□張曉燕 □李鳳蘭(華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院)
□劉許超 □王美齋(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司)
“2008版”《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》受彎構(gòu)件配筋量的差異分析
□張曉燕 □李鳳蘭(華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院)
□劉許超 □王美齋(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司)
《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL/T191-2008)重新修訂,采用不同的設(shè)計理論,依據(jù)“2008規(guī)范”進行受彎構(gòu)件設(shè)計時,新規(guī)范計算的配筋量均大于舊規(guī)范計算的配筋量。針對這種差異,對新舊版規(guī)范進行對比,分析影響配筋量變化的主要原因,給出新舊規(guī)范配筋量變化的幅度及范圍。
規(guī)范;配筋量;幅度
《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL/T 191-96)(以下簡稱“96規(guī)范”)頒布十余年來,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)科有了很多新的科學(xué)研究成果和工程實踐,為了吸收新的成果,總結(jié)工程經(jīng)驗,反映科技的進步,重新修訂編制而成《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL/T191-2008)(以下簡稱“2008規(guī)范”)。
“96規(guī)范”和“2008規(guī)范”采用不同的設(shè)計理論,導(dǎo)致應(yīng)用規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,“2008規(guī)范”計算的配筋量都要大于“96規(guī)范”。配筋量增加的原因是新舊版規(guī)范荷載效應(yīng)的變化、材料強度取值的變化、設(shè)計安全度表達式的變化以及分項系數(shù)取值的變化等因素引起的。本文重點討論新舊版規(guī)范受彎構(gòu)件縱筋配筋量的影響因素,并給出新舊版規(guī)范配筋量變化的幅度及范圍。
(一)安全系數(shù)的變化?!?6規(guī)范”采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法,以可靠指標(biāo)β度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度,并采用分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行設(shè)計。“2008規(guī)范”則在規(guī)定的材料強度和荷載取值條件下,采用多系數(shù)分析基礎(chǔ)上以安全系數(shù)K表達的方式進行設(shè)計。
水工建筑物對結(jié)構(gòu)安全級別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級,不同的安全級別,所要求的目標(biāo)可靠指標(biāo)也不同,為反映這些要求,要在計算出的荷載效應(yīng)上乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)?!?008規(guī)范”和“96規(guī)范”相比較,對于結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅲ級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,做了調(diào)整,主要因為GB50010-2002中Ⅲ級結(jié)構(gòu)指使用年限<5年的臨時性房屋,而水工規(guī)范Ⅲ級結(jié)構(gòu)并不是臨時性建筑物,根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252-2000指的是裝機容量50MW以下的水電站廠房、0.1億m3庫容水庫等的4、5級永久建筑物,因此“2008規(guī)范”把Ⅲ級結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)由原來的0.9提高到0.95。
水工建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況分為持久狀況、短暫狀況、偶然狀況,相應(yīng)有三個設(shè)計狀況系數(shù)?!?008規(guī)范”將施工階段的短暫設(shè)計狀況系數(shù)ψ值提高,與持久設(shè)計狀況相同,取ψ=1.0。偶然狀況則仍然取ψ=0.85。
結(jié)構(gòu)系數(shù)與“96規(guī)范”相同。
將這些分項系數(shù)具體數(shù)值代入,就得到安全系數(shù)的計算值。將安全系數(shù)計算值取整,并考慮該值不能<1.0,就得到“2008規(guī)范”規(guī)定的承載力安全系數(shù)K?!?008規(guī)范”與“96規(guī)范”相比較,Ⅲ級相較Ⅰ、Ⅱ安全級別的結(jié)構(gòu)變化最大;基本組合的短暫設(shè)計狀況和偶然組合的安全系數(shù)變化比較大些,而基本組合的持久狀況變化較小一些。
(二)荷載效應(yīng)計算的對比。“96規(guī)范”對每一種荷載都給出了不同的分項系數(shù),而且有些主要的可變荷載(如靜水壓力)的分項系數(shù)定義為1.0,使得荷載計算比較繁瑣。“2008規(guī)范”規(guī)定荷載效應(yīng)組合設(shè)計值S計算如表1所示。
表1 “96規(guī)范”與“2008規(guī)范”的承載能力計算表達式表
(三)材料強度設(shè)計值的對比
在“2008規(guī)范”中,計算結(jié)構(gòu)抗力時采用的材料強度設(shè)計值有所調(diào)整?;炷恋目箟汉涂估瓘姸仍O(shè)計值都有些降低,HRB335鋼筋的強度從310N/mm2調(diào)整到300N/mm2,調(diào)整后的數(shù)值都與房建規(guī)范中混凝土和鋼筋強度設(shè)計值的數(shù)值相等。
對于鋼筋混凝土構(gòu)件正截面承載力計算,“2008規(guī)范”基本假定沿用了“96規(guī)范”,基本計算公式相同,適用條件有些改變?!?6規(guī)范”采用ξ≤ξb防止超筋破壞,而“2008規(guī)范”采用公式ξ≤α1ξb。
(一)“96規(guī)范”ξ≤ξb受彎混凝土構(gòu)件梁的最小配筋率,當(dāng)采用I級鋼筋時為0.20%,Ⅱ級和Ⅲ級為0.15%。采用“2008規(guī)范”受彎構(gòu)件梁最小配筋率比“96規(guī)范”都有所提高,采用HPB235級為0.25%,采用HRB335、HRB400級為0.20%。在工程中按照計算公式計算的梁板配筋都要超過最小配筋率,所以最小配筋率對受彎構(gòu)件的配筋量的影響較小。
(二)“96規(guī)范”采用ξ≤ξb,作為適筋破壞的控制條件,實質(zhì)上是允許混凝土受壓區(qū)計算高度x達到ξbh0這一臨界值,此時受彎構(gòu)件將發(fā)生界限破壞,實際上已是一種無預(yù)警的脆性破壞,延性差,相應(yīng)的安全度就顯得不足了?!?008規(guī)范”將ξ≤ξb改為ξ≤α1ξb,是為了更有效地防止發(fā)生超筋破壞,保證結(jié)構(gòu)的延性。這就致使“2008規(guī)范”最大配筋率比“96規(guī)范”有所降低,對于受彎構(gòu)件梁的最大配筋率,“96規(guī)范”采用I級鋼筋為3.65%,而“2008規(guī)范”采用HPB235為2.96%;“96規(guī)范”采用二級鋼筋為2.19%,而“2008規(guī)范”采用HRB335為1.85%;“96規(guī)范”采用三級鋼筋為1.80%,而“2008規(guī)范”采用HRB400為1.46%。最大配筋率平均降低了17.7%,這一點在工程實際應(yīng)用中應(yīng)引起足夠重視。
同時,“2008規(guī)范”將ξ≤ξb改為ξ≤α1ξb,使得相同截面尺寸相同材料的梁采用“2008規(guī)范”計算的極限承載力為Mu=αfcbh02,要比采用“96規(guī)范”計算的受彎承載力低,因此,要獲得與“96規(guī)范”相同的承載力,需要增大構(gòu)件的截面尺寸或提高材料強度。
(三)以M/bh02為縱坐標(biāo),100As/bh0為橫坐標(biāo)按照“2008規(guī)范”HPB235、HRB335、HRB400級鋼筋及“96規(guī)范”I級鋼、II級鋼、III級鋼計算,繪出C25混凝土配筋曲線圖,詳見圖1。
圖1 C25混凝土受彎構(gòu)件配筋曲線圖
從圖1可以看出相同截面尺寸相同荷載條件下,采用等級別鋼筋按“2008規(guī)范”計算的配筋率要大于“96規(guī)范”計算的配筋率。而且隨著M/bh02的增大,配筋率的增加幅度增大。由于最大配筋率的降低,當(dāng)配筋率較大時,采用“96規(guī)范”配置單筋即可,而采用“2008規(guī)范”則需要配置雙筋。
(四)為了更確切地反映混凝土強度、鋼筋強度對配筋量的影響,分別計算在相同尺寸、荷載效應(yīng)的條件下,采用HRB335級鋼筋不同混凝土強度等級受彎構(gòu)件按“2008規(guī)范”配筋率的變化和在相同混凝土強度等級下,同級別鋼筋新舊規(guī)范配筋量的比較,詳見表2、表3。
表2 H RB335級鋼筋“2008規(guī)范”計算不同混凝土強度受彎構(gòu)件配筋率(%)
由表2可以看出,相同截面、荷載條件下,提高混凝土強度等級,混凝土構(gòu)件的配筋率會減少。在配筋率相對較高的情況下,提高混凝土強度,配筋率減少較多;相反,配筋率較低時提高混凝土強度,配筋率降低的很少。而且,混凝土強度等級越高,減少量越低。配筋率平均減少量為3.4%,說明提高混凝土強度對受彎構(gòu)件正截面承載力的影響效果不明顯。
表3 新舊規(guī)范計算同級別鋼筋受彎構(gòu)件配筋率(%)表
由表3可以看出兩版規(guī)范采用相同級別鋼筋計算,“2008規(guī)范”得出的配筋率較“96規(guī)范”都有增加,采用HPB235級時總的平均增量1.12%,采用HRB335時為4.23%,采用HRB400時為0.87%。在截面尺寸、荷載相同的條件下,提高鋼筋級別可以大大地降低受彎構(gòu)件的配筋量,若選用鋼筋由HPB235級提高到HRB335級,配筋率減少30%,若選用鋼筋由HRB335提高到HRB400級,配筋率減少16.67%。
算例:某灌溉渠控制閘(5級水工建筑物)的閘門啟閉機的支撐梁,其中一根矩形梁截面尺寸b×h=200mm×400mm,采用C25混凝土和HRB335級鋼筋,承受荷載有梁自重gk=2.0kN/m、啟閉機和機墩重Gk=5.0kN,啟門力Qk=40.0kN,人群荷載qk=1.2kN/m,采用新舊規(guī)范計算這根梁跨中截面所需鋼筋截面面積,計算結(jié)果詳見表4。
表4 計算結(jié)果對比分析表
支撐梁,其中一根矩形梁截面尺寸b×h=200mm×400mm,采用C25混凝土和HRB335級鋼筋,承受荷載有梁自重gk=2.0kN/m、啟閉機和機墩重Gk=5.0kN,啟門力Qk=40.0kN,人群荷載qk=1.2kN/m,采用新舊規(guī)范計算這根梁跨中截面所需鋼筋截面面積,計算結(jié)果詳見表4。
該算例構(gòu)件是Ⅲ級安全級別,“96規(guī)范”計算需要鋼筋截面面積 575.4mm2,配筋率 0.81%,“2008規(guī)范”需要 645mm2,配筋率0.91%;鋼筋面積增加了12.1%,配筋率增加了12.3%。如果是二級安全級別,“96規(guī)范”計算需要鋼筋截面面積644.15mm2,配筋率0.9%,“2008規(guī)范”計算需要676mm2,配筋率0.95%;鋼筋面積增加了4.94%,配筋率增加了5%。如果是一級安全級別,“96規(guī)范”計算需要鋼筋截面面積727mm2,配筋率1.02%,“2008規(guī)范”計算需要777mm2,配筋率1.09%;鋼筋面積增加了6.88%,配筋率增加了6.86%。
由此可見,“2008規(guī)范”與“96規(guī)范”相比較,安全系數(shù)提高,使得荷載效應(yīng)設(shè)計值的數(shù)值變大,尤其是安全等級是III時,荷載效應(yīng)設(shè)計值提高最多,對配筋量的影響也最大。同時,混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值的數(shù)值有所降低,使結(jié)構(gòu)抗力有所降低,所需的鋼筋數(shù)量也要多。
一是“2008規(guī)范”最大配筋率比“96規(guī)范”有所降低,平均降低了17.7%。相同截面尺寸、材料的梁采用“2008規(guī)范”計算的極限承載力要比“96規(guī)范”計算的低,所以,要獲得與“96規(guī)范”相同的承載力,需要增大構(gòu)件的截面尺寸或提高材料強度。
二是相同截面尺寸、荷載條件下,采用相同級別鋼筋按“2008規(guī)范”計算的配筋率要大于“96規(guī)范”計算的配筋率。提高鋼筋級別可以大大地降低受彎構(gòu)件的配筋量,若選用鋼筋由HPB235級提高到HRB335級,配筋率減少30%,若選用鋼筋由HRB335提高到HRB400級,配筋率減少16.67%。提高混凝土強度等級,混凝土構(gòu)件的配筋率會減少,但減少量不多,配筋率平均減少量為3.4%。
三是“2008規(guī)范”與“96規(guī)范”相比較,安全系數(shù)的提高,這使得荷載效應(yīng)設(shè)計值的數(shù)值變大,尤其是安全等級是Ⅲ時,荷載效應(yīng)設(shè)計值提高最多,對配筋量的影響最大。同時,混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值的數(shù)值有所降低,使結(jié)構(gòu)抗力有所降低,所需的鋼筋數(shù)量也要多。
[1]趙展,富東兵.新舊規(guī)范計算鋼筋混凝土受彎構(gòu)件配筋的比較及選用.設(shè)計研究,2007.01.
張曉燕(1980-),女,山西孝義人,碩士,講師,主要從事混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)和科研工作。
2011-05-17