混凝土结构中钢筋的保护层厚度.pdf

第! !卷 第!期建筑结构 " # # !年!月 混凝土结构中钢筋的保护层厚度 徐有邻王晓锋 （中国建筑科学研究院北京$ # # # $ !） ［提要］ 介绍了混凝土结构中钢筋保护层的作用， 以及新公布的 《混凝土结构设计规范》（% 9 1 1 1 , + : 2 4 50 ,0 ) *+ * ? 8 2 + * 7 * 4 0 6, . 9 4 1 ) , + 9 5 *, . + * 2 4 . , + 1 * 7 * 4 0 6 9 4 :: 8 + 9 ; 2 - 2 0 @，+ * ? 8 2 + * 7 * 4 0 6, .: * / 0 ), ./ + , 0 * 1 0 2 3 *1 , 3 * + 2 4 5 69 + *9 : 3 9 4 1 * :2 44 * A1 , : *， 9 4 :6 8 2 0 9 ; - *9 : B 8 6 0 7 * 4 0 6 ) 9 - - ; *4 * 1 * 6 6 9 + @ 0 , 6 / * 1 2 . 2 * : 2 4 6 0 9 4 1 * = ! " # $ % & ’ (：1 , 4 1 + * 0 * 6 0 + 8 1 0 8 + * 6；+ * 2 4 . , + 1 * 7 * 4 0 6；: * / 0 )；/ + , 0 * 1 0 2 3 * 1 , 3 * + 2 4 5 6 由于历史的原因， 我国混凝土结构中的钢筋保护 层厚度相对较小， 对其承载力和使用造成诸多不利影 响。 《混凝土结构设计规范》（% & ’ # # $ #—" # # "） 对保护 层厚度的规定作了适当调整， 这里作必要的说明。 一、 保护层的作用 $ C受力钢筋粘结锚固 混凝土结构中钢筋能够承载受力， 是由于钢筋与 混凝土之间的粘结锚固作用。粘结锚固作用很大程度 上取决于握裹混凝土的厚薄， 即保护层厚度。试验研 究表明， 在一般条件下， 受力钢筋 （尤其是变形钢筋） 的 粘结锚固强度与保护层厚度存在着线性关系。设计规 范中钢筋的锚固长度则是在一定的保护层厚度条件下 由可靠度计算确定的。因此， 满足一定厚度的保护层 是钢筋正常受力的基础。 " C保护钢筋免遭锈蚀 混凝土结构中钢筋周围混凝土碱性环境的包裹可 使其免遭锈蚀 （钝化） ， 而大气中的二氧化碳和水引起 的混凝土碳化可造成钢筋脱钝而遭受酸性介质的锈 蚀。碳化的时间与混凝土厚薄 （即保护层厚度） 有关。 调查分析表明， 我国混凝土结构的保护层偏薄， 故耐久 性较差， 而一定的混凝土保护层厚度则是保证结构耐 久性所必须的。 ! C确定截面有效高度 从粘结锚固和耐久性角度而言， 需要有较大的保 护层厚度。然而从截面承载受力的角度而言， 过大的 保护层厚度会造成截面有效高度减小、 承载能力下降， 从而增加结构配筋量。 因此， 在确定混凝土保护层厚度的时候， 应综合考 虑粘结锚固、 耐久性以及有效高度三个因素， 在确保粘 结锚固和耐久性的条件下尽可能取较小的保护层厚 度。规范规定的保护层最小厚度正是其取值的最低限 度界限。 二、 保护层的最小厚度 $ C取值原则 在短缺型的计划经济时代， 由于物资匮乏， 较多地 考虑了充分发挥材料强度这一因素。为保证截面承载 能力提高， 只能加大有效高度， 造成规范中保护层最小 厚度的取值偏小， 这也是效仿原苏联规范的结果。 随着我国经济的发展， 物资供应 （尤其是钢筋） 的 极大丰富使增加保护层厚度成为可能， 而且这也满足 持续发展和扩大内需的需要。此次设计规范修订根据 我国的实际情况对这部分内容作出了调整， 适当增大 了保护层最小厚度的限值。 " C保护层最小厚度的基本值 新规范第D C " C $条以强制性条文形式给出了保护 层厚度的最低限度要求： （$） 由粘结锚固要求， 保护层厚度应不小于纵向受 力钢筋的公称直径#。对于普通钢筋而言， 公称直径 即其承载截面的直径； 对于预应力钢绞线而言， 公称直 径是大于其承载截面当量直径的数值， 对于强度较高 的高效预应力钢筋而言， 这样的选择对保证安全是必 要的。 （"） 由耐久性要求， 保护层厚度应不小于表$中的 数值。 （!） 考虑地下环境中水及土壤对保护层的影响， 新 规范在表$注中增补了基础中钢筋保护层厚度不应小 EF 于! " ##的规定。当无垫层时， 根据我国工程实践经 验， 考虑施工不确定性的影响， 钢筋保护层厚度不应小 于$ " ##。应该指出的是， 此为只包括一般混凝土基 础中纵向受力钢筋的规定， 对于有其它要求的结构 （例 如防水混凝土结构） 则当特殊考虑。 纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度 （##） 表! 环境 类别 板、 墙、 壳梁柱 !% & " % & ’! % ! " "% ’ " !% & " % & ’! % ! " "% ’ " !% & " % & ’! % ! " "% ’ " 一 & "( ’( ’) "& ’& ’) ") ") " 二* — & "& " — ) ") " — ) ") " + — & ’& " — ) ’) " — ) ’) " 三— ) "& ’ — ! ") ’ — ! ") ’ ) ,与原规范的比较 （(） 环境类别的影响： 原规范只有室内正常环境 （一类） ， 室内潮湿环境、 露天环境及与水或土壤直接接 触环境 （二*类） 。现增加了严寒和寒冷地区的露天环 境、 与无侵蚀性的水及土壤直接接触的环境 （二+类） ， 使用除冰盐的环境、 严寒和寒冷地区冬季水位变动的 环境、 滨海室外环境 （三类） 。考虑冻融循环及轻度腐 蚀环境还增加了其它有关规定。 （&） 混凝土强度的影响： 混凝土质量对耐久性有很 大的影响， 因而也是确定保护层厚度的重要因素。此 次修订按混凝土强度等级作了适度调整： % & "及其以 下为低强混凝土， 按耐久性要求只规定了环境类别为 一级的数值； % ’ "及其以上为高强混凝土， 保护层厚度 可适当减小； 介于两者之间的为一般混凝土。 （)） 构件类型的影响： 原规范按板类构件 （板、 墙、 壳） 及杆类构件 （梁、 柱） 分两类作出规定。新规范则分 为三类， 对梁、 柱的保护层厚度分别作出规定。这种划 分不仅考虑了混凝土碳化和有害介质侵蚀的特点， 也 考虑了构件在承载受力中的作用和对结构安全性的影 响。特别是对于柱类构件， 保护层厚度有明显增加。 三、 保护层厚度的调整 ( ,预制构件中的钢筋保护层厚度 由于工厂化生产的预制构件混凝土质量容易得到 保证， 密实性相对较好， 保护层厚度可以适当减小。当 混凝土表面采取有效保护措施 （如水泥砂浆抹面等） 时， 耐久性可以得到提高， 相应的保护层厚度也可以减 小。新规范中保留了这些原规范已有的规定。 & ,辅助钢筋的保护层厚度 梁、 柱类构件中的箍筋、 构造钢筋和板、 墙、 壳类构 件中的分布钢筋不同于纵向受力钢筋， 可统称为辅助 钢筋， 其直径一般不大， 且在承载受力中的作用稍逊于 受力主筋， 保护层厚度可适当减小。对于前者， 保护层 厚度不应小于( ’ ##； 对于后者， 可按表(中数值减 ( " ##， 且不应小于( " ##。应该说明的是， 分布钢筋 保护层厚度限值较小并不是要求其一定配置在受力钢 筋的外侧， 根据我国混凝土结构的设计习惯， 设计中仍 可将其受力钢筋配置在截面最外侧， 以取得较大的有 效高度， 增大截面抗力， 只要受力钢筋满足保护层厚度 限值即可。 ) ,露天悬臂构件的保护措施 悬臂构件的根部承受很大的弯矩和剪力。负弯矩 引起的裂缝开口向上， 如处于二、 三类环境中， 则受力 主筋遭受腐蚀的可能性极大。悬臂构件无多余约束， 一旦发生问题则可能引起倾覆、 倒塌等恶性事故。因 此对悬臂构件受力主筋的保护更为重要， 尤其是露天 的悬臂板， 新规范规定二、 三类环境中的悬臂板其上表 面应采取防止钢筋遭受腐蚀的保护措施。 ! ,厚保护层中的表面钢筋 仅根据耐久性的要求， 一般混凝土结构的保护层 厚度控制在! " ##的范围内即可， 但在大型工程中有 可能采用直径超过! " ##的粗直径钢筋。根据锚固的 要求， 保护层厚度不应小于钢筋的公称直径， 即应大于 ! " ##。此外， 在结构的某些部位 （例如框架顶层边节 点的角部受力主筋弯弧处） ， 也可能形成厚度很大的混 凝土保护层。 这部分厚度很大的表层混凝土无法受到钢筋的有 效围箍约束， 一旦发生裂缝， 其宽度往往很大且容易发 生混凝土脱落的严重后果。新规范规定， 纵向受力钢 筋的混凝土保护层厚度大于! " ##时， 应对保护层采 取有效的防裂构造措施。常用的办法是在构件的表面 配置焊接或绑扎的细直径钢筋网片， 也称蒙皮钢筋。 四、 特殊情况下的保护层厚度 ( ,混凝土结构的防火要求 混凝土的保护层厚度还与建筑的防火要求有关。 根据防火需要提出的要求详见 《建筑设计防火规范》 （- . / ( 0） 和 《高层民用建筑设计防火规范》（- . ’ " " ! ’） 的规定， 设计时应遵守执行。 & ,恶劣环境中的保护层厚度 规范只提供了处于一、 二、 三类环境等级中混凝土 的保护层要求， 对处于恶劣环境条件下的混凝土结构 保护层属于非共性的专门问题， 应由其它的相应规范 解决。海洋工程 （四类环境） 情况由 《港口工程混凝土 和钢筋混凝土结构设计规范》（/ 1 / & 0 $） 处理； 化学腐蚀 情况 （五 类 环 境） 由 《工 业 建 筑 防 腐 蚀 设 计 规 范》 （- . ’ " " ! 0） 解决。恶劣环境中混凝土结构的钢筋最好 采用环氧树脂涂层钢筋， 相应标准为 《环氧树脂涂层钢 筋》（/ - ) " ! &） 。（下转第$ &页） 20 图!个别桩顶混凝土脱落 图"承台直剪破坏实况之三 （柱子下陷达# $） " %由以上可见， 楼&柱子截面太小及承台太薄、 混凝土强度等级太低， 是造成承台柱周直剪破坏的主 要原因。 ’ %楼&左边是一幢!层的底框建筑 （下简称楼 (） ， 底层为商店， 层#!!为住宅。楼&，(间设伸缩缝 （抗震缝） 。楼(的开间为) % ! $， 仅为楼&的*／#， 中 柱平面受荷面积约) + % # , $ #， 故中柱底层轴力约为 !)-) + % # ,.* ! % " /.!-)+ ) 0 1 2 楼(柱子截面同楼&， 粗估其轴压比为 )+ ) 0+ + +／ （# , "/ + +.* /）-+ % ’ * 0!+ % 0 所需桩数为)+ ) 0／/ , +-/ % ! )!!根 承台厚度约需 "#")+ ) 0+ + +／ ［,.（, / +3/ / +）.+ % 0］-’ , , $$ 实际承台厚度仅为/ + + $$， 也不够， 但 #)- !) ［!*］ -)+ ) 0 #+ ! +-* % , "!#*-) % * + 故其承台未破坏。楼&一角柱未发生承台柱周直剪破 坏 （图*） ， 也是由于其轴力较小的缘故。楼&垮塌后， 对楼(的基础进行了加固处理。 二、 建议混凝土设计规范增加钢筋混凝土基础 （承 台） 柱 （桩） 周直剪计算公式 由于冲切验算一般均要先假定基础 （承台） 高度， 往往需多次反复验算， 才能得出合适 （合理） 的基础高 度， 比较冗繁。基础 （承台） 柱周直剪计算公式， 力学概 念清晰， 计算简便， 笔者* 0 ’ +年以来一直用此公式估 算基础 （承台） 高度， 进行冲切验算时一般均能满足要 求或有富裕， 可见满足冲切要求并不一定满足直剪要 求。本楼垮塌事故证明基础 （承台） 的直剪破坏是确实 存在的， 同理， 也有桩周直剪破坏的问题。因此建议混 凝土设计规范增加有关钢筋混凝土基础 （承台） 柱 （桩） 周直剪的计算公式， 按混凝土规范， 其表达式为 ""!／#$4% 式中： "为基础 （承台） 在柱或桩处的高度；!为柱子 轴力设计值或单桩竖向承载力的最大设计值 （如在偏 心受压基础中， 单桩竖向承载力有可能达到单桩竖向 承载力设计值的* % #倍） ； %为柱或桩截面周边长度； $4为基础 （承台） 混凝土轴心抗拉强度设计值。 参考文献 * %振动冲击沉管灌注桩图集 （川0 # 5 ) * /）6四川省建筑标准办公室， * 0 0 #6 # %钢筋混凝土预制桩基础图集 （川0 * 5 ) + *）6四川省建筑标准办公 室， * 0 0 * % ) %清华大学土木与环境工程系6混合结构设计6中国建筑工业出版 社， * 0 " 06 , %工程结构教材选编小组6钢筋混凝土结构 （上册）6中国工业出版 社， * 0 ! *6 （上接第! 0页） ) %百年使用期的要求 对设计使用年限为* + +年的混凝土结构， 其在一 类环境中的混凝土保护层厚度应按表*内数值相应乘 系数* % , +取用。这是由于混凝土碳化深度与时间的 平方根 &／#/ +成比例， 百年使用期为* + +／#/ +$* % ,。 当然， 对表面采取有效的防护措施时， 其保护层可以适 当减小， 此外在使用过程中还应定期检查维护。对于 二、 三类环境中的情况， 则应采取专门的有效措施。 五、 结语 混凝土结构中钢筋的保护层厚度涉及钢筋的粘结 锚固及抵抗锈蚀能力两方面的问题， 影响结构的承载 力及耐久性， 故在修订规范时以强制性条文形式给出 了其最低限度的要求— — —保护层的最小厚度。由于以 往我国在这方面的要求较低， 此次修订作了适当提高， 并对不同情况下的调整及特殊环境下的要求作出规 定， 希望设计人员在学习、 应用新规范时予以注意。 参考文献 * %邸小坛等6混凝土结构耐久性综合调查报告6中国建筑科学研究 院， * 0 0 +6 # %中国建筑科学研究院主编6钢筋混凝土结构研究报告选集 （*，#， )）6中国建筑工业出版社，* 0 " "，* 0 ’ *，* 0 0 ,6 #"