李淵

（1.山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

中美規(guī)范混凝土及鋼筋主要力學(xué)性能的對(duì)比

李淵

（1.山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

隨著全球一體化進(jìn)程的深入以及美國(guó)規(guī)范的影響力，美國(guó)規(guī)范成為許多國(guó)外水利工程項(xiàng)目的選擇。材料的物理力學(xué)性能決定著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能，材料的合理選擇是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要基礎(chǔ)和前提。本文著重研究中美規(guī)范關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用材料（混凝土、鋼筋）主要力學(xué)性能的規(guī)定，并對(duì)中美規(guī)范的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了對(duì)比，為我們今后的國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

抗壓強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

隨著全球一體化進(jìn)程的深入，中國(guó)與國(guó)際接軌的步伐越來越快，中國(guó)水利工程行業(yè)涉外項(xiàng)目越來越多，進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的份額也越來越大。由于美國(guó)規(guī)范在全球的影響力，許多國(guó)外項(xiàng)目都選擇采用美國(guó)規(guī)范作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，非常有必要對(duì)美國(guó)規(guī)范進(jìn)行詳盡的學(xué)習(xí)和研究。

材料是構(gòu)成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最基本元素，材料的主要力學(xué)性能決定著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能，進(jìn)而決定結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。材料的合理選擇是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要基礎(chǔ)和前提。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)常用材料的主要力學(xué)性能進(jìn)行研究具有非常重要的意義。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)常用形式，其材料為混凝土和鋼筋。不同國(guó)家混凝土及鋼筋材料的組成基本相同，然而其材料力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)方法又各不相同。本文著重研究中美規(guī)范關(guān)于混凝土及鋼筋主要力學(xué)性能的規(guī)定，并對(duì)中美規(guī)范的相關(guān)力學(xué)性能規(guī)定進(jìn)行了對(duì)比，為我們今后的國(guó)內(nèi)外水利工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 混凝土

1.1 抗壓強(qiáng)度

1.1.1 中國(guó)規(guī)范

中國(guó)規(guī)范GB50010-2010規(guī)定，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fcu,k）系指按標(biāo)準(zhǔn)方法制作、養(yǎng)護(hù)的邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件，在28d或設(shè)計(jì)規(guī)定齡期以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度值。強(qiáng)度等級(jí)C40表示：按標(biāo)準(zhǔn)方法制作、養(yǎng)護(hù)、試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度值為40MPa。

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算是按混凝土強(qiáng)度總體分布的平均值減去1.645倍標(biāo)準(zhǔn)差的原則確定：

式中：fcm——立方體試件抗壓強(qiáng)度平均值；

δfcu——立方體抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)，一定組數(shù)的混凝土強(qiáng)度計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差（樣本標(biāo)準(zhǔn)差）除以該批混凝土強(qiáng)度的平均值再乘以100%。不同強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)見表1。

表1 中國(guó)規(guī)范混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和變異系數(shù)

根據(jù)中國(guó)規(guī)范（GB50010-2010）條文說明，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fck）與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fcu,k）計(jì)算關(guān)系如下：

式中：αc1——棱柱強(qiáng)度與立方強(qiáng)度的比值：C50及以下混凝土取0.76，對(duì)C80取0.82，中間線性插值；

αc2——脆性折減系數(shù)：C40取1.0，C80取0.87，中間線性插值，C40以下不考慮。

1.1.2 美國(guó)規(guī)范

美國(guó)規(guī)范采用圓柱體強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)的主要力學(xué)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)中采用的規(guī)定強(qiáng)度（f'c）指的是采用直徑150mm，高度為300mm的圓柱體試件養(yǎng)護(hù)28d測(cè)得的具有91%保證率的抗壓強(qiáng)度。在概念上與中國(guó)規(guī)范的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值相近。

表2 軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fck）與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fcu，k）

試驗(yàn)表明，圓柱體強(qiáng)度是立方體抗壓強(qiáng)度的0.8倍，考慮到中美規(guī)范混凝土強(qiáng)度保證率的影響，由此確定出中國(guó)規(guī)范的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fcu,k）與美國(guó)規(guī)范的混凝土強(qiáng)度（f'c）關(guān)系：

取δfcu=0.12，則：

美國(guó)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)及其與中國(guó)規(guī)范混凝土強(qiáng)度的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 中美規(guī)范混凝土強(qiáng)度換算

美國(guó)混凝土強(qiáng)度等級(jí)分為：3000psi（20.7MPa）、4000psi（27.6MPa）、5000psi（34.5MPa）、6000psi（41.4MPa）等。

1.2 抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

1.2.1 中國(guó)規(guī)范

混凝土抗拉強(qiáng)度用來反映混凝土的抗裂性能。中國(guó)規(guī)范用軸心抗拉強(qiáng)度反映混凝土的抗拉強(qiáng)度，作為混凝土設(shè)計(jì)的力學(xué)指標(biāo)。試驗(yàn)中采用100mm×100 mm×550mm的棱柱體試件測(cè)定混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

抗折強(qiáng)度是混凝土在彎折作用下的強(qiáng)度指標(biāo)，主要用于鋼筋混凝土構(gòu)件的抗裂驗(yàn)算。中國(guó)規(guī)范采用150mm×150mm×600mm的小梁試件測(cè)定抗折強(qiáng)度。

1.2.2 美國(guó)規(guī)范

美國(guó)采用抗折強(qiáng)度而不直接采用抗拉強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行混凝土受拉計(jì)算?？拐蹚?qiáng)度也稱斷裂模量，試驗(yàn)中采用圓柱體試件測(cè)定混凝土的斷裂模量。

2 鋼筋

2.1 鋼筋牌號(hào)和規(guī)格

2.1.1 中國(guó)規(guī)范

中國(guó)規(guī)范（GB50010-2010）提及的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常用鋼筋有三種：熱軋光圓鋼筋、熱軋帶肋鋼筋和熱軋余熱處理鋼筋。每種鋼筋考慮強(qiáng)度等級(jí)（屈服強(qiáng)度特征值）、生產(chǎn)控制狀態(tài)或可焊性等因素把鋼筋分為以下十幾種牌號(hào)。

表5 中國(guó)規(guī)范混凝土結(jié)構(gòu)采用的鋼筋牌號(hào)分類

中國(guó)規(guī)范GB50010-2010列出了HPB300、HRB335、HRB400、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500、RRB400共8種牌號(hào)供混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行鋼筋選擇。其中，HPB300的直徑為6～22mm，其他牌號(hào)的直徑為6～50mm。

2.1.2 美國(guó)規(guī)范

美國(guó)規(guī)范ASTMA615/A615M-2013根據(jù)屈服強(qiáng)度對(duì)變形和光圓碳素鋼筋做了分類，共有四種級(jí)別：40級(jí)（280MPa）、60級(jí)（420MPa）、75級(jí)（520MPa）和80級(jí)（550MPa）。ASTMA706/A706M-06a根據(jù)屈服強(qiáng)度對(duì)低合金變形和光圓鋼筋作了規(guī)定，只有60級(jí)（420MPa）一種級(jí)別。

美國(guó)規(guī)范中，鋼筋的規(guī)格用鋼筋號(hào)而不是直徑來表示，一個(gè)鋼筋號(hào)約為1/8英寸（3.175mm）。共有3、4、5、6、7、8、9、10、11、14、18共11種規(guī)格。

2.2 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

2.2.1 中國(guó)規(guī)范

對(duì)于具有明顯流幅的鋼筋，中國(guó)規(guī)范將屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度定義為鋼筋的屈服強(qiáng)度（fy），應(yīng)力—應(yīng)變曲線上對(duì)應(yīng)于最大強(qiáng)度的點(diǎn)為極限抗拉強(qiáng)度。對(duì)于沒有明顯流幅的鋼筋，取應(yīng)力—應(yīng)變曲線上殘余應(yīng)變的0.2%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力，稱為條件屈服強(qiáng)度，曲線上對(duì)應(yīng)于最大強(qiáng)度的點(diǎn)為極限抗拉強(qiáng)度。一般來說，條件屈服強(qiáng)度約為極限抗拉強(qiáng)度的85%。

2.2.2 美國(guó)規(guī)范

美國(guó)規(guī)范ASTMA615/A615M-2013和ASTM A706/A706M-06a規(guī)定，當(dāng)有明顯的屈服點(diǎn)時(shí)，變形和光圓鋼筋的屈服強(qiáng)度按屈服應(yīng)力確定；當(dāng)沒有明顯屈服點(diǎn)時(shí)，采用應(yīng)力—應(yīng)變曲線上對(duì)應(yīng)于0.35%應(yīng)變的點(diǎn)為最小屈服強(qiáng)度。

3 結(jié)論

第一，混凝土抗壓強(qiáng)度。中國(guó)規(guī)范規(guī)定混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定，而設(shè)計(jì)的力學(xué)指標(biāo)則采用棱柱體試件確定的軸心抗壓強(qiáng)度；美國(guó)規(guī)范采用圓柱體試件確定的抗壓強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)的主要力學(xué)性能指標(biāo)。

第二，混凝土抗拉強(qiáng)度。中國(guó)規(guī)范采用棱柱體試件確定的混凝土抗拉強(qiáng)度作為混凝土設(shè)計(jì)的力學(xué)性能指標(biāo)；美國(guó)規(guī)范則采用抗折強(qiáng)度進(jìn)行混凝土受拉計(jì)算。

第三，鋼筋牌號(hào)和規(guī)格。中國(guó)規(guī)范按產(chǎn)品名稱+屈服強(qiáng)度特征值確定鋼筋牌號(hào)，規(guī)格上采用鋼筋直徑表示；美國(guó)規(guī)范鋼筋牌號(hào)以鋼筋屈服強(qiáng)度確定，規(guī)格上使用鋼筋號(hào)表示。

第四，鋼筋屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度：對(duì)于具有明顯流幅的鋼筋，中國(guó)規(guī)范將屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的的強(qiáng)度定義為鋼筋的屈服強(qiáng)度（fy），應(yīng)力—應(yīng)變曲線上對(duì)應(yīng)于最大強(qiáng)度的點(diǎn)為極限抗拉強(qiáng)度。對(duì)于沒有明顯流幅的鋼筋，取應(yīng)力—應(yīng)變曲線上殘余應(yīng)變的0.2%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力，稱為條件屈服強(qiáng)度，曲線上對(duì)應(yīng)于最大強(qiáng)度的點(diǎn)為極限抗拉強(qiáng)度；美國(guó)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)有明顯的屈服點(diǎn)時(shí)，鋼筋的屈服強(qiáng)度按屈服應(yīng)力確定；當(dāng)沒有明顯屈服點(diǎn)時(shí)，采用應(yīng)力—應(yīng)變曲線上對(duì)應(yīng)于0.35%應(yīng)變的點(diǎn)為最小屈服強(qiáng)度。

TU375

C

1004-7042（2017）08-0023-03

李淵（1981-），男，2002年畢業(yè)于太原理工大學(xué)建筑工程專業(yè)，工程師。

2017-06-20；

2017-07-28