钢筋平法识图与手工计算技巧

1)混凝土结构的抗震等级与抗震设防烈度的关系

钢筋混凝土房屋应根据设防类别、烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级,并应符合相应的计算和构造措施要求。 钢筋混凝土房屋的抗震等级划分为四级,以表示其很严重、严重、较严重及一般4 个级别,见表3.2。

表3.2　现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级

注:①建筑场地为Ⅰ类时,除6 度外应允许按表内降低一度所对应的抗震等级采取抗震构造措施,但相应的计算要求不应降低;
②接近或等于高度分界时,应允许结合房屋不规则程度及场地、地基条件确定抗震等级;
③大跨度框架指跨度不小于18 m 的框架;
④高度不超过60 m 的框架-核心筒结构按框架-抗震墙的要求设计时,应按表中框架-抗震墙结构的规定确定其抗震等级。

地震烈度是指某一地区地面和各类建筑物遭受一次地震影响破坏的强烈程度。 同一次地震发生后,不同地区受地震影响的破坏程度不同,烈度也不同。 受地震影响破坏越大的地区,烈度越高。 判断烈度的大小,是根据人的感觉、家具及物品振动的情况、房屋及建筑物破坏的程度以及地面出现的破坏现象等。

设防烈度是按照国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度,一般情况取50 年内超越概率10%的地震烈度。 确定了抗震设防烈度就确定了设计基本地震加速度和设计特征周期、设计地震动参数。 通俗地讲,就是建筑物需要抵抗地震波对建筑物的破坏程度,要区别于地震震级。 在《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010,2016 年版)中指出了地震加速度值与设防烈度的对应关系。

2)混凝土保护层厚度

在16G101 系列图集中均规定了钢筋混凝土的最小保护层厚度,即构件最外层钢筋(箍筋、构造筋、分布筋等)外边缘至混凝土表面的距离。 混凝土保护层的最小厚度见表3.3,本书用Cmin表示混凝土最小保护层厚度。 构件中受力钢筋混凝土保护层厚度不应小于钢筋的公称直径,其作用主要是防止钢筋不被锈蚀,同时保证钢筋与混凝土之间的黏结力。

表3.3　混凝土保护层的最小厚度Cmin单位:mm

注:①表中混凝土保护层厚度指最外层钢筋外边缘至混凝土表面的距离,适用于设计使用年限为50 年的混凝土结构。
②构件中受力钢筋的保护层厚度不应小于钢筋的公称直径d。
③一类环境中,设计使用年限为100 年的结构最外层钢筋的保护层厚度不应小于表中数值的1.4 倍;二、三类环境中,设计使用年限为100 年的结构应采取专门的有效措施。
④钢筋混凝土基础宜设置混凝土垫层,基础底部的钢筋的混凝土保护层厚度应从垫层顶面算起,且不应小于40 mm;无垫层时,不应小于70 mm。
⑤桩基承台及承台梁:承台底面钢筋的混凝土保护层厚度,当有混凝土垫层时,不应小于50 mm,无垫层时不应小于70 mm;此外尚不应小于桩头嵌入承台内的长度。

各种混凝土构件的最小保护层厚度Cmin示意图如图3.2 所示。 影响混凝土保护层厚度的因素有环境类别、构件类型、混凝土强度等级和结构设计年限,混凝土结构的环境类别见表3.4。

图3.2　各种构件混凝土保护层厚度示意图

表3.4　混凝土结构的环境类别

注:①室内潮湿环境是指构件表面经常处于结露或湿润状态的环境。
②严寒和寒冷地区的划分应符合现行国家标准《民用建筑热工设计规范》(GB 50176)的有关规定。
③海岸环境和海风环境宜根据当地情况,考虑主导风向及结构所处迎风、背风部位等因素的影响,由调查研究和工程经验确定。
④受除冰盐影响环境是指受到除冰盐盐雾影响的环境;受除冰盐作用环境是指被除冰盐溶液溅射的环境以及使用除冰盐地区的洗车房、停车楼等建筑。
⑤暴露的环境是指混凝土结构表面所处的环境。

3)钢筋锚固值

钢筋混凝土结构中钢筋能够受力,主要依靠钢筋和混凝土之间的黏结锚固作用,因此钢筋的锚固是混凝土结构受力的基础。 如锚固失效,则结构将丧失承载能力并由此导致结构破坏。钢筋的锚固长度取值与钢筋的种类、强度等级、直径大小及外形有关,同时与混凝土的强度等级、保护层厚度、施工条件及结构抗震等级有关。 《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010,2015 年版)中关于受拉钢筋锚固,包括基本锚固长度lab、锚固长度la、抗震锚固长度laE以及抗震设计基本锚固长度labE。 其中la、laE用于钢筋直锚或总锚固长度情况,lab、labE用于钢筋弯折锚固或机械锚固情况,施工中应按16G101 系列图集中标准构造详图所标注的长度进行下料。在计算受拉钢筋锚固长度时,可根据16G101—1 图集第57 页、58 页查表进行取值。 受拉钢筋的基本锚固长度lab、锚固长度la、抗震锚固长度laE以及抗震设计基本锚固长度labE见表3.5 至表3.8(注:根据《钢筋混凝土用钢　第2 部分:热轧带肋钢筋》(GB/T 1499.1—2018)的规定,已取消335 MPa 级钢筋,因此表中删除了HRB335 的内容)。

表3.5　受拉钢筋基本锚固长度lab单位:mm

表3.6　受拉钢筋锚固长度la单位:mm

表3.7　受拉钢筋抗震锚固长度laE单位:mm

续表

注:①当为环氧树脂涂层带肋钢筋时,表中数据尚应乘以1.25。
②当纵向受拉钢筋在施工过程中易受扰动时,表中数据尚应乘以1.1。
③当锚固长度范围内纵向受力钢筋周边保护层厚度为3d、5d(d 为锚固钢筋的直径)时,表中数据可分别乘以0.8、0.7;中间时按内插值。
④当纵向受拉普通钢筋锚固长度修正系数(注①~注③)多于一项时,可按连乘计算。
⑤受拉钢筋的锚固长度la、laE计算值不应小于200 mm。
⑥四级抗震时,laE =la。
⑦当锚固钢筋的保护层厚度不大于5d 时,锚固钢筋长度范围内应设置横向构造钢筋,其直径不应小于d/4(d 为锚固钢筋的最大直径);对梁、柱等构件间距不应大于5d,对板、墙等构件间距不应大于10d,且均不应大于100 mm(d 为锚固钢筋的最小直径)。
⑧HPB300 级钢筋末端应做180°弯钩,做法详见16G101—1 图集第57 页。

表3.8　抗震设计时受拉钢筋基本锚固长度labE单位:mm

注:①四级抗震时,labE =lab。
②当锚固钢筋的保护层厚度不大于5d 时,锚固钢筋长度范围内应设置横向构造钢筋,其直径不应小于d/4(d 为锚固钢筋的最大直径);对梁、柱等构件间距不应大于5d,对板、墙等构件间距不应大于10d,且均不应大于100 mm(d 为锚固钢筋的最小直径)。

在16G101 系列图集中,纵向受拉钢筋还规定了弯钩锚固及机械锚固形式,如图3.3 所示。同时规定了钢筋90°弯折锚固时必须要保证平直段长度,即纵向受拉钢筋锚固时,当不能满足直锚要求时,可采用在钢筋端部设置90°弯钩的形式。 16G101 系列图集中纵向受力钢筋采用90°弯折锚固形式的主要有:

图3.3　纵向钢筋弯钩与机械锚固形式

①平直段长度≥0.6labE(0.6lab),弯折段长度15d,要求平直段宜伸至支座尽端,用于直锚长度不足且充分利用钢筋抗拉强度的情况,如图3.4 所示。

图3.4　剪力墙端柱转角墙构造

②平直段长度≥0.4labE(0.4lab),弯折段长度15d,要求平直段应伸至支座尽端,当锚固钢筋承受充分竖向压力作用时,平直段长度可适当减少,该种情况是情况①的特殊形式,如框支梁端支座节点,如图3.5 所示。

③平直段长度≥0.35lab,弯折段长度15d,要求平直段宜伸至支座尽端,用于梁、板简支端上部钢筋的锚固,如图3.6、图3.7 所示。

④框架顶层中柱柱顶纵向受力钢筋从梁底算起平直段长度≥0.5labE,弯折段长度12d,要求竖直段伸至柱顶,如图3.8 所示。

图3.5　框支梁配筋构造

图3.6　井字梁配筋构造

图3.7　板在端部支座的锚固配筋构造

图3.8　KZ 中柱柱顶纵向钢筋构造

在实际工程中,由于支座长度限制,造成无法满足平直段的情况,有些人认为这种情况下平直段短些,弯折段长些,总的长度满足锚固长度laE或la 就可以了,实际上这种做法是不允许的。 弯折锚固是利用受力钢筋端部90°弯钩对混凝土的局部挤压作用加大锚固承载力,从而保证钢筋不会发生锚固拔出破坏,弯折段的长度按图集要求已能满足要求,过长则浪费。 弯折锚固要求弯钩之前必须有一定的直段锚固长度,是为了控制锚固钢筋的滑移,使构件不致发生较大的裂缝和变形。

4)钢筋连接

钢筋连接方式主要有绑扎搭接、机械连接及焊接连接,其特点见表3.9。 机械连接接头和焊接接头的类型及质量应符合国家现行有关标准的规定。 纵向受力钢筋的接头宜设置在受力较小处,应避开结构受力较大的关键部位。 纵向受力钢筋连接位置宜避开梁端、柱端箍筋加密区范围,如必须在该区域连接,应采用机械连接或焊接。 在同一跨度或同一层高内的同一受力钢筋上宜少设连接接头,不宜设2 个或2 个以上接头。 当受拉钢筋直径>25 mm 及受压钢筋直径>28 mm时,不宜采用绑扎搭接接头。

表3.9　绑扎搭接、机械连接及焊接连接的特点

(1)同一构件中相邻纵向受力钢筋的搭接接头宜相互错开

①钢筋绑扎搭接接头。 钢筋为绑扎搭接接头时,连接区段的长度为1.3 倍搭接长度ll 或1.3llE,凡搭接接头中点位于该连接区段长度内的搭接接头均属于同一连接区段,如图3.9 所示。

图3.9　同一连接区段内的纵向受拉钢筋绑扎搭接接头、机械连接和焊接接头

位于同一连接区段内的纵向受拉钢筋绑扎搭接接头面积百分率:对梁类、板类及墙类构件,不宜大于25%;对柱类构件,不宜大于50%。 当工程中确有必要增大纵向受拉钢筋搭接接头面积百分率时,对梁类构件,不应大于50%;对板类、墙类及柱类构件,可根据实际情况放宽。

②钢筋机械连接接头。 钢筋为机械连接接头时,连接区段的长度为35d(d 为纵向受力钢筋的较大直径),凡接头中点位于该连接区段长度内的机械连接接头均属于同一连接区段(见图3.9)。 在受力较大处设置机械连接接头时,位于同一连接区段内的纵向受拉钢筋接头面积百分率不宜大于50%,纵向受压钢筋的接头面积百分率可不受限制。

③钢筋焊接接头。 钢筋为焊接接头时,连接区段的长度为35d(d 为纵向受力钢筋的较大直径)且不小于500 mm,凡接头中点位于该连接区段长度内的焊接接头均属于同一连接区段(见图3.9)。 位于同一连接区段内纵向受力钢筋的焊接接头面积百分率,对纵向受拉钢筋接头,不应大于50%;纵向受压钢筋的接头面积百分率可不受限制。

同一连接区段内纵向钢筋搭接接头面积百分率,为该区段内有连接接头的纵向受力钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值。

(2)纵向受拉钢筋搭接长度ll 和抗震搭接长度llE

在16G101—1 中分别给出了纵向受拉钢筋搭接长度ll 和纵向受拉钢筋抗震搭接长度llE,见表3.10 和表3.11。

表3.10　纵向受拉钢筋搭接长度ll单位:mm

注:①表中数值为纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度。
②两根不同直径钢筋搭接时,表中d 取较细钢筋直径。
③当为环氧树脂涂层带肋钢筋时,表中数据尚应乘以1.25。
④当纵向受拉钢筋在施工过程中易受扰动时,表中数据尚应乘以1.1。
⑤当搭接长度范围内纵向受力钢筋周边保护层厚度为3d、5d(d 为搭接钢筋的直径)时,表中数据尚可分别乘以0.8、0.7;中间时按内插值。
⑥当上述修正系数(注③~注⑤)多于一项时,可按连乘计算。
⑦任何情况下,搭接长度不应小于300 mm。

表3.11　纵向受拉钢筋抗震搭接长度llE单位:mm

注:①四级抗震等级时,llE =ll,详见表3.10。
②其余表注同表3.10。(www.xing528.com)

5)钢筋的弯钩及弯折角度

①《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2015)中规定,受力钢筋的弯钩及弯折应符合下列规定:

a.光圆钢筋末端应做180°弯钩,其弯弧内直径不应小于钢筋直径的2.5 倍,弯钩的平直段长度不应小于钢筋直径的3 倍,如图3.10(a)所示。

图3.10　钢筋的弯钩和弯折

b.当设计要求钢筋末端需做135°弯钩时,400MPa 级带肋钢筋的弯弧内直径不应小于钢筋直径的4 倍,弯钩的平直段长度应符合设计要求,如图3.10(b)所示。

c.钢筋做不大于90°的弯折时,弯折处弯弧内直径不应小于钢筋直径的5 倍,如图3.10(c)所示。

②《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2015)中规定,除焊接封闭式箍筋外,箍筋的末端应做弯钩,弯钩形式应符合设计要求;当设计无具体要求时,应符合下列规定:

a.箍筋弯钩的弯弧内直径除应满足上述①条的规定外,尚应不小于纵向受力钢筋的直径。

b.箍筋弯钩的弯折角度:对一般结构构件,不应小于90°;对有抗震设防要求或设计有专门要求的结构构件,不应小于135°。

c.箍筋弯折后平直段长度:对一般结构构件,不应小于箍筋直径的5 倍;对有抗震设防要求或设计有专门要求的结构构件,不应小于箍筋直径的10 倍和75 mm 的较大值(见图3.11)。螺旋箍筋的构造和弯钩弯后平直段长度不宜小于箍筋直径的10 倍,如图3.12 所示。

图3.11　梁、柱、剪力墙、基础构件箍筋和拉筋弯钩构造

图3.12　螺旋箍筋构造

(圆柱环状箍筋搭接构造同螺旋箍筋)

③17G101—11 中指出:光圆钢筋系指HPB300 级钢筋,由于钢筋表面光滑,主要靠摩阻力锚固,锚固强度很低,一旦发生滑移即被拔出,因此光圆钢筋末端应做180°弯钩,弯后平直段长度不应小于3d,但作受压钢筋时可不做弯钩;板中分布钢筋(不作为抗温度收缩筋使用),或者按构造详图已经设有≤15d 直钩时,可不再设180°弯钩,如图3.13所示。

图3.13　HPB300 级钢筋末端180°弯钩

④箍筋的平直段长度和直钢筋弯钩增加长度及弯曲调整值可参考表3.12、表3.13、表3.14的数据(箍筋的直径为d,弯曲直径为D,即D=4d)。

表3.12　箍筋的弯钩增加长度值

注:箍筋弯钩增加长度值已包含弯钩平直段长度内,在16G101 中弯钩平直段长度为max(10d,75)。

表3.13　钢筋弯曲调整值

表3.14　直钢筋的弯钩增加长度值

6)纵向钢筋间距

(1)梁纵向钢筋间距

梁上部纵向钢筋水平方向的净间距(钢筋外边缘之间的最小距离)不应小于30 mm 和1.5d(d 为钢筋的最大直径,下同);下部纵向钢筋水平方向的净间距不应小于25 mm 和d。 梁的下部纵向钢筋配置多于两层时,两层以上钢筋水平方向的中距应比下面两层的中距增大1倍。 各层钢筋之间的净间距不应小于25 mm 和d,如图3.14 所示。

当梁的腹板高度hw≥450 mm 时,在梁的两个侧面应沿高度配置纵向构造钢筋,其间距a不宜大于200 mm。 图3.14 中s 为梁底至梁下部纵向受拉钢筋合力点距离。 当梁下部纵筋为一排时,s 取至钢筋中心位置;当梁下部纵筋为两排时,s 可近似取值为60 mm。 当设计注明梁侧面纵向钢筋为抗扭钢筋时,侧面纵向钢筋应均匀布置。

图3.14　梁纵向钢筋间距

(2)柱纵向钢筋间距

柱中纵向受力钢筋的净间距不应小于50 mm(图3.15),且不宜大于300 mm;截面尺寸大于400 mm 的柱,纵向钢筋的间距不宜大于200 mm。

(3)剪力墙分布钢筋间距

剪力墙水平分布钢筋及竖向分布钢筋间距(中心距)不应大于300 mm,如图3.16 所示。

图3.15　柱纵向钢筋间距

图3.16　剪力墙分布钢筋间距

(4)筏形基础纵向钢筋间距

筏形基础中纵向受力钢筋的间距(中心距)不应小于150 mm,宜为200 ~300 mm。 当基础筏板厚度大于2 m 时,宜在板厚度方向中间部位设置直径不小于12 mm、间距不大于200 mm的双向钢筋网。

(5)并筋钢筋间距

由2 根单独钢筋组成的并筋可按竖向或横向的方式布置,由3 根单独钢筋组成的并筋宜按品字形布置(见图3.17)。 直径≤28 mm 的钢筋并筋数量不应超过3 根;直径32 mm 的钢筋并筋数量宜为2 根;直径≥36 mm 的钢筋不应采用并筋。梁、柱中并筋的混凝土保护层厚度、钢筋间距要求如图3.18、图3.19 所示。

图3.17　并筋形式图

图3.18　梁并筋的混凝土保护层厚度、钢筋间距

图3.19　柱中并筋的混凝土保护层厚度、钢筋间距

7)结构中钢筋类别的选用

在有抗震设防要求结构中,对材料的要求分为强制性和非强制性。 按一、二、三级抗震等级设计的框架和斜撑构件(这类构件包括框架梁、框架柱、框支梁、板柱-抗震墙的柱,以及伸臂桁架的斜撑、框架中楼梯的梯段等)中纵向受力普通钢筋强屈比、超强比和均匀伸长率方面必须满足下列要求:

①强屈比:钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25。 这是为了保证当构件某个部位出现塑性铰以后,塑性铰处有足够的转动能力和耗能能力,大变形下具有必要的强度潜力。

②超强比:钢筋屈服强度实测值与标准值的比值不应大于1.30。 这是为了保证按设计要求实现“强柱弱梁”“强剪弱弯”的效果,不会因钢筋强度离散性过大而受到干扰。

③均匀伸长率:钢筋在最大拉力的总伸长率实测值不应小于9%。 这是为了保证在抗震大变形的条件下,钢筋具有足够的塑性变形能力。

其他普通钢筋应满足设计要求,宜优先采用延性、韧性和焊接性较好的钢筋。 带肋钢筋包括普通热轧钢筋(HRB400、HRB500、HRB600)和细晶粒热轧钢筋(HRBF400、HRBF500),在《钢筋混凝土用钢　第2 部分:热轧带肋钢筋》(GB/T 1499.2—2018)中还提供了牌号带“E”的钢筋:HRB400E、HRB500E、HRBF400E、HRBF500E。 这些牌号带“E”的钢筋在强屈比、超强比和均匀伸长率方面均满足上述要求,抗震结构的关键部位及重要构件宜优先选用。

8)符号说明

在本书的讲解中要用到相关符号,其代表含义见表3.15。

表3.15　符号说明

注:hc 在计算柱钢筋时为柱截面长边尺寸(圆柱为截面直径D),在计算梁钢筋时为柱截面沿框架方向的高度。

1.“平法”钢筋计算的基本原理有哪些?

2.“平法”钢筋计算应具备哪些基本知识?

阅读16G101 系列国家建筑标准设计图集

1.训练目的:理解平法钢筋计算的相关知识。

2.训练要求:作好记录。

3.训练所需资源:《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010,2015 年版)、《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010,2016 年版),以及16G101—1、16G101—2、16G101—3、18G901—1、18G901—2、18G901—3 和17G101—11 等图集。