建筑結(jié)構(gòu)與公路橋涵在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的差別

 

  關(guān)鍵詞： 混凝土 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 建筑結(jié)構(gòu) 前 言   １ 在設(shè)計(jì)方法上的差別   在建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》ＧＢＪ１０－８９中（以下簡稱ＧＢＪ１０－８９），采用的是近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。以概率 理論 為基礎(chǔ)，較完整的統(tǒng)計(jì)資料為依據(jù)，用結(jié)構(gòu)可靠度來衡量結(jié)構(gòu)的可靠性，按可靠度指標(biāo)來確定荷載分項(xiàng)系數(shù)與材料分項(xiàng)系數(shù)，使設(shè)計(jì)出來的不同結(jié)構(gòu)，只要重要性相同，結(jié)構(gòu)的可靠度是相同的。   在公路橋梁專業(yè)的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》ＴＪＴ０２３－８５中（以下簡稱ＴＪＴ０２３－８５），采用的是半概率半經(jīng)驗(yàn)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。雖然也采用概率理論及結(jié)構(gòu)可靠度理論，但在設(shè)計(jì)公式中是用三個經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來反映結(jié)構(gòu)的安全性，即荷載安全系數(shù)、材料安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)工作條件系數(shù)。   在設(shè)計(jì)中，對這種系數(shù)的差別要注意區(qū)別，不能混淆。   ２ 材料強(qiáng)度取值上的差別   ２．１ 混凝土的強(qiáng)度   混凝土立方體抗壓強(qiáng)度是混凝土的基本強(qiáng)度指標(biāo)，是用標(biāo)準(zhǔn)試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)后用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的強(qiáng)度指標(biāo)。兩規(guī)范中所采用的試塊尺寸是不同的。ＧＢＪ１０－８９中采用１５０ｍｍ立方體試塊，ＴＪＴ０２３－８５中用２００ｍｍ的立方體試塊。ＧＢＪ１０－８９中，根據(jù)測得的具有９５％保證率的立方體抗壓極限值來確定混凝土的強(qiáng)度等級，一共分為十級，即Ｃ１０，Ｃ１５，Ｃ２０，Ｃ２５，Ｃ３０，Ｃ３５，Ｃ４０，Ｃ４５，Ｃ５０，Ｃ６０。   ＴＪＴ０２３－８５中，根據(jù)測得到具有８４．１３％保證率的立方體抗壓極限值來確定混凝土的強(qiáng)度等級，用混凝土標(biāo)號表示，一共分為七級，即１５號、２０號、２５號、３０號、４０號、５０號、６０號。由于所采用的試塊尺寸不同，兩規(guī)范中相同數(shù)值等級的混凝土強(qiáng)度值是不同的，ＧＢＪ１０－８９的值大。如Ｃ１５混凝土與１５號混凝土，盡管都表示強(qiáng)度等級為１５Ｍｐａ的混凝土，但實(shí)際強(qiáng)度Ｃ１５混凝土比１５號混凝土大。混凝土強(qiáng)度取值不同，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)中是要注意的。   ２．２ 鋼筋的強(qiáng)度   兩規(guī)范中，鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度取值是一樣的，都采用鋼材的廢品限制值作為取值依據(jù)。但鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值不一樣，ＧＢＪ１０－８９中以標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值除以材料分項(xiàng)系數(shù)作為取值依據(jù)，而ＴＪＴ０２３－８５中設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度取值是一樣的。這樣，相同的鋼筋等級，ＴＪＴ０２３－８５中鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值大。   ３ 荷載取值的差別   兩規(guī)范中荷載分類與取值都有明確的規(guī)定，不容易混淆。在荷載效應(yīng)組合中有一點(diǎn)差別，應(yīng)注意。ＧＢＪ１０－８９中，荷載效應(yīng)組合時，既有荷載分項(xiàng)系數(shù)，又有荷載組合系數(shù)，要區(qū)別開來。ＴＪＴ０２３－８５中只有荷載分項(xiàng)系數(shù)。   ４ 構(gòu)件計(jì)算的差別   兩規(guī)范中在構(gòu)件計(jì)算上，盡管依據(jù)的原理、計(jì)算假定、計(jì)算模型基本一致，但計(jì)算公式、計(jì)算結(jié)果是有較大差別的。構(gòu)件計(jì)算是關(guān)系到設(shè)計(jì)結(jié)果的最重要的一環(huán)，值得重視。限于篇幅，只以正截面受彎和斜截面受剪強(qiáng)度計(jì)算為例看計(jì)算上的差別。   ４．１ 正截面受彎強(qiáng)度計(jì)算   兩規(guī)范在計(jì)算假定上就有差別。混凝土極限壓應(yīng)變?nèi)≈�，ＴＪＴ０２３－８５中�?epsilon;ｕ＝０．００３�煟牵拢剩保埃�８９中εｕ＝０．００３３。在等效矩形應(yīng)力圖形中，ＴＪＴ０２３－８５取γσ＝Ｒａ��βｘ＝０．９ｘ。ＧＢＪ１０－８９中取γσ＝１．１ｆｃ��βｘ＝０．８ｘ。由于εｕ取值不同，兩規(guī)范中混凝土界限受壓區(qū)高度有些差別。從混凝土極限壓應(yīng)變、等效矩形應(yīng)力圖形的差別上可以看出，兩規(guī)范中安全儲備是不同的。ＴＪＴ０２３－８５的安全儲備大。   下面用算例來說明這一 問題 。   有矩形截面梁，截面尺寸為２５０ｍｍ×５００ｍｍ�煟玻疤柣炷�土，Ⅱ級鋼筋。計(jì)算截面處計(jì)算彎矩為Ｍｊ＝１５ＫＮ．ｍ�熢囘M(jìn)行配筋計(jì)算。   ４．１．１先按ＴＪＴ０２３－８５計(jì)算。   已知２０號混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Ｒａ＝１１Ｍｐａ�煟桑杉変摻羁估瓘�(qiáng)度設(shè)計(jì)值Ｒｇ＝３４０Ｍｐａ�熁炷�土相對界限受壓區(qū)高度ξｊｇ＝０．５５，材料安全系數(shù)γｃ＝γｓ＝１．２５。   （１）求混凝土受壓區(qū)高度ｘ   先假定鋼筋按一排布置，鋼筋重心到混凝土受拉邊緣的距離ａ＝４０ｍｍ，則有效高度ｈ０＝（５００－４０）ｍｍ＝４６０ｍｍ由   得   解得Ｘ＝１３３ｍｍ＜ξｊｇｈ０＝０．５５×４６０＝２５３ｍｍ。   （２）求所需鋼筋數(shù)量Ａｇ，由ＲｇＡｇ＝Ｒａ·ｂｘ，得   Ａｇ＝ ＝ ＝１０７６ｍｍ２   （３）驗(yàn)算最小配筋率μ＝ ＝ ＝１％＞ μｍｉｎ＝  ０．１％，滿足規(guī)范要求。   ４．１．２按ＧＢＪ１０－８９計(jì)算   Ｃ２０混凝土，彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ｆｃｍ＝１１Ｍｐａ，鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ｆｙ＝３１０Ｍｐａ�熁炷�土相對界限受壓區(qū)高度ξｂ＝０．５４４   （１）求Ｘ 有Ｍｊ＝ｆｃｍｂ ×（ｈ０－）得１１５×１０６＝１１×２５０×（４６０－ ），解得ｘ＝（１－１－ ）ｈ０ ＝１０２．３ｍｍ＜ξｂｈ０＝０．５４４×４６０＝２５０．２ｍｍ滿足要求  （２）求Ａｓ由Ａｓｆｙ＝ｆｃｍｂｘ得Ａｓ＝ｆｃｍｂｘ ／ ｆｙ＝（１１ｘ２５０ ×１０２．３）／ ３１０＝９０７．５ｍｍ２＞μｍｉｎｂｈ０＝０．１５％×２５０×４６０＝１７２．５ｍｍ２  如果扣除由于２０號混凝土與Ｃ２０混凝土之間強(qiáng)度取值的差別，２０號混凝土按ＧＢＪ１０－８９，ｆｃｍ＝１１×０．９５＝１０．４５ＭＰａ�焺tｘ＝（１－１－ ） ×４６０＝１０８．５ｍｍ， Ａｓ＝（１０．４５ｘ２５０ｘ１０８．５）／３１０＝９１４．４ｍｍ２  從上述計(jì)算中看出，按ＴＪＴ０２３－８５比按ＧＢＪ１０－８９鋼筋用量多１７．７％。４．１．３ 受彎構(gòu)件斜截面強(qiáng)度 計(jì)算    在斜截面強(qiáng)度計(jì)算中，兩規(guī)范都是根據(jù)斜截面發(fā)生剪壓破壞時的受力特征和試驗(yàn)資料所制定的。但兩規(guī)范在計(jì)算公式表述上及計(jì)算結(jié)果上都有較大的差別。   ＴＪＴ０２３－８５中，斜截面強(qiáng)度計(jì)算公式為：Ｑｊ≤Ｑｕ＝Ｑｈｋ＋ＱＷ，其中Ｑｈｋ＝０．０３４９ｂｈ０（２＋ｐ） Ｒ μｋＲｇｋ，Ｑｗ＝０．０６ＲｇｗΣＡｗｓｉｎα，式中Ｑｊ：根據(jù)荷載組合得出的通過斜截面頂端正截面內(nèi)的最大剪力，即計(jì)算剪力，單位為ＫＮ；Ｑｈｋ：混凝土和箍筋的綜合抗剪承載力（ＫＮ）；Ｑｗ：彎起鋼筋承受的剪力（ＫＮ）；ｂ：通過斜截面受壓區(qū)頂端截面上的腹板厚度（ｃｍ）；ｈ０：通過斜截面受壓區(qū)頂端截面上的有效高度，自縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至受壓邊緣的距離（ｃｍ）；μｋ：箍筋配筋率��μｋ＝ｎｋ·ａｋ／（ｂ·ｓ）；Ｒｇｋ：箍筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度（Ｍｐａ），設(shè)計(jì)時不得采用大于３４０Ｍｐａ：Ｒ：混凝土標(biāo)號（Ｍｐａ）；ｐ斜截面內(nèi)縱向受拉主筋的配筋率，ｐ＝１００μ，μ＝Ａｇ／ｂｈ０�煯�(dāng)ｐ＞３．５時，�。穑剑常�５；Ｒｇｗ：彎起鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度（Ｍｐａ）；Ａｗ在一個彎起鋼筋平面內(nèi)的彎起鋼筋縱截面面積（ｃｍ２）；α：彎起鋼筋與構(gòu)件縱向軸線的夾角。   上式中工作條件系數(shù)、安全系數(shù)均已記入。公式的適用條件采用上限值和下限值來保證。上限值要求截面最小尺寸滿足Ｑｊ≤０．０５１Ｒｈ０（ＫＮ）。滿足下限值，Ｑｊ≤０．０３８Ｒ１ｂｈ０（ＫＮ）�熆砂礃�(gòu)造要求配置箍筋，式中�煟遥保夯炷�土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度（Ｍｐａ）。ＧＢＪ１０－８９中，斜截面承載力的計(jì)算公式為Ｖ≤Ｖｕ＝Ｖｃｓ＋Ｖｓｂ�熎渲校郑悖螅剑埃�０７ｆｃｂｈ０＋１．５ｆｙｖ（Ａｓｖ／ Ｓ）ｈ０  �� Ｖｓｂ＝０．８ｆｙＡｓｂｓｉｎαｓ �煯�(dāng)為承受集中荷載的矩形獨(dú)立梁，Ｖｃｓ＝０．２／（λ＋１．５）ｆｃｂｈ０＋１．２５ｆｙｖｈ０，式中Ｖ：構(gòu)件截面上的最大剪力設(shè)計(jì)值（Ｎ）；Ｖｃｓ：混凝土與箍筋的綜合抗剪承載力（Ｎ）；Ｖｓｂ：彎起鋼筋所承受的剪力（Ｎ）；ｂ：矩形截面的寬度，Ｔ形截面或Ｉ形截面的腹板寬度（ｍｍ）；ｈ０：通過斜截面受壓區(qū)頂端截面上的有效高度，自縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至受壓邊緣的距離（ｍｍ）；ｆｃ：混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（Ｍｐａ）；ｆｙｖ：箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（Ｍｐａ）；Ｓ：沿構(gòu)件長度箍筋間距（ｍｍ）；ｆｙ：彎起鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（Ｍｐａ）；Ａｓｂ：在一個彎起鋼筋平面內(nèi)的彎起鋼筋縱截面面積（ｍｍ２）；αｓ：彎起鋼筋與構(gòu)件縱向軸線的夾角。  公式的適用條件也是采用上限值和下限值來保證。上限值要求截面最小尺寸滿足Ｖ ≤０．２５ｆｃｂｈ０ 當(dāng)為薄腹梁，Ｖ≤０．２ｆｃｂｈ０ 。滿足下限值Ｖ＝０．０７ ｆｂｈ０，可按構(gòu)造要求配置箍筋。從上述公式中，可以看出，公式的表達(dá)形式不同，各物理量的單位也不同。  下面以實(shí)際例子看看計(jì)算結(jié)果上的差別。   已知Ｔ形截面簡支梁，２５號混凝土，縱筋采用ＩＩ級鋼筋，箍筋采用Ｉ級鋼筋，計(jì)算截面的計(jì)算剪力為４１６．２７ＫＮ�熓芾瓍^(qū)有２Φ３２的縱筋，保護(hù)層厚３０ｍｍ。進(jìn)行腹筋設(shè)計(jì)。   下表是根據(jù)兩規(guī)范進(jìn)行的計(jì)算比較。   ＴＪＴ０２３－８５中，對斜截面抗剪計(jì)算，要求彎起鋼筋承擔(dān)４０％的計(jì)算剪力，混凝土與箍筋共同承擔(dān)６０％的計(jì)算剪力。另根據(jù)規(guī)范對計(jì)算剪力的定義，ＴＪＴ０２３－８５中的計(jì)算剪力與ＧＢＪ１０－８９中的設(shè)計(jì)剪力是一致的。所以在ＧＢＪ１０－８９計(jì)算中，也按４：６比例分擔(dān)剪力。   從上表中，明顯看出，ＴＪＴ０２３－８５比ＧＢＪ１０－８９在斜截面承載力計(jì)算中，安全儲備大得多。這與橋涵結(jié)構(gòu)跟建筑結(jié)構(gòu)所處環(huán)境，所受荷載不同有關(guān)系。   目前 ，兩專業(yè)在混凝土規(guī)范上沒有統(tǒng)一，設(shè)計(jì)和施工時應(yīng)注意，不能隨意互換。另外，兩規(guī)范在構(gòu)造上也有差別，需注意。