“2008版”《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》受彎構(gòu)件配筋量的差異分析

□張曉燕 □李鳳蘭(華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院）

□劉許超 □王美齋(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

“2008版”《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》受彎構(gòu)件配筋量的差異分析

□張曉燕 □李鳳蘭(華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院）

□劉許超 □王美齋(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T191－2008）重新修訂,采用不同的設(shè)計(jì)理論，依據(jù)“2008規(guī)范”進(jìn)行受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，新規(guī)范計(jì)算的配筋量均大于舊規(guī)范計(jì)算的配筋量。針對(duì)這種差異，對(duì)新舊版規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，分析影響配筋量變化的主要原因，給出新舊規(guī)范配筋量變化的幅度及范圍。

規(guī)范；配筋量；幅度

《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T 191-96）(以下簡(jiǎn)稱“96規(guī)范”)頒布十余年來(lái)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)科有了很多新的科學(xué)研究成果和工程實(shí)踐，為了吸收新的成果，總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，反映科技的進(jìn)步，重新修訂編制而成《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T191-2008）(以下簡(jiǎn)稱“2008規(guī)范”)。

一、問(wèn)題的提出

“96規(guī)范”和“2008規(guī)范”采用不同的設(shè)計(jì)理論，導(dǎo)致應(yīng)用規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，“2008規(guī)范”計(jì)算的配筋量都要大于“96規(guī)范”。配筋量增加的原因是新舊版規(guī)范荷載效應(yīng)的變化、材料強(qiáng)度取值的變化、設(shè)計(jì)安全度表達(dá)式的變化以及分項(xiàng)系數(shù)取值的變化等因素引起的。本文重點(diǎn)討論新舊版規(guī)范受彎構(gòu)件縱筋配筋量的影響因素，并給出新舊版規(guī)范配筋量變化的幅度及范圍。

二、“2008規(guī)范”的改變

（一）安全系數(shù)的變化?！?6規(guī)范”采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，以可靠指標(biāo)β度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，并采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)?！?008規(guī)范”則在規(guī)定的材料強(qiáng)度和荷載取值條件下，采用多系數(shù)分析基礎(chǔ)上以安全系數(shù)K表達(dá)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

水工建筑物對(duì)結(jié)構(gòu)安全級(jí)別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)，不同的安全級(jí)別，所要求的目標(biāo)可靠指標(biāo)也不同，為反映這些要求，要在計(jì)算出的荷載效應(yīng)上乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。“2008規(guī)范”和“96規(guī)范”相比較，對(duì)于結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅲ級(jí)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，做了調(diào)整，主要因?yàn)镚B50010-2002中Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)指使用年限＜5年的臨時(shí)性房屋，而水工規(guī)范Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)并不是臨時(shí)性建筑物，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252-2000指的是裝機(jī)容量50MW以下的水電站廠房、0.1億m3庫(kù)容水庫(kù)等的4、5級(jí)永久建筑物，因此“2008規(guī)范”把Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)由原來(lái)的0.9提高到0.95。

水工建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況分為持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，相應(yīng)有三個(gè)設(shè)計(jì)狀況系數(shù)。“2008規(guī)范”將施工階段的短暫設(shè)計(jì)狀況系數(shù)ψ值提高，與持久設(shè)計(jì)狀況相同，取ψ=1.0。偶然狀況則仍然取ψ=0.85。

結(jié)構(gòu)系數(shù)與“96規(guī)范”相同。

將這些分項(xiàng)系數(shù)具體數(shù)值代入，就得到安全系數(shù)的計(jì)算值。將安全系數(shù)計(jì)算值取整，并考慮該值不能＜1.0，就得到“2008規(guī)范”規(guī)定的承載力安全系數(shù)K?！?008規(guī)范”與“96規(guī)范”相比較，Ⅲ級(jí)相較Ⅰ、Ⅱ安全級(jí)別的結(jié)構(gòu)變化最大；基本組合的短暫設(shè)計(jì)狀況和偶然組合的安全系數(shù)變化比較大些，而基本組合的持久狀況變化較小一些。

（二）荷載效應(yīng)計(jì)算的對(duì)比。“96規(guī)范”對(duì)每一種荷載都給出了不同的分項(xiàng)系數(shù)，而且有些主要的可變荷載（如靜水壓力）的分項(xiàng)系數(shù)定義為1.0，使得荷載計(jì)算比較繁瑣。“2008規(guī)范”規(guī)定荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值S計(jì)算如表1所示。

表1 “96規(guī)范”與“2008規(guī)范”的承載能力計(jì)算表達(dá)式表

（三）材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的對(duì)比

在“2008規(guī)范”中，計(jì)算結(jié)構(gòu)抗力時(shí)采用的材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值有所調(diào)整?；炷恋目箟汉涂估瓘?qiáng)度設(shè)計(jì)值都有些降低，HRB335鋼筋的強(qiáng)度從310N/mm2調(diào)整到300N/mm2，調(diào)整后的數(shù)值都與房建規(guī)范中混凝土和鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的數(shù)值相等。

三、受彎構(gòu)件縱向鋼筋配筋的對(duì)比

對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件正截面承載力計(jì)算，“2008規(guī)范”基本假定沿用了“96規(guī)范”，基本計(jì)算公式相同，適用條件有些改變?！?6規(guī)范”采用ξ≤ξb防止超筋破壞，而“2008規(guī)范”采用公式ξ≤α1ξb。

（一）“96規(guī)范”ξ≤ξb受彎混凝土構(gòu)件梁的最小配筋率，當(dāng)采用I級(jí)鋼筋時(shí)為0.20%，Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)為0.15%。采用“2008規(guī)范”受彎構(gòu)件梁最小配筋率比“96規(guī)范”都有所提高，采用HPB235級(jí)為0.25%，采用HRB335、HRB400級(jí)為0.20%。在工程中按照計(jì)算公式計(jì)算的梁板配筋都要超過(guò)最小配筋率，所以最小配筋率對(duì)受彎構(gòu)件的配筋量的影響較小。

（二）“96規(guī)范”采用ξ≤ξb，作為適筋破壞的控制條件，實(shí)質(zhì)上是允許混凝土受壓區(qū)計(jì)算高度x達(dá)到ξbh0這一臨界值，此時(shí)受彎構(gòu)件將發(fā)生界限破壞，實(shí)際上已是一種無(wú)預(yù)警的脆性破壞，延性差，相應(yīng)的安全度就顯得不足了?！?008規(guī)范”將ξ≤ξb改為ξ≤α1ξb，是為了更有效地防止發(fā)生超筋破壞，保證結(jié)構(gòu)的延性。這就致使“2008規(guī)范”最大配筋率比“96規(guī)范”有所降低，對(duì)于受彎構(gòu)件梁的最大配筋率，“96規(guī)范”采用I級(jí)鋼筋為3.65%，而“2008規(guī)范”采用HPB235為2.96%；“96規(guī)范”采用二級(jí)鋼筋為2.19%，而“2008規(guī)范”采用HRB335為1.85%；“96規(guī)范”采用三級(jí)鋼筋為1.80%，而“2008規(guī)范”采用HRB400為1.46%。最大配筋率平均降低了17.7%，這一點(diǎn)在工程實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)引起足夠重視。

同時(shí)，“2008規(guī)范”將ξ≤ξb改為ξ≤α1ξb，使得相同截面尺寸相同材料的梁采用“2008規(guī)范”計(jì)算的極限承載力為Mu=αfcbh02，要比采用“96規(guī)范”計(jì)算的受彎承載力低，因此，要獲得與“96規(guī)范”相同的承載力，需要增大構(gòu)件的截面尺寸或提高材料強(qiáng)度。

（三）以M/bh02為縱坐標(biāo)，100As/bh0為橫坐標(biāo)按照“2008規(guī)范”HPB235、HRB335、HRB400級(jí)鋼筋及“96規(guī)范”I級(jí)鋼、II級(jí)鋼、III級(jí)鋼計(jì)算，繪出C25混凝土配筋曲線圖，詳見(jiàn)圖1。

圖1 C25混凝土受彎構(gòu)件配筋曲線圖

從圖1可以看出相同截面尺寸相同荷載條件下，采用等級(jí)別鋼筋按“2008規(guī)范”計(jì)算的配筋率要大于“96規(guī)范”計(jì)算的配筋率。而且隨著M/bh02的增大，配筋率的增加幅度增大。由于最大配筋率的降低，當(dāng)配筋率較大時(shí)，采用“96規(guī)范”配置單筋即可，而采用“2008規(guī)范”則需要配置雙筋。

（四）為了更確切地反映混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度對(duì)配筋量的影響，分別計(jì)算在相同尺寸、荷載效應(yīng)的條件下，采用HRB335級(jí)鋼筋不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)受彎構(gòu)件按“2008規(guī)范”配筋率的變化和在相同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，同級(jí)別鋼筋新舊規(guī)范配筋量的比較，詳見(jiàn)表2、表3。

表2 H RB335級(jí)鋼筋“2008規(guī)范”計(jì)算不同混凝土強(qiáng)度受彎構(gòu)件配筋率（%）

由表2可以看出，相同截面、荷載條件下，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，混凝土構(gòu)件的配筋率會(huì)減少。在配筋率相對(duì)較高的情況下，提高混凝土強(qiáng)度，配筋率減少較多；相反，配筋率較低時(shí)提高混凝土強(qiáng)度，配筋率降低的很少。而且，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，減少量越低。配筋率平均減少量為3.4%，說(shuō)明提高混凝土強(qiáng)度對(duì)受彎構(gòu)件正截面承載力的影響效果不明顯。

表3 新舊規(guī)范計(jì)算同級(jí)別鋼筋受彎構(gòu)件配筋率（%）表

由表3可以看出兩版規(guī)范采用相同級(jí)別鋼筋計(jì)算，“2008規(guī)范”得出的配筋率較“96規(guī)范”都有增加，采用HPB235級(jí)時(shí)總的平均增量1.12%，采用HRB335時(shí)為4.23%，采用HRB400時(shí)為0.87%。在截面尺寸、荷載相同的條件下，提高鋼筋級(jí)別可以大大地降低受彎構(gòu)件的配筋量，若選用鋼筋由HPB235級(jí)提高到HRB335級(jí)，配筋率減少30%，若選用鋼筋由HRB335提高到HRB400級(jí)，配筋率減少16.67%。

四、實(shí)例分析

算例：某灌溉渠控制閘（5級(jí)水工建筑物）的閘門啟閉機(jī)的支撐梁，其中一根矩形梁截面尺寸b×h=200mm×400mm，采用C25混凝土和HRB335級(jí)鋼筋，承受荷載有梁自重gk=2.0kN/m、啟閉機(jī)和機(jī)墩重Gk=5.0kN，啟門力Qk=40.0kN，人群荷載qk=1.2kN/m，采用新舊規(guī)范計(jì)算這根梁跨中截面所需鋼筋截面面積，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析表

支撐梁，其中一根矩形梁截面尺寸b×h=200mm×400mm，采用C25混凝土和HRB335級(jí)鋼筋，承受荷載有梁自重gk=2.0kN/m、啟閉機(jī)和機(jī)墩重Gk=5.0kN，啟門力Qk=40.0kN，人群荷載qk=1.2kN/m，采用新舊規(guī)范計(jì)算這根梁跨中截面所需鋼筋截面面積，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

該算例構(gòu)件是Ⅲ級(jí)安全級(jí)別，“96規(guī)范”計(jì)算需要鋼筋截面面積 575.4mm2，配筋率 0.81%，“2008規(guī)范”需要 645mm2，配筋率0.91%；鋼筋面積增加了12.1%，配筋率增加了12.3%。如果是二級(jí)安全級(jí)別，“96規(guī)范”計(jì)算需要鋼筋截面面積644.15mm2，配筋率0.9%，“2008規(guī)范”計(jì)算需要676mm2，配筋率0.95%；鋼筋面積增加了4.94%，配筋率增加了5%。如果是一級(jí)安全級(jí)別，“96規(guī)范”計(jì)算需要鋼筋截面面積727mm2，配筋率1.02%，“2008規(guī)范”計(jì)算需要777mm2，配筋率1.09%；鋼筋面積增加了6.88%，配筋率增加了6.86%。

由此可見(jiàn)，“2008規(guī)范”與“96規(guī)范”相比較，安全系數(shù)提高，使得荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值的數(shù)值變大，尤其是安全等級(jí)是III時(shí)，荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值提高最多，對(duì)配筋量的影響也最大。同時(shí)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的數(shù)值有所降低，使結(jié)構(gòu)抗力有所降低，所需的鋼筋數(shù)量也要多。

五、結(jié)論

一是“2008規(guī)范”最大配筋率比“96規(guī)范”有所降低，平均降低了17.7%。相同截面尺寸、材料的梁采用“2008規(guī)范”計(jì)算的極限承載力要比“96規(guī)范”計(jì)算的低，所以，要獲得與“96規(guī)范”相同的承載力，需要增大構(gòu)件的截面尺寸或提高材料強(qiáng)度。

二是相同截面尺寸、荷載條件下，采用相同級(jí)別鋼筋按“2008規(guī)范”計(jì)算的配筋率要大于“96規(guī)范”計(jì)算的配筋率。提高鋼筋級(jí)別可以大大地降低受彎構(gòu)件的配筋量，若選用鋼筋由HPB235級(jí)提高到HRB335級(jí)，配筋率減少30%，若選用鋼筋由HRB335提高到HRB400級(jí)，配筋率減少16.67%。提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，混凝土構(gòu)件的配筋率會(huì)減少，但減少量不多，配筋率平均減少量為3.4%。

三是“2008規(guī)范”與“96規(guī)范”相比較，安全系數(shù)的提高，這使得荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值的數(shù)值變大，尤其是安全等級(jí)是Ⅲ時(shí)，荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值提高最多，對(duì)配筋量的影響最大。同時(shí)，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的數(shù)值有所降低，使結(jié)構(gòu)抗力有所降低，所需的鋼筋數(shù)量也要多。

[1]趙展，富東兵.新舊規(guī)范計(jì)算鋼筋混凝土受彎構(gòu)件配筋的比較及選用.設(shè)計(jì)研究,2007.01.

張曉燕（1980-），女，山西孝義人，碩士，講師，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)和科研工作。

2011-05-17