提高混凝土强度对钢筋混凝土框架结构的影响

钱丽霞

(中国石化集团宁波工程有限公司，浙江宁波 315103)

钢筋混凝土框架结构因具有平面布置灵活，使用空间大，延性较好，取材容易等优点，在各行各业得到广泛应用。然而，在钢筋混凝土框架结构施工过程中，有些施工单位采用提高框架上部结构混凝土强度等级，使得混凝土强度提前达到设计强度承受荷载，从而满足缩短工期的要求。这种做法虽然在施工期间，通过前期的混凝土强度和模板支撑系统共同承受施工荷载，可以保证安全。但是，对于钢筋混凝土框架结构在使用阶段受力将会产生很大影响。因此，针对混凝土强度提高之后对钢筋混凝土框架结构带来的影响因素进行分析。

1 混凝土强度等级

混凝土是由水泥、骨料和水按适当比例配合，拌合制成混合物经一定时间后硬化而成的人造石料。混凝土的强度主要有抗压、抗折、抗拉、抗剪强度等。在钢筋混凝土结构中，混凝土主要用来抵抗压力，同时考虑到混凝土抗压强度试验简单易行，抗压强度是最主要最常用的强度指标。

在实际工程中，受压、受剪、受弯或者受拉等情况会对钢筋混凝土的结构造成破坏，这主要是由于受力过程中所产生的主拉应力而造成的。

一般情况下，进行承载能力状态计算时，混凝土强度等级采用抗压及抗拉强度设计值(见表1);进行正常使用状态验算时，混凝土强度等级采用抗压及抗拉强度标准值(见表2)。标准值除以分项系数1.4等于设计值。

表1 混凝土轴心抗压(fc)、轴心抗拉(ft)强度设计值 N/mm2

表2 混凝土轴心抗压(fck)、轴心抗拉(ftk)强度标准值 N/mm2

表1和表2分别所示的是我国GB 50010-2010混凝土结构设计规范混凝土轴心抗压、轴心抗拉强度设计值和标准值，由表1，表2可知，当混凝土强度等级从C15增加到C80后，混凝土结构的抗压强度设计值fc随之由7.2 N/mm2提高至35.9 N/mm2，变化显著;混凝土结构的抗拉强度设计值也随之由0.91 N/mm2提高到2.22 N/mm2，但改变很小。

由此可见，对于受压构件，提高混凝土强度等级能够有较好的效果产生，对于受拉构件，若一味提高混凝土强度等级并不能很大程度地提高其抗拉效果，只会增加混凝土结构的造价，通常它可通过配筋率来实现抗拉强度的提高。因此，为了充分利用混凝土抗压强度，节约钢材，减小截面尺寸，受压构件宜采用较高强度等级的混凝土，一般柱中采用C20～C40或更高。对于梁板类受弯及其受剪等构件，提高其混凝土强度等级所能够带来的效果就远远比不上柱类。若盲目地提高梁板等相关构件的混凝土强度等级，会导致相关构件承载力的提高不明显。

2 框架结构的受力

框架结构是由梁、板、柱等杆件刚接组成的空间体系。其特点是承受竖向荷载的能力强，承受水平荷载(如风荷载、水平地震作用等)的能力弱。框架结构的侧向刚度较小，属柔性体系，因而其高度受到限制。其抗侧刚度主要取决于梁、柱及节点的抗弯能力和柱子的轴向刚度。框架下部的梁、柱弯矩大，层间位移也大，愈到上部层间变形愈小，整个结构呈现剪切型变形。

在竖向荷载作用下，框架结构的侧移对其内力的影响较小。在梁线刚度大于柱线刚度的情况下，只要结构和荷载不是非常不对称，则竖向荷载作用下框架结构的侧移较小，对杆端弯矩的影响也较小。另外，框架各层横梁上的竖向荷载只对本层横梁及与之相连的上、下层柱的弯矩影响较大，对其他各层梁、柱的弯矩影响较小。

上述所指的内力不包括柱轴力，因为某层梁上的荷载对下部各层柱的轴力均有较大影响，不能忽略。

框架结构在水平荷载作用下，一般都可归结为受节点水平力的作用，框架的每个节点除产生相对水平位移外，还产生转角，由于越靠近底层框架所受层间剪力越大，故各节点的相对水平位移和转角都具有越靠近底层越大的特点。柱上、下两段弯曲方向相反，柱中一般都有一个反弯点。梁和柱的弯矩图都是斜线，梁中也有一个反弯点。对于多、高层框架结构，可以认为柱的反弯点位置主要与柱两端的约束刚度有关。而影响柱端约束刚度的主要因素，除了梁柱线刚度比外，还有结构总层数及该柱所在的楼层位置、上层与下层梁线刚度比、上下层层高变化以及作用于框架上的荷载形式等。

3 影响分析

钢筋混凝土框架结构中，柱为压弯构件，梁、板为弯剪构件。梁、板、柱的混凝土通常采用不同的强度等级，从构件的受力特性、重要性和构件的安全等级方面来看，柱的混凝土强度等级自下而上逐渐降低，梁和板的混凝土强度等级相同，理论上这样设计是合理的，但从实际操作时增加施工难度，容易造成施工质量问题。所以，在工程中柱混凝土强度等级较高，梁、板一般低于柱混凝土强度等级。

混凝土强度等级的选择要满足柱轴压比的要求，同时又要满足控制柱截面的要求，柱子采用较高强度等级的混凝土则成为一种必然。而对于以受弯为主的楼层梁板，过高的混凝土强度等级却不必要且不适宜。混凝土框架结构的柱混凝土设计强度高于梁板的设计强度必然存在，而且随着建筑物高度的增大，两者的设计强度差距会越大，此外，需特别说明的是，这种情况主要存在于高层建筑的下部。

如果提高框架上部结构混凝土强度等级，除造成不必要的工程成本增加外，主要还带来一些不利影响，下面就这些问题进行分析:

1)承载能力:对整体框架结构而言，若提高上部混凝土强度等级，使得整体钢筋混凝土框架的受压能力发生改变，上部承载力增大的同时，下部承载力并没有随之增大，柱的受压能力下部小于上部，因而使得上下承载力体系不平衡。同时，导致结构稳定性的降低，造成抗震能力差。对于梁板类受弯等构件，由于其配筋率较受压等相关构件低，因而提高混凝土强度等级时必须慎重，这样不仅不能很显著地提高其抗拉强度，反而会导致工程原设计中所得的弯矩值发生改变，对工程整体框架结构无益。2)变形能力:强度等级不同的混凝土，有着相似的应力—应变曲线。一般来说，随着轴心抗压强度的提高，其相应的峰值应变也略有增加。曲线的上升段形状都是相似的，但曲线的下降段形状迥异。强度等级高的混凝土下降段顶部陡峭，应力急剧下降，其延性较差;强度等级低的混凝土下降段顶部平缓，应力缓慢下降，其延性较好。因此，使得上下部结构体系的变形能力不平衡。另外，梁板混凝土强度等级提高，使其易开裂，裂缝宽度也有影响。3)延性:延性好是指受弯构件在受拉钢筋屈服之前不产生混凝土受剪或受压的脆性破坏，受压构件不产生受剪的脆性破坏。在原设计配筋和截面尺寸没有改变的情况下，将上部结构混凝土强度提高，使其上部结构刚度增大，造成延性变差，减弱抗震能力。不满足抗震设计中“强节点弱构件”“强柱弱梁”的延性要求。在地震作用下，框架结构不是良好的梁式侧移延性体系，框架柱上下柱端首先出现塑性铰，节点发生脆性破坏。

4 工程案例

某石化工程钢筋混凝土框架结构，平面布置为横向两跨分别为12.0 m，10.0 m，纵向四跨分别为 10.0 m × 3，8.0 m，边跨设10.0×5.0电梯间至顶层。立面布置共七层，各层标高分别为9.00，17.00，23.00，31.00，38.00，45.70，49.30，总高度 49.30 m，在17.00处缩进纵向8.0 m 跨，在38.00处缩进纵向10.0×2 m跨，在45.70处缩进纵向10.0 m跨。抗震设防烈度7度，地震分组一组，基本地震加速度值0.10g，建筑场地类别Ⅱ类。混凝土标号采用:全柱为C35，各层梁板为C30。

在框架的标高45.7 m层上坐落主要设备，施工期间为了在这个设备到现场之前完成本层框架的施工，使得这个设备直接吊装就位。为此，施工单位加快施工速度，擅自将六层以上混凝土标号改为C60。他们首先从材料着手，设计合理的混凝土配合比并加入适当的掺加剂。其次在混凝土浇筑后做好养护措施，一是使水泥得以充分水化的条件，加速混凝土硬化;二是防止混凝土成型后因日晒、风吹、干燥等自然因素的影响而出现超出正常范围的收缩、裂缝等现象，使得高强度混凝土初期强度增长很快。据现场实测2 d可达到C35的强度，7 d可达到C50的强度。若按正常情况采用原设计混凝土等级，当地10月份气温已在20℃以下，已低于混凝土养护的最佳温度(22℃以上)，需要至少4周才可达到设计强度。可见，采用这种方法确实能使工期提前约半个多月，保证了施工进度。

虽然在当时特殊的情况下，从施工角度看:解决了工期实际问题，但从设计角度看:对框架结构带来的影响要引起重视。1)导致整体抗压强度的不均衡，上部强度和刚度增大较多，对结构的抗压强度及其稳定性带来了不良影响。2)上部刚度增大，使结构延性减小，对抗震不利。3)短期内强度会达到要求，但弹性模量可能达不到设计要求，将严重影响结构的耐久性等等。

总之，采用提高混凝土强度加快工期，对结构有很多方面的影响，需要从理论上进一步分析研究。在实践中对工程实例观察分析，长期密切关注它的承载力、变形及裂缝发展情况。

5 结语

综上分析可见，采用提高混凝土强度等级的方法，达到加快工期的目的，由于要考虑钢筋混凝土整体框架结构是否会发生较大程度的改变，若改变对于结构及其质量的影响较小，可适当地对结构的某构件或部分进行混凝土强度等级的调整;否则，它不是好的办法。

应该寻求既不影响框架结构又能满足缩短工期的其他途径，建议考虑下列方法:1)从施工方案入手，例如:加强模板支撑系统，根据计算可适当缩短各层拆模时间;2)可使用早强剂，选用快硬、早强水泥，同时控制好掺入量，保证混凝土的耐久性;3)从设计阶段考虑选用高强混凝土，但要考虑成本增加因素。使用高强、轻质、耐久的混凝土是未来发展的方向。

[1]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[2]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[3]GB 50009-2001，建筑结构荷载规范(2006年版)[S].