孫 麗，閆曉璐

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引 言

國際化的設(shè)計工程師要求設(shè)計者不僅熟悉行業(yè)的國內(nèi)規(guī)范，更要掌握國外規(guī)范，了解國內(nèi)外規(guī)范之間的差異。美國規(guī)范是國際通用的主流規(guī)范之一，在國外工程項(xiàng)目的應(yīng)用十分廣泛。分析中美設(shè)計規(guī)范中存在的差異，有利于工程項(xiàng)目設(shè)計過程的順利進(jìn)展。國內(nèi)對港口工程鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，以參考《水運(yùn)工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS 151-2011）[1]為主，美國主要參考《Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary》（ACI 318-14）[2]。本文以高樁碼頭中常見的混凝土構(gòu)件軌道梁為例，對中美規(guī)范水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的差異進(jìn)行對比分析，為類似設(shè)計提供一定參考。

1 鋼筋混凝土材料指標(biāo)對比

1.1 混凝土指標(biāo)

我國規(guī)范 JTS 151-2011規(guī)定混凝土強(qiáng)度等級按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定，即采用養(yǎng)護(hù)28 d的邊長為150 mm的立方體試件進(jìn)行試驗(yàn)，測得的具有95 %保證率的立方體抗壓強(qiáng)度fcu,k作為評定混凝土強(qiáng)度等級的標(biāo)準(zhǔn)。美國規(guī)范ACI 318-14采用養(yǎng)護(hù)28 d的?150 mm×300 mm（?6 inch×12 inch）的圓柱體試件進(jìn)行試驗(yàn)，測得的具有91 %保證率的抗壓強(qiáng)度的圓柱體抗壓強(qiáng)度 fc’作為設(shè)計中的混凝土強(qiáng)度值。

我國混凝土強(qiáng)度等級共有14個，分別為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80，其中 C50～C80 為高強(qiáng)度混凝土。美國混凝土的強(qiáng)度單位為 psi，1 psi=0.006895 MPa。美國混凝土強(qiáng)度代表性的等級包括 3 000 psi，4 000psi，5 000 psi，6 000 psi。

文獻(xiàn)[3]等均推導(dǎo)了 95 %保證率的立方體抗壓強(qiáng)度fcu,k與91 %保證率的圓柱體抗壓強(qiáng)度fc’之間的對應(yīng)換算關(guān)系，本文將美國規(guī)范常用的混凝土型號的圓柱體抗壓強(qiáng)度與我國立方體強(qiáng)度換算關(guān)系列于表1。

表1 中美混凝土強(qiáng)度關(guān)系對應(yīng)

由表1可以看出，5 000 psi混凝土與我國C40混凝土的強(qiáng)度接近。

國標(biāo)規(guī)定混凝土受壓彈性模量與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系為：

美標(biāo)采用 45 %強(qiáng)度值的應(yīng)力水平所確定割線模量作為彈性模量，普通砂石混凝土的彈性模量Ec與混凝土抗壓強(qiáng)度fc’之間的關(guān)系為：

不同水工混凝土等級對應(yīng)的彈性模量 Ec如表2、表3所示。

表2 JTS 151-2011混凝土彈性模量Ec

表3 ACI 318-14混凝土彈性模量Ec

1.2 鋼筋指標(biāo)

我國規(guī)范JTS 151-2011規(guī)定普通混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋宜采用 HRB400、HRB500級鋼筋，也可采用HPB300、HRB335、RRB400級鋼筋。美國規(guī)范ASTM A615根據(jù)屈服強(qiáng)度對變形和光圓碳素鋼筋做了分類，共四個強(qiáng)度等級：40 000 ps（i280 MPa）、60 000 psi（420 MPa）、75 000 psi（520 MPa）和80 000 psi（550 MPa）。屈服強(qiáng)度為280 MPa和420 MPa的鋼筋在價格差別不大，因此在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，更常選用60 000 psi（420 MPa）等級的鋼筋。

在構(gòu)件計算時，我國規(guī)范采用鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，美國規(guī)范采用鋼筋屈服強(qiáng)度值進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。我國規(guī)范在計算構(gòu)件的裂縫時，需要用到鋼筋的彈性模量Es，美國規(guī)范由于不計算構(gòu)件裂縫，因此計算時不使用鋼筋的彈性模量。

我國鋼筋的規(guī)格采用直徑表示，單位為mm。美國鋼筋的規(guī)格用鋼筋號表示，一個鋼筋號為1/8 in（1 in=25.4 mm），有 3、4、5、6、7、8、9、10、11、14、18共計11種規(guī)格的鋼筋。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計對比

2.1 荷載組合

美國規(guī)范將荷載分為三類：恒荷載、活荷載和環(huán)境荷載。恒荷載相當(dāng)于我國規(guī)范中的永久荷載，主要指結(jié)構(gòu)的自重。我國規(guī)范荷載組合采用荷載規(guī)范值乘以組合系數(shù)的方法，美國規(guī)范荷載組合方法與我國相似，但荷載的取值、組合系數(shù)與中國規(guī)范存在差異。

2.2 保護(hù)層厚度

JTS 151-2011規(guī)定受力鋼筋混凝土保護(hù)層厚度取值考慮混凝土構(gòu)件所在部位、水質(zhì)環(huán)境、地理位置及箍筋直徑等因素，例如處在南方海水環(huán)境浪濺區(qū)的混凝土構(gòu)件，箍筋直徑超過6 mm時，保護(hù)層厚度不小于70 mm。ACI 318-14規(guī)定，暴露在海水、地下水等含有氯化物的環(huán)境中的混凝土構(gòu)件的保護(hù)層厚度不小于2 in（50.8 mm），墻和板的混凝土保護(hù)層厚度不應(yīng)小于2.5 in（63.5 mm），預(yù)制混凝土構(gòu)件的混凝土保護(hù)層厚度不小于 1.5 in（38.1 mm），預(yù)制墻和板的混凝土保護(hù)層厚度不小于2 in（50.8 mm）。需要注意的是，JTS 151-2011規(guī)定的保護(hù)層厚度為受力主筋的外側(cè)至混凝土表面，ACI 318-14指從最外層鋼筋外側(cè)至混凝土表面。

2.3 極限狀態(tài)設(shè)計

我國及美國規(guī)范均采用概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法。對于承載能力極限狀態(tài)，JTS 151-2011要求按下式進(jìn)行設(shè)計：

γ0Sd≤R

式中：

γ0為重要性系數(shù)，安全等級為一級、二級、三級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件分別取1.1、1.0、0.9；

Sd為承載能力極限狀態(tài)的作用效應(yīng)組合的設(shè)計值；

R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計值。

對于正常使用極限狀態(tài)，JTS 151-2011要求按下式進(jìn)行設(shè)計：

Sd≤C

式中：

Sd為正常使用極限狀態(tài)的作用效應(yīng)組合設(shè)計值；

C為結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求所規(guī)定的限值。

美國ACI 318對構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)要求滿足：

?Sn≥Ur

式中：

Φ為強(qiáng)度折減系數(shù)，彎矩計算時取0.65～0.90，剪力計算時取0.75；

Sn為名義承載力；

Ur為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合值。

ACI 318對構(gòu)件的正常使用極限狀態(tài)要求滿足：

Ur≤C

式中：

Ur為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合值；

C為結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求所規(guī)定的限值。

2.4 鋼筋最小配筋率

JTS 151-2011要求的普通梁縱向受彎鋼筋最小配筋率為0.2和45ft/fy中的較大值，ACI 318-14要求非預(yù)應(yīng)力梁受彎鋼筋的最小配筋率ρ應(yīng)大于如下二者中的較大值：

ACI 318-14還規(guī)定，當(dāng)梁的各個截面的實(shí)際配筋面積均大于計算所得最小配筋面積的1/3時，可以不滿足上式計算所得的最小配筋率。

ACI 318-14要求非預(yù)應(yīng)力梁受剪箍筋的最小配筋面積Av應(yīng)大于如下二者中的較大值：

式中：

fyt為橫向鋼筋的屈服強(qiáng)度；

bw為矩型梁的寬度及T型梁的腹板寬度；

s為箍筋間距。

2.5 裂縫控制

我國規(guī)范JTS 151-2011通過公式計算得出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大裂縫寬度，并要求計算裂縫寬度值不超過允許裂縫限值。美國規(guī)范ACI 318-14對構(gòu)件的裂縫寬度不進(jìn)行計算，而是通過控制鋼筋最大間距來限制混凝土的裂縫。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

某碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，排架間距8 m，排架下方布設(shè)鋼管樁。碼頭的預(yù)制軌道梁安放在現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁帽上，并在所有預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場安裝好后現(xiàn)澆接頭，形成整體結(jié)構(gòu)后現(xiàn)澆面板接頭混凝土及面層。預(yù)制軌道梁為寬度1.0 m，高度1.1 m的矩形斷面，現(xiàn)澆部分寬度0.94 m，高度0.45 m。使用期軌道梁的計算按照疊合連續(xù)梁考慮，軌道梁斷面如圖1所示。

圖1 使用期軌道梁斷面

計算中主要考慮的為荷載恒載（D），包括預(yù)制軌道梁自重（D1）及現(xiàn)澆部分自重（D2），均載（U），流動機(jī)械荷載（M）。鋼筋混凝土材料重度取24.5 kN/m3。使用期碼頭面均布荷載為20 kPa，軌道梁兩側(cè)1.5 m范圍內(nèi)不考慮均載。流動機(jī)械輪壓為24 t，輪系布置如圖2。

圖2 登船橋軌道布置

根據(jù)軌道梁的施工過程，內(nèi)力計算分三種工況：

1）施工期第一階段，安裝預(yù)制軌道梁，此時軌道梁計算按照簡支梁考慮，作用力為預(yù)制軌道梁自重；

2）施工期第二階段，預(yù)制軌道梁現(xiàn)澆接頭完成，形成連續(xù)梁，此時作用力為軌道梁自重及其上方的現(xiàn)澆混凝土自重；

3）使用期，按彈性支撐連續(xù)梁計算，梁上荷載為面層自重，均載及流動機(jī)械荷載。本算例主要對使用期的計算結(jié)果進(jìn)行分析。

軌道梁的內(nèi)力采用有限元軟件進(jìn)行計算，配筋計算分別參考JTS 151-2011及ACI 318-14規(guī)范規(guī)定的公式進(jìn)行配筋計算，計算中具體參數(shù)對比結(jié)果見表4。

表4 計算參數(shù)對比

3.2 計算結(jié)果分析

軌道梁使用期內(nèi)力的計算結(jié)果見表5。

由于我國規(guī)范中活荷載的分項(xiàng)系數(shù)小于美國規(guī)范，因此計算所得內(nèi)力偏大。采用上表中的計算結(jié)果對軌道梁進(jìn)行配筋計算，鋼筋表見表6。

表5 使用期內(nèi)力計算結(jié)果

表6 鋼筋表

4 結(jié) 語

以高樁碼頭軌道梁為實(shí)例，從材料性質(zhì)、荷載組合、計算方法、裂縫控制等方面分析了中美規(guī)范在港口工程混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計中的差異之處，得出結(jié)論：

1）中美兩國規(guī)范在鋼筋和混凝土材料的強(qiáng)度、規(guī)格、型號等方面都有較大的差異，因此在比較計算的過程中，選擇中美兩國具有相近指標(biāo)的鋼筋和混凝土進(jìn)行對比設(shè)計的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

2）采用美國規(guī)范計算所得的內(nèi)力結(jié)果大于中國規(guī)范的計算結(jié)果，這主要是由于美國規(guī)范中部分荷載的分項(xiàng)系數(shù)大于我國規(guī)范。美國規(guī)范中恒載的分項(xiàng)系數(shù)與我國相同，但活荷載的分項(xiàng)系數(shù)偏大。

3）相同荷載作用下，采用ACI 318-14規(guī)范進(jìn)行梁的正截面受彎承載力計算所需縱筋的配筋量小于JTS 151-2011計算所需配筋量，而斜截面承載力計算時，ACI 318-14計算所需箍筋量大于JTS 151-2011。