胡珅榕,李予忱,涂 晶
(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300220)
我國工程建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作,在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,還要根據(jù)具體行業(yè)領(lǐng)域和工程性質(zhì)的不同而采用不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),尤其是必須執(zhí)行相應(yīng)的強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)之間,也往往存在著或大或小的差異,在工程建設(shè)中一些相近行業(yè)的交叉和融合項(xiàng)目越來越多,此時(shí)工程人員就面臨著對(duì)不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的理解和選擇。以往的研究多著重于我國國家標(biāo)準(zhǔn)與國外標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析[1-2],或者我國國家標(biāo)準(zhǔn)的新舊版本之間的對(duì)比研究[3],而對(duì)于國內(nèi)的不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之間的對(duì)比分析則較少。
本文以鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面設(shè)計(jì)為研究對(duì)象,對(duì)水運(yùn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比和分析,水運(yùn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中主要用到《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS151-2011)[4](以下簡稱“水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)”),而水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中主要用到《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)[5](以下簡稱“水利標(biāo)準(zhǔn)”)。主要從材料指標(biāo)選用、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)、正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)、其他構(gòu)造要求等方面展開分析,并以某臨海水閘工程為例進(jìn)行計(jì)算結(jié)果對(duì)比,為類似的行業(yè)交叉領(lǐng)域工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。
鋼筋混凝土構(gòu)件涉及的材料主要分為鋼筋和混凝土兩種。對(duì)于受彎構(gòu)件計(jì)算,主要涉及參數(shù)為材料的強(qiáng)度指標(biāo)和彈性模量。
對(duì)于鋼筋的選用,兩個(gè)行業(yè)中均常用“三級(jí)鋼筋”(熱軋鋼筋HRB400)作為受力鋼筋,其各項(xiàng)指標(biāo)在水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)中保持一致。需要注意的是,工程中用作構(gòu)造鋼筋的“一級(jí)鋼筋”,在水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中為熱軋鋼筋HPB300,而在水利標(biāo)準(zhǔn)中為熱軋鋼筋HPB235,前者強(qiáng)度高于后者。
對(duì)于混凝土的強(qiáng)度分級(jí)和詳細(xì)參數(shù),兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)保持一致。但是強(qiáng)度等級(jí)的選用涉及到構(gòu)件所處的環(huán)境條件,兩種標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定略有不同。水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中分為海水環(huán)境和淡水環(huán)境兩大類,海水環(huán)境中根據(jù)結(jié)構(gòu)所處區(qū)域的波浪掩護(hù)條件、設(shè)計(jì)水位、波浪高度等不同而分為大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、水下區(qū);淡水環(huán)境中主要根據(jù)設(shè)計(jì)水位分為水上區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、水下區(qū)。水利標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于海水環(huán)境中有掩護(hù)條件下的分區(qū)與水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)相同,但是并不涉及海水環(huán)境中無掩護(hù)條件下的判別,反而增加了對(duì)于室內(nèi)室外的判別、化學(xué)腐蝕性程度的判別等,這與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)。水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)環(huán)境分區(qū)不同直接選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí);水利標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)分區(qū)及其他判別條件進(jìn)一步歸類為五個(gè)環(huán)境類別,根據(jù)環(huán)境類別選擇混凝土等級(jí)。
水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中,采用以下表達(dá)式:
γ0為重要性系數(shù),安全等級(jí)一到三級(jí)時(shí)分別取為1.1、1.0、0.9;Sd為作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值;R為結(jié)構(gòu)的承載力設(shè)計(jì)值。
水利標(biāo)準(zhǔn)中,采用以下表達(dá)式:
為承載力安全系數(shù),取值如表1 所示;其余參數(shù)與水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)相同(為方便表示,忽略符號(hào)差異,下同)。
表1 水利標(biāo)準(zhǔn)承載力安全系數(shù)
顯然,從以上表達(dá)式可以看出,兩種標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)存在明顯差異,水利標(biāo)準(zhǔn)的承載力安全系數(shù) 普遍大于水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的重要性系數(shù)γ0。
水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中,作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值按照下式計(jì)算:
持久組合:
短暫組合:
γGi為第i個(gè)永久作用的分項(xiàng)系數(shù);SGik為第i個(gè)永久作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);γP為預(yù)應(yīng)力的分項(xiàng)系數(shù);SP為預(yù)應(yīng)力有關(guān)代表值的效應(yīng);γQ1、γQj分別為主導(dǎo)可變作用和第j個(gè)可變作用的分項(xiàng)系數(shù)(短暫組合中則不區(qū)分是否主導(dǎo),下同);SQ1、S Qj分別為主導(dǎo)可變作用和第j個(gè)可變作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);ψ cj為可變作用的組合系數(shù),可取0.7,對(duì)于有界作用且常以界值出現(xiàn)時(shí),可取1.0。
水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)可能涉及的20 種荷載,分別給出了分項(xiàng)系數(shù)的取值,一般介于1.05~1.5 之間,具體設(shè)計(jì)過程中只需要查表即可[4]。但是需要注意3點(diǎn)補(bǔ)充說明:當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)起有利作用時(shí),其分項(xiàng)系數(shù)不應(yīng)大于1.0;結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備重力、土重等為主時(shí),分項(xiàng)系數(shù)不應(yīng)小于1.3;短暫組合時(shí),荷載分項(xiàng)系數(shù)可減小0.1。
水利標(biāo)準(zhǔn)中,作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值按照下式計(jì)算:
基本組合(當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)起不利作用時(shí)):
基本組合(當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)起有利作用時(shí)):
短暫組合:
SG1k為自重、設(shè)備等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);SG2k為土壓力、淤沙壓力及圍巖壓力等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);SQ1k為一般可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);SQ2為可控制其不超過規(guī)定界值的可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);SAk為偶然荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)。
水利標(biāo)準(zhǔn)中的上述公式,直接給出了荷載的分項(xiàng)系數(shù),但對(duì)于荷載并未細(xì)化,而是籠統(tǒng)地歸為5類。通過對(duì)比,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中的各類荷載分項(xiàng)系數(shù)普遍大于水利標(biāo)準(zhǔn);而且,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中將可變作用分為主導(dǎo)作用和非主導(dǎo)作用,針對(duì)非主導(dǎo)可變作用增加了組合系數(shù),用于進(jìn)一步細(xì)化荷載的作用情況。
受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算中,兩種標(biāo)準(zhǔn)從計(jì)算原理、基本假定到簡化計(jì)算表達(dá)式均基本一致。但是,在水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中,該計(jì)算采用的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc會(huì)先乘以系數(shù)α1。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不大于C50 時(shí),該系數(shù)取1.0;當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80 時(shí),該系數(shù)取0.94;在C50 至C80 之間,按照線性內(nèi)插計(jì)算。因此,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中增加的這個(gè)系數(shù)主要針對(duì)C50以上的高強(qiáng)度混凝土。由水利標(biāo)準(zhǔn)的條文說明[5]可知,其計(jì)算公式適用于混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過C60 的構(gòu)件。在實(shí)際工程中,普通混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般不超過C50,此時(shí)水運(yùn)、水利兩種標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算并無區(qū)別。
水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)均通過混凝土受壓區(qū)高度 來判斷是否會(huì)達(dá)到超筋破壞,但是后者更嚴(yán)格一些。在水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中,混凝土受壓區(qū)高度須滿足x≤ξbh0(ξb為相對(duì)界限受壓區(qū)高度,h0為截面有效高度),這與我國其他類似標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定相同;而在水利標(biāo)準(zhǔn)中,須滿足x≤ 0. 85ξbh0,比水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)增加了一個(gè)系數(shù)0.85,這是為了更有效地避免超筋破壞的發(fā)生,這一改動(dòng)對(duì)于普通構(gòu)件無影響,只有針對(duì)因截面尺寸受限而須配置受壓鋼筋的雙筋梁板構(gòu)件,會(huì)導(dǎo)致用鋼量增加約0.7%[5]。
水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)中,正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式相同,均為下式:
Sd為作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值;C為正常使用要求所規(guī)定的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力或裂縫寬度等限值。
但在兩種標(biāo)準(zhǔn)中,效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值及正常使用限值的規(guī)定有所不同。
水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中,按照不同的設(shè)計(jì)要求,作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值分為4 種情況計(jì)算:持久狀況標(biāo)準(zhǔn)組合、持久狀況頻遇組合、持久狀況準(zhǔn)永久組合、短暫狀況。其中,可變作用的組合系數(shù)、頻遇值系數(shù)、準(zhǔn)永久系數(shù),可分別取0.7、0.7、0.6,對(duì)于經(jīng)常以界值出現(xiàn)的有界作用,組合系數(shù)和準(zhǔn)永久系數(shù)可取1.0。
而對(duì)于水利標(biāo)準(zhǔn)而言,正常使用極限狀態(tài)均按照作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計(jì)算。
對(duì)于普通的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件,正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)主要是裂縫寬度的驗(yàn)算。對(duì)于水運(yùn)、水利兩種標(biāo)準(zhǔn),其裂縫寬度的計(jì)算原理基本相同,但是公式擬合的具體形式及參數(shù)設(shè)置略有不同。
水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)于截面形狀為矩形、T 形、倒T 形和圓形的構(gòu)件,其最大裂縫寬度計(jì)算公式如下:
α1為反映構(gòu)件受力特征的系數(shù),受彎取1.0,大偏心受壓取0.95,偏心受拉取1.1,軸心受拉取1.2;α2為反映鋼筋表面形狀的系數(shù),光面鋼筋取1.4,帶肋鋼筋取1.0;α3為反映效應(yīng)組合情況的系數(shù),考慮準(zhǔn)永久組合或重復(fù)荷載影響時(shí)取1.5,考慮短暫狀況時(shí)取1.0~1.2,而施工期可取1.0;σ S為縱向受拉鋼筋的應(yīng)力;ES為鋼筋彈性模量;c為最外排縱向受拉鋼筋的保護(hù)層厚度,當(dāng)c大于50 mm時(shí)取50 mm;d為鋼筋直徑;ρ te為縱向受拉鋼筋的有效配筋率,當(dāng)ρte小于0.01 時(shí)取0.01,當(dāng)其大于0.1 時(shí)取0.1。
水利標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)于截面形狀為矩形、T 形、倒T 形的構(gòu)件,其最大裂縫寬度計(jì)算公式如下:
α為反映構(gòu)件受力特征和荷載長期作用的綜合影響系數(shù),受彎或偏心受壓取2.1,偏心受拉取2.4,軸心受拉取2.7;c為最外排縱向受拉鋼筋的保護(hù)層厚度,當(dāng)c大于65 mm 時(shí)取65 mm;ρte為縱向受拉鋼筋的有效配筋率,當(dāng)ρte小于0.03 時(shí)取0.03;其余參數(shù)與水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)相同。
對(duì)比兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可知,主要存在4 點(diǎn)不同。首先,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的裂縫寬度一般采用作用的準(zhǔn)永久組合進(jìn)行計(jì)算,而水利標(biāo)準(zhǔn)則采用了作用的標(biāo)準(zhǔn)組合。其次,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)在系數(shù)設(shè)置上針對(duì)采用光面鋼筋或者某些荷載的短暫組合等情況分別直接給出系數(shù)加以處理,考慮更為細(xì)化;而水利標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)類似情況,則是在備注或者條文說明中給出了類似的解釋和處理。另外,在保護(hù)層厚度和有效配筋率的限值上,兩種標(biāo)準(zhǔn)略有不同,這與不同行業(yè)的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。比如,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)裂縫計(jì)算時(shí)的保護(hù)層厚度最大值取50 mm,小于水利標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值65 mm,直接影響裂縫計(jì)算結(jié)果。最后,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)增加了圓形截面的計(jì)算方法,適用范圍更廣。
水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)最大裂縫寬度均有明確限值,取值相近,但是判別標(biāo)準(zhǔn)稍有不同。與混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選擇類似,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中最大裂縫寬度限值由構(gòu)件所處位置的環(huán)境分區(qū)決定,對(duì)于普通鋼筋混凝土構(gòu)件,介于0.2~0.4 mm;而水利標(biāo)準(zhǔn)中則取決于構(gòu)件所處位置的環(huán)境類別,對(duì)于普通鋼筋混凝土構(gòu)件,介于0.15~0.4 mm。兩種標(biāo)準(zhǔn)的具體對(duì)比如下所示:
表2 水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)最大裂縫寬度限值規(guī)定
表3 水利標(biāo)準(zhǔn)最大裂縫寬度限值規(guī)定
水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中,普通鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的縱向受力鋼筋最小配筋率采用“雙控”方式,采用0.2 %和(4 5ft/fy)%中的較大值,其中ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。
水利標(biāo)準(zhǔn)中,縱向受力鋼筋最小配筋率采用“單控”方式,但是針對(duì)不同鋼筋種類和構(gòu)件類別,給出了不同限值。例如,普通鋼筋混凝土構(gòu)件的受力鋼筋采用HRB400,針對(duì)HRB400 鋼筋,受彎構(gòu)件為梁時(shí)最小配筋率取0.2 %,受彎構(gòu)件為板時(shí)取0.15 %。
對(duì)比兩種標(biāo)準(zhǔn),水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格,而且考慮了混凝土和鋼筋的材料強(qiáng)度的影響;而水利標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)構(gòu)件類型的考慮更為全面。
水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)受力鋼筋的混凝土保護(hù)層最小厚度也均有明確限值,取值相近,但判別標(biāo)準(zhǔn)稍有不同。與混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選擇以及最大裂縫寬度限值的確定相似,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中保護(hù)層最小厚度由構(gòu)件所處位置的環(huán)境分區(qū)決定,與構(gòu)件類型無關(guān);而水利標(biāo)準(zhǔn)中不僅取決于構(gòu)件所處位置的環(huán)境類別,另外還根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),針對(duì)構(gòu)件類型進(jìn)行細(xì)分,同等條件下保護(hù)層最小厚度限值:板、墻<梁、柱、墩<截面厚度不小于2.5 m 的底板、墩墻。
中國北方某水閘工程,與某海堤相銜接。其閘室為開敞式,分2 孔過流。閘室于閘墩中間分縫,兩側(cè)對(duì)稱,單孔兩側(cè)閘墩的中心距為23.85 m。閘室底板采用整體式,厚2.2 m。閘室基礎(chǔ)為混凝土灌注樁,垂直水流方向間距3.15 m 均布8 根,順?biāo)鞣较蜷g距3 m 均布。
分別采用水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)閘室底板進(jìn)行正截面設(shè)計(jì)計(jì)算。該底板所受荷載有:自重、樁基支撐力、施工均載、水重、揚(yáng)壓力。具體設(shè)計(jì)工況及其對(duì)應(yīng)的外力標(biāo)準(zhǔn)值由整體穩(wěn)定性計(jì)算得出,共分為36 種工況,本文直接取用其作為底板計(jì)算的設(shè)計(jì)條件??紤]閘室底板可簡化為兩端固定的單向板,因此取沿閘室橫斷面方向的一條混凝土“板帶”進(jìn)行計(jì)算,寬度3 m,長度取為兩側(cè)閘墩的中心距23.85 m。底板下部樁基支撐力均簡化為集中力,施加到該梁上;其余荷載均取3 m 寬參與計(jì)算。簡化計(jì)算簡圖如下所示。
圖1 算例計(jì)算簡圖
結(jié)合兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的判定及工程需要,兩種計(jì)算中,該底板均采用C35 混凝土和HRB400 鋼筋進(jìn)行正截面設(shè)計(jì);結(jié)合工程實(shí)際情況,上層鋼筋實(shí)際保護(hù)層取65 mm,下層鋼筋實(shí)際保護(hù)層取130 mm;上層混凝土裂縫寬度限值0.2 mm,下層混凝土裂縫寬度限值0.25 mm。分為4 個(gè)部位進(jìn)行配筋計(jì)算,兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果分別匯總?cè)缦隆?/p>
表4 水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果(γ0=1.1)
表5 水利標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果(K-.1.4)
在本算例中,由上表可以看出:
1)滿足承載力的最小配筋面積,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)普遍大于水利標(biāo)準(zhǔn),其原因主要有兩點(diǎn)。其一,兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的效應(yīng)組合中,系數(shù)取值不同,導(dǎo)致在多種荷載同時(shí)施加時(shí)的總荷載分布不同,且不同部位的差異有大有小;其二,兩種標(biāo)準(zhǔn)考慮的重要性系數(shù)/安全系數(shù)取值不同,導(dǎo)致最終參與配筋的效應(yīng)設(shè)計(jì)值不同。
2)水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的最小配筋率大于水利標(biāo)準(zhǔn),因此構(gòu)造性要求更為嚴(yán)格。
3)水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算裂縫寬度普遍稍大于水利標(biāo)準(zhǔn),但是差異較小。差異原因在于計(jì)算公式及其參數(shù)取值的差異。
1)研究結(jié)論:
①不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均基于國家標(biāo)準(zhǔn),并針對(duì)本行業(yè)的具體情況提出更詳細(xì)的規(guī)定,其各自側(cè)重點(diǎn)有所不同。
②通過對(duì)比分析,在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面設(shè)計(jì)的全流程中,水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)和水利標(biāo)準(zhǔn)在材料選用、構(gòu)造性要求、效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值計(jì)算、承載力計(jì)算、裂縫寬度計(jì)算等步驟中各自考慮的安全度不同,而最終的計(jì)算結(jié)果是全流程的安全度的綜合體現(xiàn)。
③在同一套設(shè)計(jì)計(jì)算中,應(yīng)該全流程均采用同一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),切勿在不同步驟混用不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
2)其他類似工程可借鑒的經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)建議:
對(duì)于工程建設(shè)中相近行業(yè)的交叉和融合項(xiàng)目,比如臨海交叉地帶水利設(shè)施工程,涉及水運(yùn)、水利兩種不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),建議針對(duì)不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均進(jìn)行完整的計(jì)算復(fù)核,從而能夠綜合考慮兩個(gè)行業(yè)的工程經(jīng)驗(yàn)。