保护层厚度对基础梁配筋的影响研究

汪朝成

（中国建材国际工程集团有限公司， 上海 200063）

0 引言

对于梁保护层厚度的取值，目前程序还不能分层定义，在基础梁与框架梁整体建模计算时，一般都按上部框架梁的环境类别选择梁保护层厚度，通常取20～25mm。在实际工程中，基础梁与地下土或水直接接触，不少工程的基础梁位于干湿交替或水位频繁变动等环境中，环境类别通常为二b 类；当地下环境存在腐蚀性介质时，环境类别为五类。《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）第8.2.1 条规定〔1〕:梁内纵向受力钢筋的混凝土（不低于C30）最小保护层厚度在环境类别为二 b 类时不应小于 35mm；《工业建筑防腐蚀设计标准》GB50046-2018 第4.2.5 条规定〔2〕:梁内受力钢筋最小保护层厚度在中、弱腐蚀环境下，不应小于35mm，在强腐蚀环境下，不应小于40mm。当保护层厚度增大时，配筋量也将增大。因此，实际计算的基础梁配筋是偏低的，有可能造成工程的安全隐患。因此，本文首先从理论上分析了保护层厚度对梁配筋的影响，并通过PKPM有限元分析软件，对某框架结构基础梁按不同混凝土强度等级和保护层厚度进行了定量计算与分析，并得出了相关结论，希望能为以后的工程设计提供一些参考。

1 理论推导

由于基础梁不受风荷载和水平地震作用，并且没有楼板约束，梁刚度也不增大。所以，基础梁受到得内力通常不是很大，配筋相对上部框架梁较小，梁内受力钢筋一般按单筋矩形截面（ζ＜ζb）计算。基本计算公式如下〔1〕:

其中as为单排钢筋合力作用点到截面外缘的距离〔3〕。

现取两种净保护层厚度分别为cx、cy，且cx＜cy，则

在抵抗相同弯矩Mu的条件下，可推出下列关系式：

由以上3 个关系式可得：

令钢筋用量增长率为SP，则

因为xy≤ζb·h0y，所以

SP 的取值范围如下:

2 工程算例

某办公楼为四层钢筋混凝土框架结构，层高为3.0m，8 度(0.2g)设防，框架抗震等级为二级，Ⅱ类场地；采用柱下独立基础，基础顶标高为-2.15，基础梁顶标高为±0.000。该办公楼平面布置见图1。

图1 平面布置图

采用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部编制的“SATWE”程序进行结构计算〔3〕。基础梁与框架梁按整体建模计算，底层楼板按全楼开洞处理，不考虑基础梁刚度增大系数和扭矩折减系数。考虑到地下实际环境类别，对基础梁采用不同强度等级混凝土和保护层厚度分别进行计算。

3 结果分析

表1～3分别为程序对JL1（250mm×600mm）、JL2（250mm×500mm）、JL3（250mm×400mm）在不同强度等级混凝土和保护层厚度条件下的实际配筋计算值，并且考虑了承载力抗震调整系数γRE= 0.75。

表1 JL1的配筋（mm2）

表2 JL2 的配筋（mm2）

45 630.5 600.6 637.7 605.1 641.5 607.2 50638.7608.3645.9612.8649.6614.9

表3 JL3 的配筋（mm2）

取上部框架梁保护层厚度25mm 作为基准保护层厚度，在保护层厚度逐渐增大的条件下，JL1、JL2、JL3 的受力钢筋用量增长率范围按上述推导公式进行计算，如表4；实际计算配筋用量增长率如表5。

表4 受力钢筋用量增长率范围

表5 实际计算配筋用量增长率

2.根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016 年版）第6.3.3 条〔4〕，计入受压钢筋的梁端混凝土受压区高度和有效高度之比，二级抗震等级不应大于0.35，即ζb= 0.35。

通过表1～5 可发现:（1）随着保护层厚度的增大，实际配筋用量也在不断增大，但增长率均处在理论限值的范围内；（2）对同一部位的基础梁，随混凝土强度等级的提高，其配筋量也相应增大（因为混凝土强度等级提高，其弹性模量增大〔1〕，使构件刚度也增大，所以受到的内力也相应增大），但在相同保护层厚度条件下其配筋量的增长率随混凝土强度等级增大而相对减小；（3）在同一截面、同一混凝土强度等级条件下，配筋量的增长率随实际计算配筋值的增大而增大；（4）随着梁截面高度的减小，配筋量随保护层厚度增大的增幅比较显著。

实际上，程序最终给出的配筋简图中，各构件的配筋值并不都是实际计算值。程序采用取整法给出，对于纵筋，单位为100mm2（如计算配筋值大于300mm2，小于400mm2时，配筋图中取400mm2）；对箍筋，其单位为10mm2（如计算配筋值大于40mm2，小于50mm2时，配筋图中取50mm2）。可见，配筋图中的配筋值大都比实际计算值要大，而且增长率与实际计算配筋值的大小有关。当实际计算配筋值越小，增长率的上限值越大（如实际计算配筋值小于1000 mm2时，增长率的上限值大于10%）；反之，增长率的上限值越小（如实际计算配筋值大于1000 mm2时，增长率的上限值小于10%）。所以，在实际工程设计中，考虑保护层厚度对配筋的影响时，也不应忽视程序对实际配筋值的取整放大作用。

4 结论

（1）保护层厚度增大，配筋量也相应增大，但增长率SP 基本上在一个范围内波动，即SPbot＜SP＜SPtop。

（2）随保护层厚度的增大，配筋量增长率还与混凝土强度等级、构件实际计算配筋值及梁高有关。混凝土强度等级较高时，增幅相对放缓；构件实际计算配筋值较大时，增幅相对增大；梁高较小时，增幅将显著增大。

（3）在整体建模计算时，对于基础梁保护层厚度相对较小（不大于35mm）、梁高截面较大（不小于400mm）以及基础梁实际计算配筋值较小（小于1000 mm2）的情况下，保护层厚度对基础梁配筋的影响较小（增长率在5%以内），基础梁配筋可按上部框架梁保护层厚度计算；对于基础梁保护层厚度较大（不小于40mm），梁高截面较小（小于400mm）及基础梁实际计算配筋值普遍较大（大于1000 mm2）时，基础梁配筋宜按基础梁保护层厚度进行计算。