建筑結(jié)構(gòu)與公路橋涵在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的差別

　　簡介： 本文從規(guī)范的角度在設(shè)計(jì)方法、材料強(qiáng)度取值、計(jì)算公式、計(jì)算結(jié)果上說明了建筑結(jié)構(gòu)與公路橋涵在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的差別。

　　關(guān)鍵字：混凝土 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 建筑結(jié)構(gòu)

　　前 言

　　1 在設(shè)計(jì)方法上的差別

　　在建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ10-89中(以下簡稱GBJ10-89)，采用的是近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。以概率理論為基礎(chǔ)，較完整的統(tǒng)計(jì)資料為依據(jù)，用結(jié)構(gòu)可靠度來衡量結(jié)構(gòu)的可靠性，按可靠度指標(biāo)來確定荷載分項(xiàng)系數(shù)與材料分項(xiàng)系數(shù)，使設(shè)計(jì)出來的不同結(jié)構(gòu)，只要重要性相同，結(jié)構(gòu)的可靠度是相同的。

　　在公路橋梁專業(yè)的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》TJT023-85中(以下簡稱TJT023-85)，采用的是半概率半經(jīng)驗(yàn)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。雖然也采用概率理論及結(jié)構(gòu)可靠度理論，但在設(shè)計(jì)公式中是用三個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來反映結(jié)構(gòu)的安全性，即荷載安全系數(shù)、材料安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)工作條件系數(shù)。

　　在設(shè)計(jì)中，對(duì)這種系數(shù)的差別要注意區(qū)別，不能混淆。

　　2 材料強(qiáng)度取值上的差別

　　2.1 混凝土的強(qiáng)度

　　混凝土立方體抗壓強(qiáng)度是混凝土的基本強(qiáng)度指標(biāo)，是用標(biāo)準(zhǔn)試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)后用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的強(qiáng)度指標(biāo)。兩規(guī)范中所采用的試塊尺寸是不同的。GBJ10-89中采用150mm立方體試塊，TJT023-85中用200mm的立方體試塊。GBJ10-89中，根據(jù)測(cè)得的具有95%保證率的立方體抗壓極限值來確定混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，一共分為十級(jí)，即C10，C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C60.

　　TJT023-85中，根據(jù)測(cè)得到具有84.13%保證率的立方體抗壓極限值來確定混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，用混凝土標(biāo)號(hào)表示，一共分為七級(jí)，即15號(hào)、20號(hào)、25號(hào)、30號(hào)、40號(hào)、50號(hào)、60號(hào)。由于所采用的試塊尺寸不同，兩規(guī)范中相同數(shù)值等級(jí)的混凝土強(qiáng)度值是不同的，GBJ10-89的值大。如C15混凝土與15號(hào)混凝土，盡管都表示強(qiáng)度等級(jí)為15Mpa的混凝土，但實(shí)際強(qiáng)度C15混凝土比15號(hào)混凝土大?；炷翉?qiáng)度取值不同，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)中是要注意的。

　　2.2 鋼筋的強(qiáng)度

　　兩規(guī)范中，鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度取值是一樣的，都采用鋼材的廢品限制值作為取值依據(jù)。但鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值不一樣，GBJ10-89中以標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值除以材料分項(xiàng)系數(shù)作為取值依據(jù)，而TJT023-85中設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度取值是一樣的。這樣，相同的鋼筋等級(jí)，TJT023-85中鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值大。

　　3 荷載取值的差別

　　兩規(guī)范中荷載分類與取值都有明確的規(guī)定，不容易混淆。在荷載效應(yīng)組合中有一點(diǎn)差別，應(yīng)注意。GBJ10-89中，荷載效應(yīng)組合時(shí)，既有荷載分項(xiàng)系數(shù)，又有荷載組合系數(shù)，要區(qū)別開來。TJT023-85中只有荷載分項(xiàng)系數(shù)。

　　4 構(gòu)件計(jì)算的差別

　　兩規(guī)范中在構(gòu)件計(jì)算上，盡管依據(jù)的原理、計(jì)算假定、計(jì)算模型基本一致，但計(jì)算公式、計(jì)算結(jié)果是有較大差別的。構(gòu)件計(jì)算是關(guān)系到設(shè)計(jì)結(jié)果的最重要的一環(huán)，值得重視。限于篇幅，只以正截面受彎和斜截面受剪強(qiáng)度計(jì)算為例看計(jì)算上的差別。

　　4.1 正截面受彎強(qiáng)度計(jì)算

　　兩規(guī)范在計(jì)算假定上就有差別。混凝土極限壓應(yīng)變?nèi)≈?，TJT023-85中為εu=0.003?GBJ10-89中εu=0.0033.在等效矩形應(yīng)力圖形中，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，兩規(guī)范中混凝土界限受壓區(qū)高度有些差別。從混凝土極限壓應(yīng)變、等效矩形應(yīng)力圖形的差別上可以看出，兩規(guī)范中安全儲(chǔ)備是不同的。TJT023-85的安全儲(chǔ)備大。

　　下面用算例來說明這一問題。

　　有矩形截面梁，截面尺寸為250mm×500mm?20號(hào)混凝土，Ⅱ級(jí)鋼筋。計(jì)算截面處計(jì)算彎矩為Mj=15KN.m?試進(jìn)行配筋計(jì)算。

　　4.1.1先按TJT023-85計(jì)算。

　　已知20號(hào)混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Ra=11Mpa?II級(jí)鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Rg=340Mpa?混凝土相對(duì)界限受壓區(qū)高度ξjg=0.55，材料安全系數(shù)γc=γs=1.25.

　　(1)求混凝土受壓區(qū)高度x

　　先假定鋼筋按一排布置，鋼筋重心到混凝土受拉邊緣的距離a=40mm，則有效高度h0=(500-40)mm=460mm由

　　得

　　解得X=133mm<ξjgh0=0.55×460=253mm.

　　(2)求所需鋼筋數(shù)量Ag，由RgAg=Ra?bx，得

　　Ag= = =1076mm2

　　(3)驗(yàn)算最小配筋率μ= = =1%>μmin=

　　0.1%，滿足規(guī)范要求。

　　4.1.2按GBJ10-89計(jì)算

　　C20混凝土，彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcm=11Mpa，鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=310Mpa?混凝土相對(duì)界限受壓區(qū)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滿足要求

　　(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號(hào)混凝土與C20混凝土之間強(qiáng)度取值的差別，20號(hào)混凝土按GBJ10-89，fcm=11×0.95=10.45MPa?則x=(1-1- )×460=108.5mm， As=(10.45x250x108.5)/310=914.4mm2

　　從上述計(jì)算中看出，按TJT023-85比按GBJ10-89鋼筋用量多17.7%。

　　4.1.3 受彎構(gòu)件斜截面強(qiáng)度計(jì)算

　　在斜截面強(qiáng)度計(jì)算中，兩規(guī)范都是根據(jù)斜截面發(fā)生剪壓破壞時(shí)的受力特征和試驗(yàn)資料所制定的。但兩規(guī)范在計(jì)算公式表述上及計(jì)算結(jié)果上都有較大的差別。

　　TJT023-85中，斜截面強(qiáng)度計(jì)算公式為：Qj≤Qu=Qhk+QW，其中Qhk=0.0349bh0(2+p) R μkRgk，Qw=0.06RgwΣAwsinα，式中Qj：根據(jù)荷載組合得出的通過斜截面頂端正截面內(nèi)的最大剪力，即計(jì)算剪力，單位為KN;Qhk：混凝土和箍筋的綜合抗剪承載力(KN);Qw：彎起鋼筋承受的剪力(KN);b：通過斜截面受壓區(qū)頂端截面上的腹板厚度(cm);h0：通過斜截面受壓區(qū)頂端截面上的有效高度，自縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至受壓邊緣的距離(cm);μk：箍筋配筋率?μk=nk?ak/(b?s);Rgk：箍筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度(Mpa)，設(shè)計(jì)時(shí)不得采用大于340Mpa：R：混凝土標(biāo)號(hào)(Mpa);p斜截面內(nèi)縱向受拉主筋的配筋率，p=100μ，μ=Ag/bh0?當(dāng)p>3.5時(shí)，取p=3.5;Rgw：彎起鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度(Mpa);Aw在一個(gè)彎起鋼筋平面內(nèi)的彎起鋼筋縱截面面積(cm2);α：彎起鋼筋與構(gòu)件縱向軸線的夾角。

　　上式中工作條件系數(shù)、安全系數(shù)均已記入。公式的適用條件采用上限值和下限值來保證。上限值要求截面最小尺寸滿足Qj≤0.051Rh0(KN)。滿足下限值，Qj≤0.038R1bh0(KN)?可按構(gòu)造要求配置箍筋，式中?R1：混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度(Mpa)。GBJ10-89中，斜截面承載力的計(jì)算公式為V≤Vu=Vcs+Vsb?其中Vcs=0.07fcbh0+1.5fyv(Asv/ S)h0 ? Vsb=0.8fyAsbsinαs ?當(dāng)為承受集中荷載的矩形獨(dú)立梁，Vcs=0.2/(λ+1.5)fcbh0+1.25fyvh0，式中V：構(gòu)件截面上的最大剪力設(shè)計(jì)值(N);Vcs：混凝土與箍筋的綜合抗剪承載力(N);Vsb：彎起鋼筋所承受的剪力(N);b：矩形截面的寬度，T形截面或I形截面的腹板寬度(mm);h0：通過斜截面受壓區(qū)頂端截面上的有效高度，自縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至受壓邊緣的距離(mm);fc：混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(Mpa);fyv：箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(Mpa);S：沿構(gòu)件長度箍筋間距(mm);fy：彎起鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(Mpa);Asb：在一個(gè)彎起鋼筋平面內(nèi)的彎起鋼筋縱截面面積(mm2);αs：彎起鋼筋與構(gòu)件縱向軸線的夾角。

　　公式的適用條件也是采用上限值和下限值來保證。上限值要求截面最小尺寸滿足V≤0.25fcbh0 當(dāng)為薄腹梁，V≤0.2fcbh0 .滿足下限值V=0.07 fbh0，可按構(gòu)造要求配置箍筋。從上述公式中，可以看出，公式的表達(dá)形式不同，各物理量的單位也不同。

　　下面以實(shí)際例子看看計(jì)算結(jié)果上的差別。

　　已知T形截面簡支梁，25號(hào)混凝土，縱筋采用II級(jí)鋼筋，箍筋采用I級(jí)鋼筋，計(jì)算截面的計(jì)算剪力為416.27KN?受拉區(qū)有2Φ32的縱筋，保護(hù)層厚30mm.進(jìn)行腹筋設(shè)計(jì)。

　　下表是根據(jù)兩規(guī)范進(jìn)行的計(jì)算比較。

　　TJT023-85中，對(duì)斜截面抗剪計(jì)算，要求彎起鋼筋承擔(dān)40%的計(jì)算剪力，混凝土與箍筋共同承擔(dān)60%的計(jì)算剪力。另根據(jù)規(guī)范對(duì)計(jì)算剪力的定義，TJT023-85中的計(jì)算剪力與GBJ10-89中的設(shè)計(jì)剪力是一致的。所以在GBJ10-89計(jì)算中，也按4：6比例分擔(dān)剪力。

　　從上表中，明顯看出，TJT023-85比GBJ10-89在斜截面承載力計(jì)算中，安全儲(chǔ)備大得多。這與橋涵結(jié)構(gòu)跟建筑結(jié)構(gòu)所處環(huán)境，所受荷載不同有關(guān)系。

　　目前，兩專業(yè)在混凝土規(guī)范上沒有統(tǒng)一，設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)注意，不能隨意互換。另外，兩規(guī)范在構(gòu)造上也有差別，需注意。

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