，可按下列公式计算：

 

　　Es＝EsxAsx＋EsgAsg

 

　　Asx＋Asg

 

　　v＝0.7Ux＋ug

 

　　Ux＋ug

 

　　上式中Esx、Esg为变形钢筋、光面钢筋的弹性模量；Ux、Ug为受拉区变形钢筋、光面钢筋的总周长。

 

 

　　2.1　按正截面承载力代换

 

　　对受弯构件应符合Mu2≥Mu1，其中Mu2、Mu1分别为代换后和原构件受弯承载力设计值。对受压或受拉构件应符合Nu2≥Nu1，其中Nu2、Nu1分别为代换后和原构件轴承向承载力设计值。

 

　　以上受弯、受压或受拉承载力设计值，应按设计规范的有关公式和实配钢筋截面积计算确定。

 

　　对于Ⅰ－Ⅱ级热轧钢筋之间的代换，设As为原构件施工图中强度为fy1的钢筋载面积，将其中As1部分代换为强度为fy2的钢筋，新代换钢筋的截面积为As2，保留原设计的部分钢筋截面积为As－As1，对纵向受力钢筋

可直接采用下列代换公式：

 

　　fy2As2≥As1

 

　　fy1

 

　　钢筋代换后的总截面积为：

 

　　Ast＝As－As1＋As2，全代换时As＝As1

 

　　代换后受拉区或受压区钢筋合力点应力求与原设计的相重合，对抗震设防的构件，应避免在框架梁端和柱端的钢筋代换中超配钢筋，以确保“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求。

 

　　2.2　按斜截面受剪承载力代换

 

　　一般应符合Vu2≥Vu1，其中Vu2为代换后构件斜截面受剪承载力设计值，Vu1为原构件斜截面受剪承载力设计值。

 

　　在代换中应注意：在原构件中箍筋间距或直径改变的位置分成几个区段，这是为了适应剪力设计值变化而形成的，在代换中应作相应的考虑；无论静力或抗震设计，箍筋和弯起钢筋的超配代换对结构总是有利的。

 

　　在受剪承载力设计值相同的区段内，可直接用以下公式代换：

 

　　ηfyv2Asv2/S2h0＋0.8fy2Asb2sina≥ηfyv1Asv1/S1h0＋0.8fy1Asb1sina

 

　　式中，η系数，对承受均布荷载为主的构件取1.5，对承受集中荷载为主的构件取1.25；h0为截面的有效高度；a为弯起钢筋与轴线所成的夹角；Asv1。Asv2分别为原设计的和代换的配置在同一截面内箍筋各肢的全部

截面积；s1、s2分别为原设计的和代换的箍筋间距；fyv1、fyv2分别为原设计的和代换的箍筋抗拉强度设计值，Asb1、Asb2分别为原设计的和代换的同一弯起平面内的普通弯起钢筋截面积。

 

　　上述计算式适用于箍筋与弯起钢筋各自承担剪力之间的调配；对无弯起钢筋的区段，可取Asb＝0，上式便可直接用于箍筋之间的代换，当箍筋的钢种不变时，仅是改变箍筋的直径、间距、肢距等；箍筋与弯起钢筋并

存时，代换应符合规范的构造规定，且箍筋的形式不宜改变。

 

 

　　钢筋混凝土构件的纵向受力钢筋按正截面承载力代换后，还应对纵向受拉钢筋应力、裂缝宽度、刚度等性能进行验算，以达到原设计的要求。下面以钢筋混凝土受弯构件为例作具体分析。

 

　　3.1　纵向受拉钢筋应力验算

 

　　对于受弯构件，可按设计规范第四章中的有关公式计算正截面受弯承载力Mu，然后按下式确定荷载短期效应组合的弯矩值：

 

　　Ms＝Mu/γs

 

　　对于仅承受一种活荷载的情况，平均荷载系数γs可按下式求得：γs＝（1.2Gk＋1.4Qk）/（Gk＋Qk），当Qk＞4KN/m2时，其系数1.4改为1.3。如果不能获得荷载标准值Gk、Qk时，可近似取用γs＝1.27，这是规范在可靠度分析时作校准用的数值。

 

　　根据设计规范第五章的纵向受拉钢筋应力公式和本文第1节公式，可得由应力控制所需代换的纵向受拉钢筋截面面积As：

 

　　As≥Ms/0.783fy2h0

 

　　3.2 最大裂缝宽度验收

 

　　当纵向受拉钢筋按承载力代换后，还应按设计规范对最大裂缝宽度进行验算，公式如下（参数含义详见设计规范）：

 

　　ωmax＝aaбss/Es（2.7c＋0.1d/ρte）v

 

　　ω＝1.1－0.65ftk/ρteбss

 

　　应用上式时与钢筋有关的参数均应按代换后钢筋的参数采用，混配时参数Es和v可按第1节的公式计算。

 

　　一般情况下，用强度较高的钢筋来代换强度较低的钢筋时，钢筋截面积将会由最大裂缝宽度确定；用强度较低的代换强度较高的时，最大裂缝宽度验算小于原设计值。部分代换的混配钢筋虽然可满足裂缝要求，但因应

力限制而增加了用钢量，因此代换中一般不采用。

 

　　3.3 刚度验算

 

　　当纵向受拉钢筋按承载力全部代换后，仍应验算构件的挠度。一般可用代换前后的短期刚度进行比值来判断。若下式成立，就可不验算挠度：

 

　　Bs2　　　　1.15Φ1+0.2+6d1p1/(1+3.5rf1)　 EsAst

 

　　＝×Bs1 1.15Φ2+0.2+6d2p2/(1+3.5rf1)　Es1As