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

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　　簡介： 本文從規(guī)范的角度在設(shè)計方法、材料強度取值、計算公式、計算結(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)計上的差別。

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

　　前 言

　　1 在設(shè)計方法上的差別

　　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)計方法。以概率理論為基礎(chǔ)，較完整的統(tǒng)計資料為依據(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)來確定荷載分項系數(shù)與材料分項系數(shù)，使設(shè)計出來的不同結(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)計規(guī)范》TJT023－85中（以下簡稱TJT023－85），采用的是半概率半經(jīng)驗的極限狀態(tài)設(shè)計方法。雖然也采用概率理論及結(jié)構(gòu)可靠度理論，但在設(shè)計公式中是用三個經(jīng)驗系數(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)計中，對這種系數(shù)的差別要注意區(qū)別，不能混淆。

　　2 材料強度取值上的差別

　　2．1 混凝土的強度

　　混凝土立方體抗壓強度是混凝土的基本強度指標(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)試驗方法測得的強度指標(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度等級，一共分為十級，即C10，C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C60.

　　TJT023－85中，根據(jù)測得到具有84．13％保證率的立方體抗壓極限值來確定混凝土的強度等級，用混凝土標(biāo)號表示，一共分為七級，即15號、20號、25號、30號、40號、50號、60號。由于所采用的試塊尺寸不同，兩規(guī)范中相同數(shù)值等級的混凝土強度值是不同的，GBJ10－89的值大。如C15混凝土與15號混凝土，盡管都表示強度等級為15Mpa的混凝土，但實際強度C15混凝土比15號混凝土大?；炷翉姸热≈挡煌?，這一點在設(shè)計中是要注意的。

　　2．2 鋼筋的強度

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

　　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)組合中有一點差別，應(yīng)注意。GBJ10－89中，荷載效應(yīng)組合時，既有荷載分項系數(shù)，又有荷載組合系數(shù)，要區(qū)別開來。TJT023－85中只有荷載分項系數(shù)。

　　4 構(gòu)件計算的差別

　　兩規(guī)范中在構(gòu)件計算上，盡管依據(jù)的原理、計算假定、計算模型基本一致，但計算公式、計算結(jié)果是有較大差別的。構(gòu)件計算是關(guān)系到設(shè)計結(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度計算為例看計算上的差別。

　　4．1 正截面受彎強度計算

　　兩規(guī)范在計算假定上就有差別。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)范中安全儲備是不同的。TJT023－85的安全儲備大。

　　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號混凝土，Ⅱ級鋼筋。計算截面處計算彎矩為Mj＝15KN．m?試進(jìn)行配筋計算。

　　4．1．1先按TJT023－85計算。

　　已知20號混凝土抗壓強度設(shè)計值Ra＝11Mpa?II級鋼筋抗拉強度設(shè)計值Rg＝340Mpa?混凝土相對界限受壓區(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.

　?。?）求所需鋼筋數(shù)量Ag，由RgAg＝Ra·bx，得

　　Ag＝ ＝ ＝1076mm2

　?。?）驗算最小配筋率μ＝ ＝ ＝1％＞μmin＝

　　0．1％，滿足規(guī)范要求。

　　4．1．2按GBJ10－89計算

　　C20混凝土，彎曲抗壓強度設(shè)計值fcm＝11Mpa，鋼筋抗拉強度設(shè)計值fy＝310Mpa?混凝土相對界限受壓區(qū)高度ξb＝0．544

　?。?）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

　?。?）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號混凝土與C20混凝土之間強度取值的差別，20號混凝土按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)件斜截面強度計算

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

　　TJT023－85中，斜截面強度計算公式為：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)計強度（Mpa），設(shè)計時不得采用大于340Mpa：R：混凝土標(biāo)號（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，取p＝3．5；Rgw：彎起鋼筋的抗拉設(shè)計強度（Mpa）；Aw在一個彎起鋼筋平面內(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)計強度（Mpa）。GBJ10－89中，斜截面承載力的計算公式為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至受壓邊緣的距離（mm）；fc：混凝土的抗壓強度設(shè)計值（Mpa）；fyv：箍筋的抗拉強度設(shè)計值（Mpa）；S：沿構(gòu)件長度箍筋間距（mm）；fy：彎起鋼筋的抗拉強度設(shè)計值（Mpa）；Asb：在一個彎起鋼筋平面內(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。

　　下面以實際例子看看計算結(jié)果上的差別。

　　已知T形截面簡支梁，25號混凝土，縱筋采用II級鋼筋，箍筋采用I級鋼筋，計算截面的計算剪力為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。

　　下表是根據(jù)兩規(guī)范進(jìn)行的計算比較。

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

　　從上表中，明顯看出，TJT023－85比GBJ10－89在斜截面承載力計算中，安全儲備大得多。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)計和施工時應(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。