許衛(wèi)群 楊紫健

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300; 2.中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310007)

0 引言

隨著全球化進程的不斷推進，我國各類工程設(shè)計進入國際市場的份額日漸增多，各類工程涉外設(shè)計項目也越來越多，一些國家和地區(qū)紛紛提出須采用歐美規(guī)范進行設(shè)計，因此盡快掌握并正確運用歐美等國際規(guī)范進行設(shè)計已是當(dāng)前迫切之需。作為國際上的一種通用規(guī)范，美國設(shè)計規(guī)范經(jīng)常成為涉外工程設(shè)計或標書中的要求，如何運用美國規(guī)范，如何深層次理解美國規(guī)范，中美規(guī)范存在哪些差別以及造成這些差別的原因是什么，這些都是我國工程設(shè)計人員普遍關(guān)心而又迫切需要解決的問題。由于國情不同，在各類工程設(shè)計領(lǐng)域中美兩國所遵循的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系和設(shè)計規(guī)則存在較大的差異，這為我國設(shè)計人員開展涉外項目設(shè)計，同國外設(shè)計審查單位的交流等設(shè)置了障礙。為了促使我國的工程設(shè)計項目能順利通過國外評審，加強在工程設(shè)計領(lǐng)域國際交流和合作，作出高水平、高質(zhì)量的設(shè)計作品，提高我國在工程設(shè)計領(lǐng)域的國際競爭力。這些都迫切需要我們理解并能熟練掌握美國的相關(guān)規(guī)范。如何順應(yīng)美國規(guī)范要求，給出各工程結(jié)構(gòu)中經(jīng)濟合理配筋方案，完成各種建筑結(jié)構(gòu)的靜動穩(wěn)定性計算，都要以混凝土的各力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)。本研究以中美規(guī)范為基礎(chǔ)，確定混凝土動靜參數(shù)的方法，并以C20為例計算出混凝土的各參數(shù)。

1 混凝土動態(tài)力學(xué)參數(shù)與靜態(tài)力學(xué)參數(shù)的關(guān)系

在混凝土大壩等水工結(jié)構(gòu)地震設(shè)計和計算中，混凝土重要的性能有容重(或密度)、彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度。大體積混凝土在高速率荷載作用下的性能較靜載時要高。因此在大壩隨地震來回搖擺時，其地震分析中的混凝土性能應(yīng)反映高變形率和循環(huán)荷載的影響?？偟膩碚f，大壩抗震性能由混凝土的抗拉強度和拉裂紋擴展控制。

最常用的估計混凝土抗拉強度的方法是ASTM 496劈裂拉伸試驗，該試驗樣本為圓柱體。關(guān)于常規(guī)混凝土和RCC混凝土的劈裂拉伸強度和單軸拉伸強度關(guān)系，可參考文獻EM 1110-2-2200。

依據(jù)EM 1110-2-6053規(guī)范［1］，彈性參數(shù)和強度參數(shù)是應(yīng)變率相關(guān)的，當(dāng)缺少測試數(shù)據(jù)時，靜動力學(xué)參數(shù)關(guān)系如下:

1)動態(tài)模量可取為其靜態(tài)模量的1.15倍;

2)動態(tài)泊松比可取為其靜態(tài)泊松比的0.70倍;

3)動態(tài)抗壓強度可取為其靜態(tài)抗壓強度1.15倍;

4)動態(tài)抗拉強度可取為其靜態(tài)抗拉強度1.50倍;

5)動態(tài)抗剪強度可取為其靜態(tài)抗剪強度的1.10倍。

2 中美兩國規(guī)范混凝土強度指標的對應(yīng)關(guān)系

美國規(guī)范采用圓柱體抗壓強度作為強度等級，而我國規(guī)范采用立方體抗壓強度作為強度等級。文獻［2］以我國規(guī)范的混凝土強度等級為基準，給出了中美兩國規(guī)范強度指標的對應(yīng)關(guān)系［2］，見表1。

表1 中、美兩國規(guī)范的混凝土強度指標 N/mm2

3 混凝土靜動參數(shù)的確定

3.1 混凝土的抗壓強度

SL/T 191-1996中國水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［3］規(guī)定，C20混凝土靜態(tài)軸心抗壓強度為9.6 MPa。由于中國規(guī)范測定其強度的樣本為立方體，而美國測定時使用圓柱體樣本，因此，兩者存在一定的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。于是，美國規(guī)范中C20混凝土的靜態(tài)抗壓強度為16.7 MPa。根據(jù)EM 1110-2-6053規(guī)范的5-1款規(guī)定，其動態(tài)抗壓強度可取為 16.7 ×1.15=19.21 MPa。

根據(jù) ACI318M-05規(guī)范［4］的5.1.1款規(guī)定，建筑工程中所用混凝土抗壓強度不得低于17 MPa，因此，C20混凝土的靜態(tài)抗壓強度為17 MPa。根據(jù)EM 1110-2-6053規(guī)范的5-1款規(guī)定，動態(tài)抗壓強度可取為17×1.15=19.55 MPa，但根據(jù) ACI 318M-05規(guī)范的21.2.4款規(guī)定，抗震構(gòu)件中的混凝土抗壓強度不得低于21 MPa，因此，在建筑工程的地震計算中，C20混凝土的動態(tài)抗壓強度取值21 MPa。

以中美兩國規(guī)范的混凝土強度指標對應(yīng)關(guān)系為主時，C20混凝土的靜態(tài)抗壓強度取為16.7 MPa，動態(tài)抗壓強度取為16.7×1.15=19.21 MPa。

3.2 混凝土抗拉強度

混凝土彎曲部分的抗拉強度(破裂模量)較抗壓強度更具有不定性，大概是抗壓強度的10%～15%。

SL/T 191-1996中國水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，C20混凝土軸心抗壓強度取9.6 MPa，軸心抗拉強度取1.10 MPa。

根據(jù)ACI 318M-05規(guī)范的5.1.1款規(guī)定，結(jié)合中美兩國規(guī)范的混凝土強度指標的對應(yīng)關(guān)系知，C20混凝土的靜態(tài)抗壓強度為17 MPa。然后再根據(jù)ACI 318M-05規(guī)范的 R10.2.5款規(guī)定，C20混凝土的靜態(tài)抗拉強度為17×10%=1.7 MPa，于是根據(jù)EM 1110-2-6053規(guī)范的5-1款規(guī)定，動態(tài)抗拉強度取為:1.7×1.5=2.55 MPa。

根據(jù)中美兩國規(guī)范的混凝土強度指標的對應(yīng)關(guān)系知，中國規(guī)范中C20混凝土軸心抗壓強度取9.6 MPa，而美國規(guī)范為16.7 MPa，根據(jù)這一對應(yīng)關(guān)系，C20混凝土軸心抗拉強度為:

由EM 1110-2-6053規(guī)范的5-1款規(guī)定，動態(tài)抗拉強度可取為1.91×1.5=2.87 MPa。當(dāng)以中美兩國規(guī)范的混凝土強度指標的對應(yīng)關(guān)系為主時，C20混凝土的動態(tài)抗拉強度取為2.87 MPa。

3.3 混凝土的密度

SL/T 191-1996中國水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，C20混凝土的重力密度(重度)取24 kN/m3，而ACI318M-05規(guī)范沒有該混凝土的密度，這里C20混凝土的重力密度(重度)還取24 kN/m3。

3.4 混凝土的彈性模量

依據(jù)EM 1110-2-6053規(guī)范確定混凝土的彈性模量為:

其中，WC為混凝土密度，其值在1 440 kg/m3～2 480 kg/m3之間，所以混凝土彈性模量也可以取為:

本規(guī)范第8.5.1條中的彈性模量被定義為線彈性的，其EC的值在 0 ～0.45fc′之間。

按SL/T 191-1996中國水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，C20混凝土的靜態(tài)彈性模量為25.5 GPa，則動態(tài)彈性模量為25.5×1.15=29.325 GPa。

按ACI318M-05規(guī)范的5.1.1款規(guī)定，C20混凝土的靜態(tài)抗壓強度至少為17 MPa，密度按SL/T 191-1996中國水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范取值為2 400 kg/m3，因此根據(jù)式(1)得混凝土靜態(tài)彈性模量:

根據(jù)EM 1110-2-6053規(guī)范的5-1款規(guī)定，C20混凝土的動態(tài)彈性模量為20.85 ×1.15=23.98 MPa。

按中美兩國規(guī)范的混凝土強度指標的對應(yīng)關(guān)系［3］知，C20混凝土軸心抗壓強度為16.7 MPa，密度仍按SL/T 191-1996中國水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范取值為2 400 kg/m3，因此根據(jù)式(1)得混凝土靜態(tài)彈性模量:

根據(jù)EM 1110-2-6053規(guī)范的5-1款規(guī)定，C20混凝土的動態(tài)彈性模量為20.66 ×1.15=23.76 MPa。

當(dāng)以中美兩國規(guī)范的混凝土強度指標的對應(yīng)關(guān)系為主時，C20混凝土的動態(tài)彈性模量取為23.76 MPa。

3.5 混凝土的泊松比

SL/T 191-1996中國水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定C20混凝土的泊松比取0.167，而ACI318M-05規(guī)范沒有提及泊松比，因此，這里C20混凝土的靜態(tài)泊松比還取0.167，根據(jù)EM 1110-2-6053規(guī)范的5-1款規(guī)定，C20混凝土的動態(tài)泊松比取0.167×0.7=0.117。

4 結(jié)語

表2 C20混凝土的靜動力學(xué)參數(shù)

以中、美規(guī)范和中美規(guī)范對應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ)，確定了中美規(guī)范中混凝土的一些指標和參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時研究出確定混凝土靜、動力學(xué)參數(shù)的方法。并以C20混凝土為例，確定混凝土的各物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)(見表2)。有利于加強我國工程設(shè)計領(lǐng)域的國際交流與合作，提高國際競爭力，同時為各工程的靜動力穩(wěn)定性計算以及配筋計算等提供理論基礎(chǔ)。

［1］EM 1110-2-6053-2007，Engineering and Design-Earthquake Design and Evaluation of Concrete Hydraulic Structures［S］.

［2］宋世研，葉列平.中美混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范構(gòu)件正截面受彎承載力的分析比較［J］.建筑科學(xué)，2007，2(7):28-33.

［3］SL/T 191-1996，中國水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ACI318M-05-2005，Building Code Requirements for Structural Concrete And Commentary［S］.

［5］中國建筑科學(xué)研究院.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.