建筑结构与公路桥涵在混凝土结构设计上的差别

guoloveyou2003 · 发表于 2006-9-19 19:34:24

建筑结构与公路桥涵在混凝土结构设计上的差别

摘要：本文从规范的角度在设计方法、材料强度取值、计算公式、计算结果上说明了建筑结构与公路桥涵在混凝土结构设计上的差别。
前言
１在设计方法上的差别
　　在建筑结构专业的《混凝土结构设计规范》ＧＢＪ１０－８９中（以下简称ＧＢＪ１０－８９），采用的是近似概率极限状态设计方法。以概率理论为基础，较完整的统计资料为依据，用结构可靠度来衡量结构的可靠性，按可靠度指标来确定荷载分项系数与材料分项系数，使设计出来的不同结构，只要重要性相同，结构的可靠度是相同的。
　　在公路桥梁专业的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》ＴＪＴ０２３－８５中（以下简称ＴＪＴ０２３－８５），采用的是半概率半经验的极限状态设计方法。虽然也采用概率理论及结构可靠度理论，但在设计公式中是用三个经验系数来反映结构的安全性，即荷载安全系数、材料安全系数、结构工作条件系数。
　　在设计中，对这种系数的差别要注意区别，不能混淆。
２材料强度取值上的差别
２．１混凝土的强度
　　混凝土立方体抗压强度是混凝土的基本强度指标，是用标准试块在标准养护条件下养护后用标准试验方法测得的强度指标。两规范中所采用的试块尺寸是不同的。ＧＢＪ１０－８９中采用１５０ｍｍ立方体试块，ＴＪＴ０２３－８５中用２００ｍｍ的立方体试块。ＧＢＪ１０－８９中，根据测得的具有９５％保证率的立方体抗压极限值来确定混凝土的强度等级，一共分为十级，即Ｃ１０，Ｃ１５，Ｃ２０，Ｃ２５，Ｃ３０，Ｃ３５，Ｃ４０，Ｃ４５，Ｃ５０，Ｃ６０。
　　ＴＪＴ０２３－８５中，根据测得到具有８４．１３％保证率的立方体抗压极限值来确定混凝土的强度等级，用混凝土标号表示，一共分为七级，即１５号、２０号、２５号、３０号、４０号、５０号、６０号。由于所采用的试块尺寸不同，两规范中相同数值等级的混凝土强度值是不同的，ＧＢＪ１０－８９的值大。如Ｃ１５混凝土与１５号混凝土，尽管都表示强度等级为１５Ｍｐａ的混凝土，但实际强度Ｃ１５混凝土比１５号混凝土大。混凝土强度取值不同，这一点在设计中是要注意的。
２．２钢筋的强度
　　两规范中，钢筋的标准强度取值是一样的，都采用钢材的废品限制值作为取值依据。但钢筋的设计强度取值不一样，ＧＢＪ１０－８９中以标准强度值除以材料分项系数作为取值依据，而ＴＪＴ０２３－８５中设计强度取值与标准强度取值是一样的。这样，相同的钢筋等级，ＴＪＴ０２３－８５中钢筋的设计强度取值大。
３荷载取值的差别
　　两规范中荷载分类与取值都有明确的规定，不容易混淆。在荷载效应组合中有一点差别，应注意。ＧＢＪ１０－８９中，荷载效应组合时，既有荷载分项系数，又有荷载组合系数，要区别开来。ＴＪＴ０２３－８５中只有荷载分项系数。
４构件计算的差别
　　两规范中在构件计算上，尽管依据的原理、计算假定、计算模型基本一致，但计算公式、计算结果是有较大差别的。构件计算是关系到设计结果的最重要的一环，值得重视。限于篇幅，只以正截面受弯和斜截面受剪强度计算为例看计算上的差别。
４．１正截面受弯强度计算
　　两规范在计算假定上就有差别。混凝土极限压应变取值，ＴＪＴ０２３－８５中为εｕ＝０．００３ＧＢＪ１０－８９中εｕ＝０．００３３。在等效矩形应力图形中，ＴＪＴ０２３－８５取γσ＝Ｒａβｘ＝０．９ｘ。ＧＢＪ１０－８９中取γσ＝１．１ｆｃβｘ＝０．８ｘ。由于εｕ取值不同，两规范中混凝土界限受压区高度有些差别。从混凝土极限压应变、等效矩形应力图形的差别上可以看出，两规范中安全储备是不同的。ＴＪＴ０２３－８５的安全储备大。
　　下面用算例来说明这一问题。
　　有矩形截面梁，截面尺寸为２５０ｍｍ×５００ｍｍ２０号混凝土，Ⅱ级钢筋。计算截面处计算弯矩为Ｍｊ＝１５ＫＮ．ｍ试进行配筋计算。
４．１．１先按ＴＪＴ０２３－８５计算。
　　已知２０号混凝土抗压强度设计值Ｒａ＝１１ＭｐａＩＩ级钢筋抗拉强度设计值Ｒｇ＝３４０Ｍｐａ混凝土相对界限受压区高度ξｊｇ＝０．５５，材料安全系数γｃ＝γｓ＝１．２５。
（１）求混凝土受压区高度ｘ
　　先假定钢筋按一排布置，钢筋重心到混凝土受拉边缘的距离ａ＝４０ｍｍ，则有效高度ｈ０＝（５００－４０）ｍｍ＝４６０ｍｍ由
得
解得Ｘ＝１３３ｍｍ＜ξｊｇｈ０＝０．５５×４６０＝２５３ｍｍ。
（２）求所需钢筋数量Ａｇ，由ＲｇＡｇ＝Ｒａ•ｂｘ，得
Ａｇ＝＝＝１０７６ｍｍ２
（３）验算最小配筋率μ＝＝＝１％＞μｍｉｎ＝
０．１％，满足规范要求。
４．１．２按ＧＢＪ１０－８９计算
　　Ｃ２０混凝土，弯曲抗压强度设计值ｆｃｍ＝１１Ｍｐａ，钢筋抗拉强度设计值ｆｙ＝３１０Ｍｐａ混凝土相对界限受压区高度ξｂ＝０．５４４
　　（１）求Ｘ有Ｍｊ＝ｆｃｍｂ×（ｈ０－）得１１５×１０６＝１１×２５０×（４６０－），解得ｘ＝（１－１－）ｈ０＝１０２．３ｍｍ＜ξｂｈ０＝０．５４４×４６０＝２５０．２ｍｍ满足要求
　　（２）求Ａｓ由Ａｓｆｙ＝ｆｃｍｂｘ得Ａｓ＝ｆｃｍｂｘ／ｆｙ＝（１１ｘ２５０×１０２．３）／３１０＝９０７．５ｍｍ２＞μｍｉｎｂｈ０＝０．１５％×２５０×４６０＝１７２．５ｍｍ２
　　如果扣除由于２０号混凝土与Ｃ２０混凝土之间强度取值的差别，２０号混凝土按ＧＢＪ１０－８９，ｆｃｍ＝１１×０．９５＝１０．４５ＭＰａ则ｘ＝（１－１－）×４６０＝１０８．５ｍｍ，Ａｓ＝（１０．４５ｘ２５０ｘ１０８．５）／３１０＝９１４．４ｍｍ２
　　从上述计算中看出，按ＴＪＴ０２３－８５比按ＧＢＪ１０－８９钢筋用量多１７．７％。
４．１．３受弯构件斜截面强度计算
　　在斜截面强度计算中，两规范都是根据斜截面发生剪压破坏时的受力特征和试验资料所制定的。但两规范在计算公式表述上及计算结果上都有较大的差别。
　　ＴＪＴ０２３－８５中，斜截面强度计算公式为：Ｑｊ≤Ｑｕ＝Ｑｈｋ＋ＱＷ，其中Ｑｈｋ＝０．０３４９ｂｈ０（２＋ｐ）Ｒ μｋＲｇｋ，Ｑｗ＝０．０６ＲｇｗΣＡｗｓｉｎα，式中Ｑｊ：根据荷载组合得出的通过斜截面顶端正截面内的最大剪力，即计算剪力，单位为ＫＮ；Ｑｈｋ：混凝土和箍筋的综合抗剪承载力（ＫＮ）；Ｑｗ：弯起钢筋承受的剪力（ＫＮ）；ｂ：通过斜截面受压区顶端截面上的腹板厚度（ｃｍ）；ｈ０：通过斜截面受压区顶端截面上的有效高度，自纵向受拉钢筋合力点至受压边缘的距离（ｃｍ）；μｋ：箍筋配筋率μｋ＝ｎｋ•ａｋ／（ｂ•ｓ）；Ｒｇｋ：箍筋的抗拉设计强度（Ｍｐａ），设计时不得采用大于３４０Ｍｐａ：Ｒ：混凝土标号（Ｍｐａ）；ｐ斜截面内纵向受拉主筋的配筋率，ｐ＝１００μ，μ＝Ａｇ／ｂｈ０当ｐ＞３．５时，取ｐ＝３．５；Ｒｇｗ：弯起钢筋的抗拉设计强度（Ｍｐａ）；Ａｗ在一个弯起钢筋平面内的弯起钢筋纵截面面积（ｃｍ２）；α：弯起钢筋与构件纵向轴线的夹角。
　　上式中工作条件系数、安全系数均已记入。公式的适用条件采用上限值和下限值来保证。上限值要求截面最小尺寸满足Ｑｊ≤０．０５１Ｒｈ０（ＫＮ）。满足下限值，Ｑｊ≤０．０３８Ｒ１ｂｈ０（ＫＮ）可按构造要求配置箍筋，式中Ｒ１：混凝土抗拉设计强度（Ｍｐａ）。ＧＢＪ１０－８９中，斜截面承载力的计算公式为Ｖ≤Ｖｕ＝Ｖｃｓ＋Ｖｓｂ其中Ｖｃｓ＝０．０７ｆｃｂｈ０＋１．５ｆｙｖ（Ａｓｖ／Ｓ）ｈ０  Ｖｓｂ＝０．８ｆｙＡｓｂｓｉｎαｓ 当为承受集中荷载的矩形独立梁，Ｖｃｓ＝０．２／（λ＋１．５）ｆｃｂｈ０＋１．２５ｆｙｖｈ０，式中Ｖ：构件截面上的最大剪力设计值（Ｎ）；Ｖｃｓ：混凝土与箍筋的综合抗剪承载力（Ｎ）；Ｖｓｂ：弯起钢筋所承受的剪力（Ｎ）；ｂ：矩形截面的宽度，Ｔ形截面或Ｉ形截面的腹板宽度（ｍｍ）；ｈ０：通过斜截面受压区顶端截面上的有效高度，自纵向受拉钢筋合力点至受压边缘的距离（ｍｍ）；ｆｃ：混凝土的抗压强度设计值（Ｍｐａ）；ｆｙｖ：箍筋的抗拉强度设计值（Ｍｐａ）；Ｓ：沿构件长度箍筋间距（ｍｍ）；ｆｙ：弯起钢筋的抗拉强度设计值（Ｍｐａ）；Ａｓｂ：在一个弯起钢筋平面内的弯起钢筋纵截面面积（ｍｍ２）；αｓ：弯起钢筋与构件纵向轴线的夹角。
　　公式的适用条件也是采用上限值和下限值来保证。上限值要求截面最小尺寸满足Ｖ≤０．２５ｆｃｂｈ０当为薄腹梁，Ｖ≤０．２ｆｃｂｈ０。满足下限值Ｖ＝０．０７ｆｂｈ０，可按构造要求配置箍筋。从上述公式中，可以看出，公式的表达形式不同，各物理量的单位也不同。
　　下面以实际例子看看计算结果上的差别。
　　已知Ｔ形截面简支梁，２５号混凝土，纵筋采用ＩＩ级钢筋，箍筋采用Ｉ级钢筋，计算截面的计算剪力为４１６．２７ＫＮ受拉区有２Φ３２的纵筋，保护层厚３０ｍｍ。进行腹筋设计。
　　下表是根据两规范进行的计算比较。
　　ＴＪＴ０２３－８５中，对斜截面抗剪计算，要求弯起钢筋承担４０％的计算剪力，混凝土与箍筋共同承担６０％的计算剪力。另根据规范对计算剪力的定义，ＴＪＴ０２３－８５中的计算剪力与ＧＢＪ１０－８９中的设计剪力是一致的。所以在ＧＢＪ１０－８９计算中，也按４：６比例分担剪力。
　　从上表中，明显看出，ＴＪＴ０２３－８５比ＧＢＪ１０－８９在斜截面承载力计算中，安全储备大得多。这与桥涵结构跟建筑结构所处环境，所受荷载不同有关系。
　　目前，两专业在混凝土规范上没有统一，设计和施工时应注意，不能随意互换。另外，两规范在构造上也有差别，需注意。

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