混凝土强度偏低对结构性能的影响及其处理方法.pdf

第3 期 2 伽6 年3月 广东 土木与 建筑 GUANGDON G ARCHI T E CT UR E C I VI L ENGI NE ERI N G N o ． 3 MA R 2 ∞6 混凝土强度偏低对结构性能的影响及其处理方法 崔秋 江 王洋 ( 广 7 II 市建设 工 程质 量监督 站 广 州 5 1 0 0 3 0 ) 摘 要 ： 通过对钢筋混凝土结构设计 理论 的分析 ， 探讨混凝土 强度偏低 对结构构件性 能的影响， 并结合相关验收 规 范和鉴定标准分析讨论相应的分析处理 办法， 供 同行参考 。 关 键 词 ： 混 凝 土 ；强 度 ； 结 构 l 前言 钢筋混凝土结构设计应根据混凝土强度和配筋 确 定结 构构 件 的 承载力 ， 施 工 中应 保证 所 浇 注 的混 凝土强度达 到设计要求 ， 确保工程安全， 因此混凝土 实际强度是评定结构质量的重要依据。由于水泥安 定性不合格、 混凝土配合 比不当、 骨料质量存在问题 以及混 凝土 施 工工 艺 等方 面 的原 因 ， 经常 发 生施 工 完 工后 混凝 土 强度 达不 到设计 要 求 的情 况 ． 给 工程 带来质量隐患 。混凝土强度偏低 ， 不仅会降低构件 的强度和刚度 ， 影响其承载力 ， 加大结构挠度和其它 变形 ， 还会 降低结 构 构件 的抗 裂性能 ， 加剧 裂缝 产生 和发展 ， 并因混凝土内部组织不致密 ， 通常伴随着抗 渗性 、 耐磨性和耐久性等的降低 。 2混凝 土强度 偏低对 结构 承载 力 的影 响 2 ． 1 受拉构 件承 载力 由于混 凝 土 的抗 拉 强 度很 低 ， 开裂 时 极 限拉 应 变很小 ( 。 = l x l 0 4 ) ， 故构件承受的拉力 即使不大也 会导致混凝土开裂， 而这时钢筋 中的应力还很小 ， 以 Ⅱ 级钢为例， 8 = 0 E ．= l x l 0 -~3 ． 1 x l O ％ 3 1 N ／ m m 。因 此 ， 轴心受拉构件按正截面承载力计算时 ， 不考虑混 凝土参与工作 ， 拉力全部 由纵 向钢筋承担 。轴 心受 拉构件正截 面受拉承载力按下式计算 ： N ~ 3 ％时， A c _ _ A 。 ) ； A 为全部纵向钢筋的面积 ； 为钢筋混凝土轴 心受压构件稳定系数 。由于一般轴心受压构件配筋 率都 较小 ( ≤1 ％) ， 故 其 承受 的荷 载大 部 分 由混凝 土 承担 ， 若混 凝土 强度 偏低 ， 则 承载力 也 随之 降低 。 2 ． 3 受弯构件正截面承载力 根据相关计算理论 ． 受弯构件受拉区混凝土不 参与工作 ， 拉力全部 由钢筋承担 ， 受弯构件受压区全 部由混凝土承担 ，共同承担外荷载产生的外力矩 。 受弯构件正截面承载力按下式计算 ： 厶 = ． A。 ( 3 ) ≤帆 = ( o _ ／ 2 ) ( 4 ) ≤ Mu A 。 ( h o - X ／ 2 ) ( 5 ) 式中： M为弯矩设计值 i 厂 册为混凝土弯曲抗压强度设 计值； 帆 为正截面受弯承载力设计值； A。 为受拉钢筋 截面面积 ； 为梁截面宽度； 为混凝土受压区高度； h 。 为梁截面有效高度。 由于受弯构件正截面承载力由混凝土和钢筋分 别承担的压力和拉力组成 ， 故强度偏低时对其 的影 响介于受拉构件与受压构件之间。但受弯构件配筋 率较 小 ， 一 般 为 0 ． 2 ％～ 1 ． 0 ％ ， 混凝 土受 压 区也 较 小 ， 因此混凝土强度偏低对正截面承载力影响不大． 如 配筋率为 0 ． 2 ％～ 1 ． 0 ％，则 混凝 土强度 由 C 2 0降 至 C I O ， 正截面承载力减小 1 ％～ 5 ％。 ’ 3 5 维普资讯 2 0 o 6 年3 月 第3 期 崔秋 江等： 混凝 土强度 偏低对 结构性能 的影响 及其 处理方 法 M A R 2 I 2 ． 4 受弯构件斜截面承载力 在一般情况下 ， 受弯构件截面受弯矩和剪力作 用 ，其受剪承载力 由斜截面剪压区混凝土受剪 承载力 和与斜截面相交 的箍筋 受剪承载力 ∑ 以及弯起钢筋的受剪承载力组成， 其计算公式如下 ： = 0 ． 0 6 0 + 1 ．5 q ／／ s + 0 ． A sb s in t z ( 6 ) 式中 ： 厂 w为箍筋抗拉强度设计值 ； 为配置在同一 截 面 内的箍 筋各 肢 的全 部截 面面 积( A = n A ) ； 为单 肢箍筋 的截 面面 积 ； s 为 箍筋 的间距 ； 为同 一 弯起 平面 内弯 起钢 筋 的截 面面 积 ； 口 为弯 起钢 筋 与 梁的纵轴之间的夹角 。 由式( 6 ) 可知 ， 若混凝土强度偏低 ， 对其影响介于 受拉和受压构件承载力之间， 且因剪压破坏时 ， 斜截 面受 压 区不 小 ， 混凝 土受 剪承 载力 比例还 较大 ， 故 混 凝 土强度偏 低会 明显 降低 受弯 构件斜 截 面受剪 承 载 力 。 假设一 段正 常配 置箍筋 和弯 起钢 筋 的受弯 构件 ， 混凝土强度 等级 由 C 2 0降至 C 1 0 ． 斜 截面受剪 承载力 将降低 2 0 ％一 4 0 ％ 2 ． 5冲切面 承载 力 ( 集 中荷 载 ) 钢筋混凝土无梁楼盖 、 柱基础 、 桩承台等构件在 集 中荷载作 用下 ， 均有 冲切 面 承载力 验算 问题 ． 不配 置 和配置抗 冲切钢筋 的构 件 的局部荷 载或 集 中反 力 设计值 分别按式( 7 ) 和式( 8 ) 计算 ： ≤O ． 6 f , ‰ ≤O ． ￡ ， m 0 ( 7 ) 一 ( 8 ) 式 中 ： 为 距 局 部 荷 载 或 集 中反 力 作 用 面 积 周 边 ^ 2处的周长 i 为混凝土轴心抗拉强度设计值。可 见 钢 筋 混凝 土 冲切 面 承 载 力 几 乎 全 部 由混 凝 土 承 担， 混凝土强度偏低会使构件冲切面承载力降低 。 2 ． 6 偏心受压 ( 拉 ) 构件承载力 钢筋混 凝 土偏心 受压 ( 拉 ) 构 件 的受力 性能 和破 坏形态介于受弯构件与轴心受压( 拉 ) 构件之间 ， 故 混凝土强度不足对其承载力的影响也介于其间。 从上述分析可知 ， 混凝土强度偏低对各结构构 件 承载 力 的影 响是 不 同 的 ． 通 过 对 结构 设 计理 论 的 分析 ， 得 出混凝土强度偏低对结构构件 的影响由大 至小 的顺序分别为 ： 冲切面一轴心受压构件一偏心 受压构件一受弯构件斜截面承载力一受弯构件正截 面承 载力一 偏心受 拉构 件一 轴 心受拉 构件 。 B ： ( 1 ．4 6 5 — 0 ．7 4 7 5 f d,一 + 6 口 Pt e O∞ 采用Ⅱ 级钢的梁板结构可近似取 o ~ -- 2 0 0 N ／ m m ， te = h 0／ h 1 ．8 ， 则上式可写成： ( 1 4 6 5 一 止4 8 2 p+ 6 a r P) 一 。 ( 印6 h 0 3 ) 当混凝土强度达不到设计要求 ， 混凝土设计的 抗拉强度标准值由 降至 ， 其降低系数为： 口t k ： ： ( 1 一 ) 1 0 0 ％ ) tk 若其它参数不变． 则不难求出短期刚度降低系数： 譬 = + 口 对于材料强度指标不变的梁板结构 ， 设计需要 的纵 向受拉钢筋的配筋率 p越低 ， 混凝土强度降低 对结构短期刚度降低的影响越大 ， 设计强度越高 ， 这 种影 响就 越 明 显 4混凝土 强 度偏低 对裂 缝宽 度 的影响 梁板 结构 沿正 截面按 荷 载短期 效应 组合并 考 虑 长期效 应 组合 影响 的最 大裂缝 宽度 为 ： [29 7 c+0 ．1 1 一 (1．7 5 5 c+ )去 ] 若混凝土强度达不到设计要 求 ． 抗拉强度设计 标准值 由 降至 ， 其降低系数 口 可按有关公式 计算 ， 若其它参数不变， 则可求得正截面裂缝宽度的 增加系数 ， 即 ： p 一0 _ ～ 一 —。 一 ～ ( 0 ． 9 7 c 一 0 ． 1 l d ) 1 ( 1 ．7 5 5 c + O ．0 6 5 d ／ p 若 近似取 c = 2 5 m m， d = 2 5 m m， t r , = 2 0 0 N ／ ／ m m ， 则 ： Pw -- [ 圳 一 口 对于设计的强度指标 一定的梁板结构 ， 随 的变化 ， 设计 需要 的纵 向受 拉 钢筋 的有 效配 筋率 ( 对矩形截面， = 2 A J b h ) 越低， 混凝土强度的降低 对梁板结构裂缝宽度的影响越大 ， 否则越大。 5 混 凝土 强度偏 低对 钢筋 锚 固性能 的影 响 3混 凝土 强度偏低 对 结构 刚度 的影 响 5 ． 1 钢筋强度充分利用时锚固长度 厶的影 响 梁板结构的短期刚度对于矩形截面构件可按下 当混凝土强度 由 C 3 0降至 C 2 0时 ， 钢筋 ( 如钢 式计算 ： 筋混凝上悬臂梁的上部纵 向受力钢筋 ) 伸人支座的 3 6 维普资讯 2 伽 6 年3 月 第3 期 广东土 木与建 筑 MA R 2 O o 6 N o 3 最小 锚 固长度 Z 需 由 2 0 d增 大到 3 0 d (I 级 钢 ) ， 或 由 3 0 d增大到 4 0 d ( Ⅱ级钢) ， 强度越低则需要 的锚 固长度就越大 。若原设计 的锚 固长度没有富余 ， 则 显然混凝土强度的降低可能引发锚固长度不足的裂 缝甚至破坏 。 对于那些拆模过早的悬臂梁板结构 ， 这 种 可能 性更 大 。 5 ． 2 钢筋 强度未 充 分利用 时锚 固长度 Z 的影 响 抗 拉 强度 未 充分 利 用 的钢 筋 ( 如 钢 筋混 凝 土 简 支梁 的下 部纵 向受 力钢 筋 ) 伸 人 支座 范 围 内 的锚 固 长度 Z 蕾 ， 当混凝土强度降低后仍满足 v 0 ． 0 7 f ? b h 。 ， 则 Z 需增 大到 1 5 d ( 光 面筋 ) 或 1 2 d ( 螺纹 钢筋 ) 以上 。 5 - 3 对 预应 力钢筋 锚 固长度 的彭 响 对 于先 张法 预 应力 混凝 土梁 板结 构 。 混凝 土 强 度降低会对预应力筋 的锚固长度造成较大影响 。 如 5预应力刻痕钢丝， 若混凝土强度由 C 4 0降至 C 3 0 ， 则锚 固长度 由 l 0 0 d增大 到 1 6 0 d 。 6 混凝 土强度 偏低对 结构 耐 久性 的影响 当混凝土 强度较 低时 ， 一般 其密 实性较 差 。 碳 化 速度较快 。 特别是在露天 、 室内高湿环境及强腐蚀环 境下 ， 混凝土强度降低会加速碳化和引起钢筋锈蚀。 缩短结构安全使用寿命 。如露天或室 内高湿环境 中 的钢筋混凝土梁板结沟， 当混凝上强度 由 C 3 5降至 C 3 0时 ， 梁、 板混凝土保护层最小厚度需分别由 3 5 ． 2 5 mm增 至 4 5 ， 3 5 m m。若 厚度 按设 计 的 2 5 m m 或 1 5 mm施工 ，则混凝 土强度降低后不满足规范。此 外 ， 在露天或室内高湿环境中的结构 。 其混凝上强度 不宜低于 C 2 5的要求 ， 也是出于耐久性方面的考虑。 7 混凝 土强度 偏低 时的 处理方 式 由上述分析可知 ， 混凝土强度等级的降低 。 将从 梁板 结 构 的承 载力 、 变 形 ( 刚 度 ) 、 裂缝 、 锚 固以及 耐 久性等诸多方面对结构产生不利影响 ． 应根据其降 低程度进行相应的处理。 对于在建的建筑物 ， 混凝 土强度偏低的处理方 案 目前 尚无标准规定可遵循 。混凝土强度不合格 的 梁板结 构 ， 由于 各种设 计荷 载并 未全部 加上 ． 荷 载 的 长期 效 应也 尚未 形 成 ， 故无 法 根 据 梁板 结 构在 变形 和裂缝方面的表现进行检验鉴定 。 一般可根据混凝 上强度降低的幅度 、 结构设计规范要求、 梁板结构混 凝 土设计强度等级及配筋情况等 ， 并参考 已建建筑 物的可靠性鉴定规程和有关专家的工程经验进行分 析鉴 定 ， 提 出处理方 案 ， 并应征 得设 计方 和监 理方 同 意后 方 可实施 。 7 ． 1 不 需进 行专 门加 固处 理 的情况 当混凝土强度降低幅度较小 ， 梁板结构控制截 面的抗弯、 抗剪承载力、 刚度降低以及裂缝宽度的增 大均在 5 ％以内，且钢筋锚固长度和混凝土保护层 厚度均仍能满足 G B 5 0 0 1 0 — 2 0 0 2 (( 混凝土结构设计规 范》 的要求时， 虽然混凝土强度达不到设计要求 ， 按 G B 5 0 2 0 4 — 2 0 0 2 《 混凝土结构工程施工及验收规范》 属于不合格。但从对结构可靠性的影响程度来看 ， 是在常规 的 5 ％允许误差范围内 ( 已建建筑物可靠 性鉴定规程规定 ， 当结构承载力降低在 1 0 ％以内， 可 不进行加固处理 ) ， 故可不进行加 固处理。实际工程 中为便于判别 ， 可利用相关表格进行。 正 截面抗 弯承 载力 ， 根据 原设 计 的混凝 土强 度 、 弯曲抗压强度降低系数 ， 纵向受拉钢筋配筋率 P， 可从表 中查得正截面抗弯承载力降低系数 ， 如该 值位于表 中粗黑线 以上 ， 则满足 ≤5 ％的要求 。 斜 截 面抗 剪 承载 力 ， 根 据原 设计 的混 凝土 强度 ， 轴心抗压强度降低 系数 和配箍率 P ， 从相关表 格中查得斜截面抗剪承载力降低系数 ， 若该值位 于表 中粗黑线 以上 ， 则满足 ≤5 ％的要求。 从相关 表格可知。 对于高配箍率的和低配箍率 的构件 。 一般 > 5 ％。此时 ， 若按实际的配箍率( 或配箍率 ) 以及 受荷情况进行复核 。 满足规范 的要求则仍可不进行 处理。截面刚度降低系数 和裂缝宽度增大系数 w ，也可 用类 似 的方 法 ， 分别 从相关 表格 中查 得 。 7 ． 2 需进 行荷 载试 验 的情 况 当梁板结构控制截面的抗弯 、 杭剪 、 刚度和裂缝 宽度等指标变动超过 5 ％。 或钢筋锚 固长度不满足规 范要求时 。可通过进行现场荷载试验确定是否需要 对 结构 进行加 固处理 。 对 于正 截 面抗弯或 斜 截面抗 剪 承载力 不 足的梁 板结构 ． 应采用荷载设计值进行加载试验 ． 若刚度和 裂缝宽度不满足要求 。 可则采用荷载标准值 进行加 载试验 。 7 ． 3 需进 行加 固处 理 的情 况 在采用荷载标准值进行加载试验 的过程 中。 如 实测一次短期荷载作用下的最大挠度和最大裂缝宽 度接近规范限值的 0 ． 5 — 0 ． 6 7倍 ( 以恒载为主时采用 0 ． 5倍 ， 活载为主时采用 0 ． 6 7倍 ) 时 ， 应停止加载试 3 7 维普资讯 2 伽6 年3 月 第3 期 崔 秋江等： 混 凝土强 度偏 低对结 构性能的 影响 及其处 理方法 验 ． 并及 时采 取加 固处理 。当加载 到荷载 标准 值 时 ， 如实测的最大挠度 和裂缝 宽度低于规范 限值 0 ． 5 — 0 ． 6 7倍 时 ， 则 仍可 不进行 加 固处理 ， 但 对 已有 的 裂缝 应 进行封 闭处 理 。 在采用荷载设计值进行加载试验过程中 ， 当荷 载超过标准值时， 实测最大短期挠度和裂缝宽度允 许高于规范限值的 0 ． 5 0 ． 6 7倍 。当加载达到荷载设 计值 时 ， 如 钢筋仍 未 屈服 ( 适 筋构 件 ) ， 表 明满足 承载 力要求 。 可 不进行 加 固处理 ． 仅对 已出现 的裂缝进 行 封闭处理 ． 但加载过程 中钢筋已屈服或接近屈服的 。 应停 止试 验并及 时进 行加 固处 理 。 工程实践表 明． 即使是混凝土强度等级降低幅 度较大的梁板结构 ， 在荷载设计值作用下 ， 其挠度和 裂缝宽度的实测值均较小 ， 能满足设计规范的要求。 究其原因， 除原设计的配筋 留有较大的余地外 ， 还与 实际结构的整体工作有关 ， 因此对于量大面广的结 构构件 ， 不宜轻易决定进行加固． 而应通过抽样试验 来判断是否需要采取加固措施 ， 抽样时应挑选混凝 土强度最低的结构构件进行加载试验 。为减少试验 费 用 ， 确保 试验 安全 ， 对于 屋 面 、 楼 面 、 天 沟等梁 板结 构 ， 常采用水加载 ， 对于受荷面积较小的阳台、 雨蓬 等 梁板结 构 ， 也 可用 铁法码 或砌 块加 载 8 结束 语 混凝土强度偏低的情况时有出现 ， 且 它对结构 构件性能有一定影响 ， 不仅降低了构件的强度和刚 度 以及结构承载力 ， 加大结构的挠度和其它变形 ， 同 时也降低结构构件的抗裂性能 ， 加剧裂缝产生和发 展 ， 并 由于混凝土 内部组 织不致 密 ， 通常伴有抗渗 性 、 耐磨性 、 耐久性等的降低 。为了保证钢筋混凝土 结 构 的耐 久 性 和安 全性 ， 在选 择 混凝 土强 度偏 低 的 处理方案时要考虑工程实际情况 、 结构形式等影响 因素 ． 对各种方案进行 比选 ． 因地制宜地选 出技术先 进 、 经济 合 理 、 施 工可 行 的处理 方 案 ， 从 而 获 得 良好 的经济 及社 会效 益 。 参考文献 [ 1 ]罗国强 ， 罗刚．建筑施工 中的结 构问题 [ M] ．北京 ： 中国 建筑 工 业 出版 社 ． 1 9 9 7 [ 2 ]谭 贺新 ， 王伦兵．混凝 土强 度偏 低对结构构件受 力影 响 的分析 [ J ] ．广东水利水电 ， 2 0 0 1 ( 6 ) [ 3 ]G B 5 0 0 1 0 — 2 0 0 2 混凝土结构设计规范[ S ] [ 4 ]卓尚木 ， 季直仓．钢筋混凝 土结 构事故分析与加 固[ M] ． 北京 ： 地震出版社 ． 1 9 9 3 [ 5 ]卓尚木等．钢筋混凝 土结构事故分析与加固[ M] ．北 京： 中 国建 筑 工 业 出 版 社 ． 1 9 9 9 绵 物 纫 绵 环 物 钎 环 尔 矫 尔 坏 坏 尔 ! 绵 { ! 矫 ! ! ： ( 上接第 3 4页) ( 2 )竖柱 ：由于旋转 9 0 。 可将其变成水平梁 ， 故 其剪力 图绘制与梁并无区别 ， 可从上至下或从下至 上进行。为方便起见 ， 可从支座端开始， 且从剪力符 号规定可以得出： 当从下至上绘制时 ， 剪力图以柱轴 线以左为正 ， 柱轴线以右为负 ， 简称“ 左正右负” ． 反 之则为“ 右正左负” 。 其质 点路线 图 ( 剪力 图 ) 如 图 5 b所示 。 4结语 从 以上示例可见 ， 运用上述质点路线法绘制结 构剪力图的方法具有以下优点： ( 1 )无需计算截面剪力， 简单快捷 、 生动形象 、 易 学易记 和易用 ： 3 8 ( 2 )剪力图一旦绘出 ， 剪力符号 即可确定 ． 省去 计算截面剪力时的符号确定 ： ( 3 )对结构支座反力计算结果具有校核作用： ( 4 )在支座反力计算正确的前提下． 绘制结果 出 错的可能性极小 该法尤其适合荷载或支反力复杂的多跨梁 、 连 续梁等结构 ， 对刚架也有一定的适应性 ， 在结构设计 中运用该法绘制剪力图， 可大大减少计算工作量 。 参考文献 [ 1 ]吉子轩．如何用“ 荷载走 向法” 画剪力 图[ J ] ．科技情报 开发与经 济， 2 0 0 3 ( 4 ) [ 2 ]张廉 ． 绘制 内力图的新方法一 看力绘 图法 [ J ] ．浙江水利 水电专科学校学报 ， 1 9 9 9 ( 4 ) 维普资讯