高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求中國建筑科學(xué)研究院

朱愛萍

副研究員

2015年1月13日提綱一、基本要求二、主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值三、設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算四、構(gòu)造要求五、后續(xù)研究3

基本要求

普通高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)：

–

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB

50010

–

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB

50011

–

《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T

50476

–

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ

3

特種高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚應(yīng)符合各專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：–

《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ

12–

《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS

38–行標(biāo)《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》在編提綱一、基本要求二、主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值三、設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算四、構(gòu)造要求五、后續(xù)研究–

軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：fck=，其中0.88為修正系數(shù)，考慮結(jié)構(gòu)中混凝土

實(shí)體強(qiáng)度與立方體試件強(qiáng)度的差異；αc1為立方體抗壓強(qiáng)度換算為棱柱體抗壓強(qiáng)度的

系數(shù)，C50及以下取0.76，C80取0.82，中間線性差值；

αc2為脆性折減系數(shù)，

C40及

以下取1.0，C80取0.87，中間線性差值。–

軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：

ftk=–

鋼纖維混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值

4.2.1

高性能混凝土強(qiáng)度確定方法

–

《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》GB/T

50107

–

按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定

–

按標(biāo)準(zhǔn)方法制作、養(yǎng)護(hù)的邊長為150mm的立方體試件，在28d或設(shè)計(jì)規(guī)定齡期以標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)方法測得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度值

4.2.2

軸心抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值、軸心抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值

4.2.3

軸心抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值、軸心抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值–

強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料分項(xiàng)系數(shù)，混凝土的材料分項(xiàng)系數(shù)為1.4主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值–

泊松比：0.20–

混凝土的組成成分不同，變形性能也有所不同，當(dāng)有可靠試驗(yàn)依據(jù)時(shí)，可根據(jù)實(shí)測

數(shù)據(jù)確定彈性模量等主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值

4.2.4

變形參數(shù)：彈性模量、剪切變形模量及泊松比

–

彈性模量：

–

剪切變形模量：Gc=0.4Ec提綱一、基本要求二、主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值三、設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算四、構(gòu)造要求五、后續(xù)研究

承載力極限狀態(tài)計(jì)算–

含義：鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大的設(shè)計(jì)承載

力，或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的極限變形時(shí)所對應(yīng)的承載力–

主要內(nèi)容：

正截面、斜截面、扭曲截面、沖切、局壓和疲勞–

特殊構(gòu)件：深受彎構(gòu)件、牛腿、疊合式構(gòu)件–

承載力計(jì)算表達(dá)式：–

應(yīng)力設(shè)計(jì)的表達(dá)：內(nèi)力等代法；三維應(yīng)力設(shè)計(jì)的多軸強(qiáng)度準(zhǔn)則設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算–裂縫寬度驗(yàn)算：一級：消壓狀態(tài)(零應(yīng)力控制)；

二級：不開裂(抗拉強(qiáng)度控制)；

三級：裂縫寬度控制，裂縫寬度限值表。

荷載：標(biāo)準(zhǔn)組合-一、二級及三級預(yù)應(yīng)力構(gòu)件；

準(zhǔn)永久組合-鋼筋混凝土構(gòu)件及不利環(huán)境預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。

最大裂縫寬度限值表：

根據(jù)構(gòu)件類型、裂縫控制等級、環(huán)境類別確定；

最大裂縫寬度限值：0.1、

0.2、

0.3、(

0.4)mm；

可根據(jù)具體工程情況作適當(dāng)調(diào)整。設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算

變形

應(yīng)力

裂縫寬度

正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

自振頻率

–

表達(dá)式：S（荷載組合效應(yīng)）≤C（限值）

–

變形控制：

受彎構(gòu)件的撓度限值

按構(gòu)件類型確定相對撓度限值，可根據(jù)使用要求加嚴(yán)反拱撓度的限值

4.3.1

受彎構(gòu)件計(jì)算–

主要考慮彎矩平衡、力的平衡及受壓區(qū)高度–

簡化計(jì)算：受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力圖形可簡化為等效的矩形應(yīng)力圖–

矩形應(yīng)力圖的受壓區(qū)高度x：截面應(yīng)變保持平面假定所確定的中和軸高度乘以系數(shù)β1當(dāng)混凝土強(qiáng)度不超過C50，

β1取為0.80；混凝土強(qiáng)度級為C80時(shí)，β1取為0.74，其間按線性內(nèi)插法確定。–

矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值：由混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

乘以系數(shù)α1確定。當(dāng)混凝土強(qiáng)度

等級不超過C50時(shí)，

α1取為1.0，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C80時(shí)，

α1取為0.94，其間按線性內(nèi)插法確定。–

當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級大于C80：

β1

、

α1

可仍按線性插值取值，但削弱了高強(qiáng)混凝的作用。設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算（公式1）

當(dāng)普通鋼筋的配筋率大于3%時(shí)，要扣除鋼筋面積–

配置螺旋式或焊接環(huán)式間接鋼筋的正截面受壓承載力：

（公式2）式中：α為間接鋼筋對混凝土約束的折減系數(shù)：當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級不超過C50時(shí)，取1.0

當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C80時(shí)，取0.85，其間按線性內(nèi)插法確定。

注：

按（公式2）算得的構(gòu)件受壓承載力設(shè)計(jì)值不應(yīng)大于按（公式1）算得的構(gòu)件受壓

承載力設(shè)計(jì)值的1.5倍；

不應(yīng)計(jì)入間接鋼筋的影響的情況：1）當(dāng)l0/d

>12時(shí)；

2）當(dāng)按（公式2)算得的受壓

承載力小于按（公式1）算得的受壓承載力時(shí)；

3）當(dāng)間接鋼筋的換算截面面積

小

于縱向鋼筋的全部截面面積的25%時(shí)。

設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算

4.3.2

受壓構(gòu)件計(jì)算

–

正截面受壓承載力：配置彎起鋼筋：計(jì)算截面：支座邊緣處的截面、

受拉區(qū)彎起鋼筋彎起點(diǎn)處的截面、

箍筋截面面積或

間距改變處的截面、

截面尺寸改變處的截面。

設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算

4.3.3

受剪構(gòu)件計(jì)算

–

截面控制：防止構(gòu)件截面發(fā)生斜壓破壞(或腹板壓壞)；

限制在使用階段可能發(fā)生的斜裂縫寬度；

構(gòu)件斜截面受剪破壞的最大配箍率條件。

–

受剪承載力：

不配置箍筋和彎起鋼筋的一般板類構(gòu)件：

配置箍筋的矩形、T形和I形截面受彎構(gòu)件：

4.3.4

其他受力構(gòu)件–

扭曲截面承載力計(jì)算：受力特點(diǎn)：截面剪應(yīng)力流呈扇形分布，外大內(nèi)小，構(gòu)成環(huán)流；沿表層配置的縱筋、箍筋承擔(dān)斜向主拉應(yīng)力；斜向螺旋狀裂縫；很少純扭構(gòu)件。截面控制：保證構(gòu)件在破壞時(shí)混凝土不首先被壓碎。受扭承載力：受扭塑性抵抗矩Wt；矩形、T形、I形、箱形截面受扭承載力計(jì)算。受扭截面的復(fù)合受力計(jì)算：壓扭、拉扭、剪扭、彎剪扭、壓彎剪扭、拉彎剪扭。–

受沖切承載力計(jì)算：受力特點(diǎn)：剪切的一類（具有45°四面受剪的特點(diǎn)）；沿剛性角斜面錐狀沖切；多發(fā)生在板柱節(jié)點(diǎn)。不配置箍筋或彎起鋼筋的受沖切承載力：開口影響

：板中開孔會減小沖切的最不利周長，降低板的受沖切承載力。階形基礎(chǔ)：其沖切破壞可能會在柱與基礎(chǔ)交接處或基礎(chǔ)變階處發(fā)生，

與階形基礎(chǔ)的形狀、尺寸有關(guān)。設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算

4.3.4

其他受力構(gòu)件–

局部受壓承載力計(jì)算：受力機(jī)理：圍箍效應(yīng)、錐劈模型、約束混凝土原理。截面尺寸：計(jì)算底面積：

Ab按同心、對稱的原則確定配置方格網(wǎng)或螺旋式間接鋼筋的局壓承載力：

受壓承載力計(jì)算

方格網(wǎng)式配筋為避免長、短兩個(gè)方向配筋相差過大而導(dǎo)致鋼筋不能充分發(fā)揮強(qiáng)度，規(guī)范規(guī)定鋼筋網(wǎng)兩個(gè)方向上單位長度內(nèi)鋼筋截面面積的比值不宜大于1.5。體積配筋率：

螺旋式配筋體積配筋率：

構(gòu)造要求：配置范圍；方格網(wǎng)式鋼筋，不應(yīng)少于4片；螺旋式鋼筋，不應(yīng)少于4圈。設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算提綱一、基本要求二、主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值三、設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算四、構(gòu)造要求五、后續(xù)研究

4.4.1

伸縮縫間距–

伸縮縫：膨脹縫(伸縫)收縮縫(縮縫)合稱伸縮縫，屬于結(jié)構(gòu)縫的一種–

設(shè)置伸縮縫的目的：為了減小由于溫差（早期水化熱或使用季節(jié)溫差）和體積變化（施工期或使用早期的混凝土收縮）等間接作用效應(yīng)積累的影響，將混凝土結(jié)構(gòu)分割為較小的單元，避免引起較大的約束應(yīng)力和開裂。–

混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題：性質(zhì)：多為溫度、收縮等因素引起的間接裂縫。影響：間接作用引起的約束和開裂基本不影響安全，但可引起耐久性問題或影響結(jié)構(gòu)的正常使用功能。問題：對使用功能（滲漏、觀感）的影響直接影響用戶的生活和利益，易引發(fā)矛盾。難度：調(diào)研表明，間接裂縫的影響因素多、不確定性大，隨著目前混凝土結(jié)構(gòu)材料的變化，各種添加劑的增多，強(qiáng)度提高，間接裂縫的影響逐步增大。構(gòu)造要求

4.4.1

伸縮縫間距–

伸縮縫間距設(shè)置原則：鼓勵設(shè)計(jì)因地制宜解決；分別列出可以放松或加嚴(yán)的條件，供設(shè)計(jì)人員參考。–

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距可按表4.4.1確定。構(gòu)造要求

4.4.1

伸縮縫間距–

伸縮縫間距宜適當(dāng)減小（加嚴(yán)）的情況：

1.

柱高（從基礎(chǔ)頂面算起）低于8m的排架結(jié)構(gòu)；

2.

屋面無保溫、隔熱措施的排架結(jié)構(gòu)；3.

氣候干燥地區(qū)、夏季炎熱且暴雨頻繁地區(qū)或經(jīng)常處于高溫作用的結(jié)構(gòu)；4.

采用滑模類工藝施工的各類墻體結(jié)構(gòu)；5.

混凝土材料收縮較大，施工期外露時(shí)間較長的結(jié)構(gòu)。–

伸縮縫間距可適當(dāng)增大（放松）的情況：1.

采用低收縮混凝土材料，采取分倉澆筑、后澆帶、控制縫等施工方法，并加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)；2.采用專門的預(yù)加應(yīng)力或增配構(gòu)造鋼筋的措施；3.采取減小混凝土收縮或溫度變化的措施。當(dāng)增大伸縮縫間距時(shí)，尚應(yīng)考慮溫度變化和混凝土收縮對結(jié)構(gòu)的影響。構(gòu)造要求

4.4.2

保護(hù)層厚度–

保護(hù)層的作用：錨固作用：

提供鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)。耐久性能：形成鋼筋的保護(hù)層，防止水、氧氣、酸性介質(zhì)、氯離子等有害物質(zhì)入侵引起鋼筋銹蝕。防火作用：提供鋼筋的耐火性能，延長耐火時(shí)間。–

保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)中的問題：設(shè)計(jì)矛盾：根據(jù)錨固、耐久、防火要求應(yīng)加大厚度；增加混凝土保護(hù)層厚度，減小截面有效高度，降低承載力，且增大了計(jì)算裂縫寬度。影響因素復(fù)雜：鋼筋間距、結(jié)構(gòu)部位、環(huán)境類別、施工質(zhì)量、使用年限等均有影響，且難以定量計(jì)算。構(gòu)造要求

4.4.2

保護(hù)層厚度–

保護(hù)層最小厚度的規(guī)定：混凝土保護(hù)層：從混凝土碳化、脫鈍和鋼筋銹蝕的耐久性角度考慮，以最外層鋼筋

（包括箍筋、構(gòu)造筋、分布筋等）的外緣計(jì)算混凝土保護(hù)層厚度。錨固-搭接要求：受力鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度不小于鋼筋直徑d

。最小厚度的控制：最外層鋼筋（包括箍筋、拉筋、分布筋等構(gòu)造鋼筋）的保護(hù)層厚度查表4.4.2確定。構(gòu)造要求

4.4.2

保護(hù)層厚度–

保護(hù)層最小厚度的規(guī)定：構(gòu)件類型統(tǒng)一劃分為兩類：按平面構(gòu)件（板、墻、殼）及桿狀構(gòu)件（梁、柱）。混凝土強(qiáng)度等級的影響：對C30混凝土以上統(tǒng)一取值，低強(qiáng)混凝土（不大于C25）的保護(hù)層厚度普遍增加5mm。設(shè)計(jì)年限100年：考慮碳化速度的影響，其保護(hù)層厚度取1.4倍?；A(chǔ)混凝土保護(hù)層厚度：取40mm。防火：防火要求滿足相應(yīng)規(guī)范。構(gòu)造要求

4.4.2

保護(hù)層厚度–

可減小保護(hù)層厚度的措施：表面防護(hù)：采取表面防護(hù)措施，抹灰層、有效的保護(hù)性涂料層等。預(yù)制構(gòu)件：經(jīng)過檢驗(yàn)而有較好質(zhì)量保證的工廠生產(chǎn)預(yù)制混凝土構(gòu)件。防銹措施：采用經(jīng)檢驗(yàn)的阻銹劑、環(huán)氧樹脂涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋或陰極保護(hù)處理等防銹措施。防水防腐：地下室墻體采用防水做法、有可靠防腐措施時(shí)，與土壤接觸一側(cè)厚度可適當(dāng)減小。保護(hù)層內(nèi)配置的防裂、防剝落的焊接鋼筋網(wǎng)片：為保證防裂鋼筋網(wǎng)片不致成為引導(dǎo)銹

蝕的通道，應(yīng)對其采取有效的絕緣和定位措施，此時(shí)網(wǎng)片鋼筋的保護(hù)層厚度可適當(dāng)減

小，但不應(yīng)小于25mm。構(gòu)造要求

4.4.3

鋼筋的錨固–

錨固的意義：混凝土結(jié)構(gòu)承載受力的基礎(chǔ)；錨固強(qiáng)度的組成：摩擦力、膠結(jié)力、混凝土咬合齒的咬合力。–

錨固的基本形式：直線錨固：鋼筋通過摩擦、粘結(jié)及咬合作用，將鋼筋屈服拉力傳遞給周圍混凝土。直線加標(biāo)準(zhǔn)彎鉤錨固：鋼筋直線錨固長度不足時(shí)，可通過末端90°、135°、180°的標(biāo)準(zhǔn)彎鉤將一部分錨固力傳遞給周圍混凝土，以滿足錨固要求。機(jī)械錨固：鋼筋直線長度不足時(shí)，也可在末端設(shè)置錨板、錨栓等承壓裝置增加錨固強(qiáng)度，滿足錨固要求。構(gòu)造要求–

錨固的設(shè)計(jì)方法：

基本錨固長度：設(shè)計(jì)錨固長度：

la=ζalab

構(gòu)造要求

4.4.3

鋼筋的錨固

–

錨固的影響因素：

混凝土強(qiáng)度影響：混凝土強(qiáng)度越高，伸入鋼筋橫肋間的混凝土咬合齒強(qiáng)度越高，粘

結(jié)錨固作用越強(qiáng)。

保護(hù)層的厚度：混凝土保護(hù)層厚度越厚，粘結(jié)錨固作用越強(qiáng)。

鋼筋的外形：鋼筋的外形決定混凝土咬合齒的形狀、大小和厚度。

錨固區(qū)域的配箍：錨固長度范圍內(nèi)的配箍對錨固強(qiáng)度影響較大。dfyftlab

注意：1.

ft：混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，當(dāng)混凝土

強(qiáng)度等級高于C60時(shí)，按C60取值；

2.

ζa：錨固長度修正系數(shù)，可連乘，不應(yīng)小

于0.6，預(yù)應(yīng)力筋取1.0；3.

la不應(yīng)小于200mm；4.

梁柱節(jié)點(diǎn)中縱向受拉鋼筋的錨固要求。1.101.251.10

設(shè)計(jì)與實(shí)際配筋面積比

0.8~0.7

構(gòu)造要求

4.4.3

鋼筋的錨固

–

錨固修正系數(shù)ζa

：

不利條件增加錨長的情況（ζa

>1）:

鋼筋直徑大于25mm

環(huán)氧樹脂涂層鋼筋

施工過程易受擾動的鋼筋（滑模）

有利條件減短錨長的情況（ζa

<1）

增加配筋（抗震、動載構(gòu)件不考慮）

厚保護(hù)層（3d~5d以上）

4.4.4

配筋率–

最小配筋率的目的：受彎構(gòu)件保證混凝土開裂后鋼筋不會立即屈服，保證構(gòu)件的延性；受壓構(gòu)件的最小配筋率為改善構(gòu)件的脆性特征，提供足夠的剛度及抵抗偶然偏心作用–

最小配筋率：構(gòu)造要求

4.4.4

配筋率–

受拉鋼筋最小配筋率：雙控原則：0.20和45ft/

fy中的最大值構(gòu)造要求臥置于地基上的混凝土板：板中受拉鋼筋的最小配筋率可適當(dāng)降低，但不應(yīng)小于0.15%

構(gòu)造要求

4.4.4

配筋率

–

受拉鋼筋最小配筋率：

板類受彎構(gòu)件（不包括懸臂板）的受拉鋼筋：當(dāng)采用強(qiáng)度等級400

MPa、500MPa的鋼

筋時(shí)，其最小配筋百分率應(yīng)允許采用0.15和45ft/

fy中的較大值。

4.4.5

抗震設(shè)計(jì)要求—配筋率–

最小配筋率的作用：提高結(jié)構(gòu)整體地震反應(yīng)能力的可靠性：考慮到實(shí)際地震作用在大小及作用方式上的隨

機(jī)性，經(jīng)計(jì)算確定的配筋數(shù)量仍可能在結(jié)構(gòu)中造成某些估計(jì)不到的薄弱構(gòu)件或薄弱截

面；通過縱向鋼筋最小配筋率規(guī)定可以對這些薄弱部位進(jìn)行補(bǔ)救。保證柱截面開裂后抗彎剛度不致削弱過多。使設(shè)防烈度不高地區(qū)一部分框架柱的抗彎能力在“強(qiáng)柱弱梁”措施基礎(chǔ)上有進(jìn)一步提高，這也相當(dāng)于對“強(qiáng)柱弱梁”措施的某種補(bǔ)充。構(gòu)造要求

4.4.5

抗震設(shè)計(jì)要求—配筋率構(gòu)造要求

4.4.6

抗震設(shè)計(jì)要求—軸壓比–

軸壓比限值的作用：滿足不同結(jié)構(gòu)類型框架柱、框支柱在地震作用組合下的位移延性要求–

軸壓比限值：表內(nèi)限值適用于剪跨比大于2、混凝土強(qiáng)度等級不高于C60的柱。構(gòu)造要求

4.4.6

抗震設(shè)計(jì)要求—軸壓比–

可放松軸壓比限值的情況：當(dāng)配置復(fù)合箍筋、螺旋箍筋或連續(xù)復(fù)合矩形螺旋箍筋，且配箍量達(dá)到一定程度時(shí)：試驗(yàn)研究表明，采用螺旋箍筋、連續(xù)復(fù)合矩形螺旋箍筋等配筋方式，能在一般復(fù)合箍筋的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高對核心混凝土的約束效應(yīng)，改善柱的位移延性性能。柱中設(shè)置矩形核芯柱，且核芯柱的縱向鋼筋配置數(shù)量達(dá)到一定要求時(shí)：研究表明，混凝土柱中設(shè)置矩形核芯柱不僅能提高柱的受壓承載力，也可提高柱的位移延性，且有利于在大變形情況下防止倒塌，類似于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中型鋼的作用。–

宜加嚴(yán)軸壓比限值的情況：高強(qiáng)混凝土：C65

~

C70時(shí)，宜減小0.05；C75

~

C80時(shí)，宜減小0.10。小剪跨比柱：剪跨比不大于2的柱，應(yīng)降低0.05；剪跨比小于1.5的柱，軸壓比限值應(yīng)專門研究并采取特殊構(gòu)造措施。–

調(diào)整后的柱軸壓比限值不應(yīng)大于1.05構(gòu)造要求