高性能混凝土应用技术指南-结构设计要求

高性能混凝土应用技术指南

结构设计要求中国建筑科学研究院

朱爱萍

副研究员

2015年1月13日提纲一、基本要求二、主要设计参数取值三、设计计算及验算四、构造要求五、后续研究3

基本要求

普通高性能混凝土结构设计应符合标准：

–

《混凝土结构设计规范》GB

50010

–

《建筑抗震设计规范》GB

50011

–

《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T

50476

–

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ

3

特种高性能混凝土结构设计尚应符合各专项标准：–

《轻骨料混凝土结构技术规程》JGJ

12–

《纤维混凝土结构技术规程》CECS

38–行标《钢纤维混凝土结构设计规程》在编提纲一、基本要求二、主要设计参数取值三、设计计算及验算四、构造要求五、后续研究–

轴心抗压强度标准值：fck=，其中0.88为修正系数，考虑结构中混凝土

实体强度与立方体试件强度的差异；αc1为立方体抗压强度换算为棱柱体抗压强度的

系数，C50及以下取0.76，C80取0.82，中间线性差值；

αc2为脆性折减系数，

C40及

以下取1.0，C80取0.87，中间线性差值。–

轴心抗拉强度标准值：

ftk=–

钢纤维混凝土轴心抗拉强度标准值：主要设计参数取值

4.2.1

高性能混凝土强度确定方法

–

《混凝土强度检验评定标准》GB/T

50107

–

按立方体抗压强度标准值确定

–

按标准方法制作、养护的边长为150mm的立方体试件，在28d或设计规定龄期以标准

试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度值

4.2.2

轴心抗压强度的标准值、轴心抗拉强度的标准值

4.2.3

轴心抗压强度的设计值、轴心抗拉强度的设计值–

强度标准值除以材料分项系数，混凝土的材料分项系数为1.4主要设计参数取值–

泊松比：0.20–

混凝土的组成成分不同，变形性能也有所不同，当有可靠试验依据时，可根据实测

数据确定弹性模量等主要设计参数取值

4.2.4

变形参数：弹性模量、剪切变形模量及泊松比

–

弹性模量：

–

剪切变形模量：Gc=0.4Ec提纲一、基本要求二、主要设计参数取值三、设计计算及验算四、构造要求五、后续研究

承载力极限状态计算–

含义：钢筋混凝土和预应力混凝土结构构件达到最大的设计承载

力，或达到不适于继续承载的极限变形时所对应的承载力–

主要内容：

正截面、斜截面、扭曲截面、冲切、局压和疲劳–

特殊构件：深受弯构件、牛腿、叠合式构件–

承载力计算表达式：–

应力设计的表达：内力等代法；三维应力设计的多轴强度准则设计计算及验算–裂缝宽度验算：一级：消压状态(零应力控制)；

二级：不开裂(抗拉强度控制)；

三级：裂缝宽度控制，裂缝宽度限值表。

荷载：标准组合-一、二级及三级预应力构件；

准永久组合-钢筋混凝土构件及不利环境预应力构件。

最大裂缝宽度限值表：

根据构件类型、裂缝控制等级、环境类别确定；

最大裂缝宽度限值：0.1、

0.2、

0.3、(

0.4)mm；

可根据具体工程情况作适当调整。设计计算及验算

变形

应力

裂缝宽度

正常使用极限状态验算

自振频率

–

表达式：S（荷载组合效应）≤C（限值）

–

变形控制：

受弯构件的挠度限值

按构件类型确定相对挠度限值，可根据使用要求加严反拱挠度的限值

4.3.1

受弯构件计算–

主要考虑弯矩平衡、力的平衡及受压区高度–

简化计算：受压区混凝土的应力图形可简化为等效的矩形应力图–

矩形应力图的受压区高度x：截面应变保持平面假定所确定的中和轴高度乘以系数β1当混凝土强度不超过C50，

β1取为0.80；混凝土强度级为C80时，β1取为0.74，其间按线性内插法确定。–

矩形应力图的应力值：由混凝土轴心抗压强度设计值

乘以系数α1确定。当混凝土强度

等级不超过C50时，

α1取为1.0，当混凝土强度等级为C80时，

α1取为0.94，其间按线性内插法确定。–

当混凝土强度等级大于C80：

β1

、

α1

可仍按线性插值取值，但削弱了高强混凝的作用。设计计算及验算（公式1）

当普通钢筋的配筋率大于3%时，要扣除钢筋面积–

配置螺旋式或焊接环式间接钢筋的正截面受压承载力：

（公式2）式中：α为间接钢筋对混凝土约束的折减系数：当混凝土强度等级不超过C50时，取1.0

当混凝土强度等级为C80时，取0.85，其间按线性内插法确定。

注：

按（公式2）算得的构件受压承载力设计值不应大于按（公式1）算得的构件受压

承载力设计值的1.5倍；

不应计入间接钢筋的影响的情况：1）当l0/d

>12时；

2）当按（公式2)算得的受压

承载力小于按（公式1）算得的受压承载力时；

3）当间接钢筋的换算截面面积

小

于纵向钢筋的全部截面面积的25%时。

设计计算及验算

4.3.2

受压构件计算

–

正截面受压承载力：配置弯起钢筋：计算截面：支座边缘处的截面、

受拉区弯起钢筋弯起点处的截面、

箍筋截面面积或

间距改变处的截面、

截面尺寸改变处的截面。

设计计算及验算

4.3.3

受剪构件计算

–

截面控制：防止构件截面发生斜压破坏(或腹板压坏)；

限制在使用阶段可能发生的斜裂缝宽度；

构件斜截面受剪破坏的最大配箍率条件。

–

受剪承载力：

不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类构件：

配置箍筋的矩形、T形和I形截面受弯构件：

4.3.4

其他受力构件–

扭曲截面承载力计算：受力特点：截面剪应力流呈扇形分布，外大内小，构成环流；沿表层配置的纵筋、箍筋承担斜向主拉应力；斜向螺旋状裂缝；很少纯扭构件。截面控制：保证构件在破坏时混凝土不首先被压碎。受扭承载力：受扭塑性抵抗矩Wt；矩形、T形、I形、箱形截面受扭承载力计算。受扭截面的复合受力计算：压扭、拉扭、剪扭、弯剪扭、压弯剪扭、拉弯剪扭。–

受冲切承载力计算：受力特点：剪切的一类（具有45°四面受剪的特点）；沿刚性角斜面锥状冲切；多发生在板柱节点。不配置箍筋或弯起钢筋的受冲切承载力：开口影响

：板中开孔会减小冲切的最不利周长，降低板的受冲切承载力。阶形基础：其冲切破坏可能会在柱与基础交接处或基础变阶处发生，

与阶形基础的形状、尺寸有关。设计计算及验算

4.3.4

其他受力构件–

局部受压承载力计算：受力机理：围箍效应、锥劈模型、约束混凝土原理。截面尺寸：计算底面积：

Ab按同心、对称的原则确定配置方格网或螺旋式间接钢筋的局压承载力：

受压承载力计算

方格网式配筋为避免长、短两个方向配筋相差过大而导致钢筋不能充分发挥强度，规范规定钢筋网两个方向上单位长度内钢筋截面面积的比值不宜大于1.5。体积配筋率：

螺旋式配筋体积配筋率：

构造要求：配置范围；方格网式钢筋，不应少于4片；螺旋式钢筋，不应少于4圈。设计计算及验算提纲一、基本要求二、主要设计参数取值三、设计计算及验算四、构造要求五、后续研究

4.4.1

伸缩缝间距–

伸缩缝：膨胀缝(伸缝)收缩缝(缩缝)合称伸缩缝，属于结构缝的一种–

设置伸缩缝的目的：为了减小由于温差（早期水化热或使用季节温差）和体积变化（施工期或使用早期的混凝土收缩）等间接作用效应积累的影响，将混凝土结构分割为较小的单元，避免引起较大的约束应力和开裂。–

混凝土结构的裂缝问题：性质：多为温度、收缩等因素引起的间接裂缝。影响：间接作用引起的约束和开裂基本不影响安全，但可引起耐久性问题或影响结构的正常使用功能。问题：对使用功能（渗漏、观感）的影响直接影响用户的生活和利益，易引发矛盾。难度：调研表明，间接裂缝的影响因素多、不确定性大，随着目前混凝土结构材料的变化，各种添加剂的增多，强度提高，间接裂缝的影响逐步增大。构造要求

4.4.1

伸缩缝间距–

伸缩缝间距设置原则：鼓励设计因地制宜解决；分别列出可以放松或加严的条件，供设计人员参考。–

钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距可按表4.4.1确定。构造要求

4.4.1

伸缩缝间距–

伸缩缝间距宜适当减小（加严）的情况：

1.

柱高（从基础顶面算起）低于8m的排架结构；

2.

屋面无保温、隔热措施的排架结构；3.

气候干燥地区、夏季炎热且暴雨频繁地区或经常处于高温作用的结构；4.

采用滑模类工艺施工的各类墙体结构；5.

混凝土材料收缩较大，施工期外露时间较长的结构。–

伸缩缝间距可适当增大（放松）的情况：1.

采用低收缩混凝土材料，采取分仓浇筑、后浇带、控制缝等施工方法，并加强施工养护；2.采用专门的预加应力或增配构造钢筋的措施；3.采取减小混凝土收缩或温度变化的措施。当增大伸缩缝间距时，尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响。构造要求

4.4.2

保护层厚度–

保护层的作用：锚固作用：

提供钢筋与混凝土的粘结应力，实现变形协调。耐久性能：形成钢筋的保护层，防止水、氧气、酸性介质、氯离子等有害物质入侵引起钢筋锈蚀。防火作用：提供钢筋的耐火性能，延长耐火时间。–

保护层厚度设计中的问题：设计矛盾：根据锚固、耐久、防火要求应加大厚度；增加混凝土保护层厚度，减小截面有效高度，降低承载力，且增大了计算裂缝宽度。影响因素复杂：钢筋间距、结构部位、环境类别、施工质量、使用年限等均有影响，且难以定量计算。构造要求

4.4.2

保护层厚度–

保护层最小厚度的规定：混凝土保护层：从混凝土碳化、脱钝和钢筋锈蚀的耐久性角度考虑，以最外层钢筋

（包括箍筋、构造筋、分布筋等）的外缘计算混凝土保护层厚度。锚固-搭接要求：受力钢筋的混凝土保护层厚度不小于钢筋直径d

。最小厚度的控制：最外层钢筋（包括箍筋、拉筋、分布筋等构造钢筋）的保护层厚度查表4.4.2确定。构造要求

4.4.2

保护层厚度–

保护层最小厚度的规定：构件类型统一划分为两类：按平面构件（板、墙、壳）及杆状构件（梁、柱）。混凝土强度等级的影响：对C30混凝土以上统一取值，低强混凝土（不大于C25）的保护层厚度普遍增加5mm。设计年限100年：考虑碳化速度的影响，其保护层厚度取1.4倍。基础混凝土保护层厚度：取40mm。防火：防火要求满足相应规范。构造要求

4.4.2

保护层厚度–

可减小保护层厚度的措施：表面防护：采取表面防护措施，抹灰层、有效的保护性涂料层等。预制构件：经过检验而有较好质量保证的工厂生产预制混凝土构件。防锈措施：采用经检验的阻锈剂、环氧树脂涂层钢筋、镀锌钢筋或阴极保护处理等防锈措施。防水防腐：地下室墙体采用防水做法、有可靠防腐措施时，与土壤接触一侧厚度可适当减小。保护层内配置的防裂、防剥落的焊接钢筋网片：为保证防裂钢筋网片不致成为引导锈

蚀的通道，应对其采取有效的绝缘和定位措施，此时网片钢筋的保护层厚度可适当减

小，但不应小于25mm。构造要求

4.4.3

钢筋的锚固–

锚固的意义：混凝土结构承载受力的基础；锚固强度的组成：摩擦力、胶结力、混凝土咬合齿的咬合力。–

锚固的基本形式：直线锚固：钢筋通过摩擦、粘结及咬合作用，将钢筋屈服拉力传递给周围混凝土。直线加标准弯钩锚固：钢筋直线锚固长度不足时，可通过末端90°、135°、180°的标准弯钩将一部分锚固力传递给周围混凝土，以满足锚固要求。机械锚固：钢筋直线长度不足时，也可在末端设置锚板、锚栓等承压装置增加锚固强度，满足锚固要求。构造要求–

锚固的设计方法：

基本锚固长度：设计锚固长度：

la=ζalab

构造要求

4.4.3

钢筋的锚固

–

锚固的影响因素：

混凝土强度影响：混凝土强度越高，伸入钢筋横肋间的混凝土咬合齿强度越高，粘

结锚固作用越强。

保护层的厚度：混凝土保护层厚度越厚，粘结锚固作用越强。

钢筋的外形：钢筋的外形决定混凝土咬合齿的形状、大小和厚度。

锚固区域的配箍：锚固长度范围内的配箍对锚固强度影响较大。dfyftlab

注意：1.

ft：混凝土轴心抗拉强度设计值，当混凝土

强度等级高于C60时，按C60取值；

2.

ζa：锚固长度修正系数，可连乘，不应小

于0.6，预应力筋取1.0；3.

la不应小于200mm；4.

梁柱节点中纵向受拉钢筋的锚固要求。1.101.251.10

设计与实际配筋面积比

0.8~0.7

构造要求

4.4.3

钢筋的锚固

–

锚固修正系数ζa

：

不利条件增加锚长的情况（ζa

>1）:

钢筋直径大于25mm

环氧树脂涂层钢筋

施工过程易受扰动的钢筋（滑模）

有利条件减短锚长的情况（ζa

<1）

增加配筋（抗震、动载构件不考虑）

厚保护层（3d~5d以上）

4.4.4

配筋率–

最小配筋率的目的：受弯构件保证混凝土开裂后钢筋不会立即屈服，保证构件的延性；受压构件的最小配筋率为改善构件的脆性特征，提供足够的刚度及抵抗偶然偏心作用–

最小配筋率：构造要求

4.4.4

配筋率–

受拉钢筋最小配筋率：双控原则：0.20和45ft/

fy中的最大值构造要求卧置于地基上的混凝土板：板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应小于0.15%

构造要求

4.4.4

配筋率

–

受拉钢筋最小配筋率：

板类受弯构件（不包括悬臂板）的受拉钢筋：当采用强度等级400

MPa、500MPa的钢

筋时，其最小配筋百分率应允许采用0.15和45ft/

fy中的较大值。

4.4.5

抗震设计要求—配筋率–

最小配筋率的作用：提高结构整体地震反应能力的可靠性：考虑到实际地震作用在大小及作用方式上的随

机性，经计算确定的配筋数量仍可能在结构中造成某些估计不到的薄弱构件或薄弱截

面；通过纵向钢筋最小配筋率规定可以对这些薄弱部位进行补救。保证柱截面开裂后抗弯刚度不致削弱过多。使设防烈度不高地区一部分框架柱的抗弯能力在“强柱弱梁”措施基础上有进一步提高，这也相当于对“强柱弱梁”措施的某种补充。构造要求

4.4.5

抗震设计要求—配筋率构造要求

4.4.6

抗震设计要求—轴压比–

轴压比限值的作用：满足不同结构类型框架柱、框支柱在地震作用组合下的位移延性要求–

轴压比限值：表内限值适用于剪跨比大于2、混凝土强度等级不高于C60的柱。构造要求

4.4.6

抗震设计要求—轴压比–

可放松轴压比限值的情况：当配置复合箍筋、螺旋箍筋或连续复合矩形螺旋箍筋，且配箍量达到一定程度时：试验研究表明，采用螺旋箍筋、连续复合矩形螺旋箍筋等配筋方式，能在一般复合箍筋的基础上进一步提高对核心混凝土的约束效应，改善柱的位移延性性能。柱中设置矩形核芯柱，且核芯柱的纵向钢筋配置数量达到一定要求时：研究表明，混凝土柱中设置矩形核芯柱不仅能提高柱的受压承载力，也可提高柱的位移延性，且有利于在大变形情况下防止倒塌，类似于型钢混凝土结构中型钢的作用。–

宜加严轴压比限值的情况：高强混凝土：C65

~

C70时，宜减小0.05；C75

~

C80时，宜减小0.10。小剪跨比柱：剪跨比不大于2的柱，应降低0.05；剪跨比小于1.5的柱，轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施。–

调整后的柱轴压比限值不应大于1.05构造要求