混凝土结构中钢筋的保护层厚度.pdf

第 卷 第期建筑结构 “ 年月 混凝土结构中钢筋的保护层厚度 徐有邻王晓锋 （中国建筑科学研究院北京 ） ［提要］ 介绍了混凝土结构中钢筋保护层的作用， 以及新公布的 混凝土结构设计规范（ 9 1 1 1 , 2 4 50 ,0 * * 8 2 * 7 * 4 0 6, . 9 4 1 , 9 5 *, . * 2 4 . , 1 * 7 * 4 0 6 9 4 8 9 ; 2 - 2 0 ， * 8 2 * 7 * 4 0 6, . * / 0 , ./ , 0 * 1 0 2 3 *1 , 3 * 2 4 5 69 *9 3 9 4 1 * 2 44 * A1 , *， 9 4 6 8 2 0 9 ; - *9 B 8 6 0 7 * 4 0 6 9 - - ; *4 * 1 * 6 6 9 0 , 6 / * 1 2 . 2 * 2 4 6 0 9 4 1 * “ ’ 1 , 4 1 * 0 * 6 0 8 1 0 8 * 6； * 2 4 . , 1 * 7 * 4 0 6； * / 0 ；/ , 0 * 1 0 2 3 * 1 , 3 * 2 4 5 6 由于历史的原因， 我国混凝土结构中的钢筋保护 层厚度相对较小， 对其承载力和使用造成诸多不利影 响。 混凝土结构设计规范（ ’ “ “） 对保护 层厚度的规定作了适当调整， 这里作必要的说明。 一、 保护层的作用 C受力钢筋粘结锚固 混凝土结构中钢筋能够承载受力， 是由于钢筋与 混凝土之间的粘结锚固作用。粘结锚固作用很大程度 上取决于握裹混凝土的厚薄， 即保护层厚度。试验研 究表明， 在一般条件下， 受力钢筋 （尤其是变形钢筋） 的 粘结锚固强度与保护层厚度存在着线性关系。设计规 范中钢筋的锚固长度则是在一定的保护层厚度条件下 由可靠度计算确定的。因此， 满足一定厚度的保护层 是钢筋正常受力的基础。 “ C保护钢筋免遭锈蚀 混凝土结构中钢筋周围混凝土碱性环境的包裹可 使其免遭锈蚀 （钝化） ， 而大气中的二氧化碳和水引起 的混凝土碳化可造成钢筋脱钝而遭受酸性介质的锈 蚀。碳化的时间与混凝土厚薄 （即保护层厚度） 有关。 调查分析表明， 我国混凝土结构的保护层偏薄， 故耐久 性较差， 而一定的混凝土保护层厚度则是保证结构耐 久性所必须的。 C确定截面有效高度 从粘结锚固和耐久性角度而言， 需要有较大的保 护层厚度。然而从截面承载受力的角度而言， 过大的 保护层厚度会造成截面有效高度减小、 承载能力下降， 从而增加结构配筋量。 因此， 在确定混凝土保护层厚度的时候， 应综合考 虑粘结锚固、 耐久性以及有效高度三个因素， 在确保粘 结锚固和耐久性的条件下尽可能取较小的保护层厚 度。规范规定的保护层最小厚度正是其取值的最低限 度界限。 二、 保护层的最小厚度 C取值原则 在短缺型的计划经济时代， 由于物资匮乏， 较多地 考虑了充分发挥材料强度这一因素。为保证截面承载 能力提高， 只能加大有效高度， 造成规范中保护层最小 厚度的取值偏小， 这也是效仿原苏联规范的结果。 随着我国经济的发展， 物资供应 （尤其是钢筋） 的 极大丰富使增加保护层厚度成为可能， 而且这也满足 持续发展和扩大内需的需要。此次设计规范修订根据 我国的实际情况对这部分内容作出了调整， 适当增大 了保护层最小厚度的限值。 “ C保护层最小厚度的基本值 新规范第D C “ C 条以强制性条文形式给出了保护 层厚度的最低限度要求 （） 由粘结锚固要求， 保护层厚度应不小于纵向受 力钢筋的公称直径。对于普通钢筋而言， 公称直径 即其承载截面的直径； 对于预应力钢绞线而言， 公称直 径是大于其承载截面当量直径的数值， 对于强度较高 的高效预应力钢筋而言， 这样的选择对保证安全是必 要的。 （“） 由耐久性要求， 保护层厚度应不小于表中的 数值。 （） 考虑地下环境中水及土壤对保护层的影响， 新 规范在表注中增补了基础中钢筋保护层厚度不应小 EF 于 “ 的规定。当无垫层时， 根据我国工程实践经 验， 考虑施工不确定性的影响， 钢筋保护层厚度不应小 于 “ 。应该指出的是， 此为只包括一般混凝土基 础中纵向受力钢筋的规定， 对于有其它要求的结构 （例 如防水混凝土结构） 则当特殊考虑。 纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度 （） 表 环境 类别 板、 墙、 壳梁柱 “ ’ “ “ ’ “ “ ’ “ “ ’ “ “ ’ “ “ ’ “ 一 “ ’ ’ “ ’ ’ “ “ “ 二* “ “ “ “ “ “ ’ “ ’ “ ’ “ 三 “ ’ “ ’ “ ’ ,与原规范的比较 （） 环境类别的影响 原规范只有室内正常环境 （一类） ， 室内潮湿环境、 露天环境及与水或土壤直接接 触环境 （二*类） 。现增加了严寒和寒冷地区的露天环 境、 与无侵蚀性的水及土壤直接接触的环境 （二类） ， 使用除冰盐的环境、 严寒和寒冷地区冬季水位变动的 环境、 滨海室外环境 （三类） 。考虑冻融循环及轻度腐 蚀环境还增加了其它有关规定。 （） 混凝土强度的影响 混凝土质量对耐久性有很 大的影响， 因而也是确定保护层厚度的重要因素。此 次修订按混凝土强度等级作了适度调整 “及其以 下为低强混凝土， 按耐久性要求只规定了环境类别为 一级的数值； ’ “及其以上为高强混凝土， 保护层厚度 可适当减小； 介于两者之间的为一般混凝土。 （） 构件类型的影响 原规范按板类构件 （板、 墙、 壳） 及杆类构件 （梁、 柱） 分两类作出规定。新规范则分 为三类， 对梁、 柱的保护层厚度分别作出规定。这种划 分不仅考虑了混凝土碳化和有害介质侵蚀的特点， 也 考虑了构件在承载受力中的作用和对结构安全性的影 响。特别是对于柱类构件， 保护层厚度有明显增加。 三、 保护层厚度的调整 ,预制构件中的钢筋保护层厚度 由于工厂化生产的预制构件混凝土质量容易得到 保证， 密实性相对较好， 保护层厚度可以适当减小。当 混凝土表面采取有效保护措施 （如水泥砂浆抹面等） 时， 耐久性可以得到提高， 相应的保护层厚度也可以减 小。新规范中保留了这些原规范已有的规定。 ,辅助钢筋的保护层厚度 梁、 柱类构件中的箍筋、 构造钢筋和板、 墙、 壳类构 件中的分布钢筋不同于纵向受力钢筋， 可统称为辅助 钢筋， 其直径一般不大， 且在承载受力中的作用稍逊于 受力主筋， 保护层厚度可适当减小。对于前者， 保护层 厚度不应小于 ’ ； 对于后者， 可按表中数值减 “ ， 且不应小于 “ 。应该说明的是， 分布钢筋 保护层厚度限值较小并不是要求其一定配置在受力钢 筋的外侧， 根据我国混凝土结构的设计习惯， 设计中仍 可将其受力钢筋配置在截面最外侧， 以取得较大的有 效高度， 增大截面抗力， 只要受力钢筋满足保护层厚度 限值即可。 ,露天悬臂构件的保护措施 悬臂构件的根部承受很大的弯矩和剪力。负弯矩 引起的裂缝开口向上， 如处于二、 三类环境中， 则受力 主筋遭受腐蚀的可能性极大。悬臂构件无多余约束， 一旦发生问题则可能引起倾覆、 倒塌等恶性事故。因 此对悬臂构件受力主筋的保护更为重要， 尤其是露天 的悬臂板， 新规范规定二、 三类环境中的悬臂板其上表 面应采取防止钢筋遭受腐蚀的保护措施。 ,厚保护层中的表面钢筋 仅根据耐久性的要求， 一般混凝土结构的保护层 厚度控制在 “ 的范围内即可， 但在大型工程中有 可能采用直径超过 “ 的粗直径钢筋。根据锚固的 要求， 保护层厚度不应小于钢筋的公称直径， 即应大于 “ 。此外， 在结构的某些部位 （例如框架顶层边节 点的角部受力主筋弯弧处） ， 也可能形成厚度很大的混 凝土保护层。 这部分厚度很大的表层混凝土无法受到钢筋的有 效围箍约束， 一旦发生裂缝， 其宽度往往很大且容易发 生混凝土脱落的严重后果。新规范规定， 纵向受力钢 筋的混凝土保护层厚度大于 “ 时， 应对保护层采 取有效的防裂构造措施。常用的办法是在构件的表面 配置焊接或绑扎的细直径钢筋网片， 也称蒙皮钢筋。 四、 特殊情况下的保护层厚度 ,混凝土结构的防火要求 混凝土的保护层厚度还与建筑的防火要求有关。 根据防火需要提出的要求详见 建筑设计防火规范 （- . / 0） 和 高层民用建筑设计防火规范（- . ’ “ “ ’） 的规定， 设计时应遵守执行。 ,恶劣环境中的保护层厚度 规范只提供了处于一、 二、 三类环境等级中混凝土 的保护层要求， 对处于恶劣环境条件下的混凝土结构 保护层属于非共性的专门问题， 应由其它的相应规范 解决。海洋工程 （四类环境） 情况由 港口工程混凝土 和钢筋混凝土结构设计规范（/ 1 / 0 ） 处理； 化学腐蚀 情况 （五 类 环 境） 由 工 业 建 筑 防 腐 蚀 设 计 规 范 （- . ’ “ “ 0） 解决。恶劣环境中混凝土结构的钢筋最好 采用环氧树脂涂层钢筋， 相应标准为 环氧树脂涂层钢 筋（/ - “ ） 。（下转第 页） 20 图个别桩顶混凝土脱落 图“承台直剪破坏实况之三 （柱子下陷达 ） “ 由以上可见， 楼柱子截面太小及承台太薄、 混凝土强度等级太低， 是造成承台柱周直剪破坏的主 要原因。 ’ 楼左边是一幢层的底框建筑 （下简称楼 ） ， 底层为商店， 层为住宅。楼，间设伸缩缝 （抗震缝） 。楼的开间为 ， 仅为楼的*／， 中 柱平面受荷面积约 , ， 故中柱底层轴力约为 - ,.* “ /.- 0 1 2 楼柱子截面同楼， 粗估其轴压比为 0 ／ （ , “/ .* /）- ’ * 0 0 所需桩数为 0／/ , -/ 根 承台厚度约需 ““ 0 ／ ［,.（, / 3/ / ）. 0］-’ , , 实际承台厚度仅为/ ， 也不够， 但 - ［*］ - 0 -* , “*- * 故其承台未破坏。楼一角柱未发生承台柱周直剪破 坏 （图*） ， 也是由于其轴力较小的缘故。楼垮塌后， 对楼的基础进行了加固处理。 二、 建议混凝土设计规范增加钢筋混凝土基础 （承 台） 柱 （桩） 周直剪计算公式 由于冲切验算一般均要先假定基础 （承台） 高度， 往往需多次反复验算， 才能得出合适 （合理） 的基础高 度， 比较冗繁。基础 （承台） 柱周直剪计算公式， 力学概 念清晰， 计算简便， 笔者* 0 ’ 年以来一直用此公式估 算基础 （承台） 高度， 进行冲切验算时一般均能满足要 求或有富裕， 可见满足冲切要求并不一定满足直剪要 求。本楼垮塌事故证明基础 （承台） 的直剪破坏是确实 存在的， 同理， 也有桩周直剪破坏的问题。因此建议混 凝土设计规范增加有关钢筋混凝土基础 （承台） 柱 （桩） 周直剪的计算公式， 按混凝土规范， 其表达式为 ““／4 式中 “为基础 （承台） 在柱或桩处的高度；为柱子 轴力设计值或单桩竖向承载力的最大设计值 （如在偏 心受压基础中， 单桩竖向承载力有可能达到单桩竖向 承载力设计值的* 倍） ； 为柱或桩截面周边长度； 4为基础 （承台） 混凝土轴心抗拉强度设计值。 参考文献 * 振动冲击沉管灌注桩图集 （川0 5 * /）6四川省建筑标准办公室， * 0 0 6 钢筋混凝土预制桩基础图集 （川0 * 5 *）6四川省建筑标准办公 室， * 0 0 * 清华大学土木与环境工程系6混合结构设计6中国建筑工业出版 社， * 0 “ 06 , 工程结构教材选编小组6钢筋混凝土结构 （上册）6中国工业出版 社， * 0 *6 （上接第 0页） 百年使用期的要求 对设计使用年限为* 年的混凝土结构， 其在一 类环境中的混凝土保护层厚度应按表*内数值相应乘 系数* , 取用。这是由于混凝土碳化深度与时间的 平方根 ／/ 成比例， 百年使用期为* ／/ * ,。 当然， 对表面采取有效的防护措施时， 其保护层可以适 当减小， 此外在使用过程中还应定期检查维护。对于 二、 三类环境中的情况， 则应采取专门的有效措施。 五、 结语 混凝土结构中钢筋的保护层厚度涉及钢筋的粘结 锚固及抵抗锈蚀能力两方面的问题， 影响结构的承载 力及耐久性， 故在修订规范时以强制性条文形式给出 了其最低限度的要求 保护层的最小厚度。由于以 往我国在这方面的要求较低， 此次修订作了适当提高， 并对不同情况下的调整及特殊环境下的要求作出规 定， 希望设计人员在学习、 应用新规范时予以注意。 参考文献 * 邸小坛等6混凝土结构耐久性综合调查报告6中国建筑科学研究 院， * 0 0 6 中国建筑科学研究院主编6钢筋混凝土结构研究报告选集 （*，， ）6中国建筑工业出版社，* 0 “ “，* 0 ’ *，* 0 0 ,6 “