中非規(guī)范風(fēng)速和混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的差異

楊紅梅 姚冬林 張 艷

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所無(wú)錫分部，江蘇 無(wú)錫 214151)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)日新月異地發(fā)展，各單位的涉外工程也越來(lái)越多。其中，常遇到各國(guó)規(guī)范的體系差異所致的風(fēng)速、混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)取值的差異?；撅L(fēng)速是確定設(shè)計(jì)風(fēng)壓值的基礎(chǔ)，如果基本風(fēng)速不正確，或者不考慮混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)因不同國(guó)家規(guī)范的差異而直接套用，都會(huì)導(dǎo)致工程不安全或不經(jīng)濟(jì)。以南非余熱發(fā)電項(xiàng)目為例，給出中國(guó)、南非規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱中非)風(fēng)速的換算關(guān)系和混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)替代關(guān)系。

1 中非風(fēng)速換算

基本風(fēng)速是指按規(guī)定的地貌、高度、時(shí)距等條件下統(tǒng)計(jì)的平均最大風(fēng)速值。通常由以下5個(gè)條件確定:

1)標(biāo)準(zhǔn)高度。

由于地表摩擦消耗風(fēng)能，高度愈高，風(fēng)速愈大。因高度不同，風(fēng)速則不一樣，所以在說(shuō)定義風(fēng)速時(shí)，需以一定的高度作為標(biāo)準(zhǔn)高度。我國(guó)GB 50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范取離地面10 m高作為標(biāo)準(zhǔn)高度。

風(fēng)速受地面粗糙度的影響，地面粗糙度等級(jí)越高(例如有密集建筑群且有大量高層建筑的大城市市區(qū))，風(fēng)速越小。我國(guó)荷載規(guī)范將地面粗糙度分為A，B，C，D四類，并以B類(田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū))作為標(biāo)準(zhǔn)地貌。

3)平均風(fēng)速時(shí)距。

風(fēng)速通常是某一規(guī)定的時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速，而這一規(guī)定的時(shí)間即為時(shí)距。對(duì)于風(fēng)速來(lái)說(shuō)，時(shí)距取的越短，則其數(shù)值越大。我國(guó)荷載規(guī)范取10 min作為平均風(fēng)速的時(shí)距。

4)最大風(fēng)速的樣本。

最大風(fēng)速可以取日最大風(fēng)速，月最大風(fēng)速，年最大風(fēng)速，用不同的取樣時(shí)間，得到的最大風(fēng)速顯然不一樣。但是目前世界各國(guó)都取年最大風(fēng)速為一樣本。

5)最大風(fēng)速的重現(xiàn)期。

具體某值的最大風(fēng)速并不是經(jīng)常出現(xiàn)，而是間隔若干年才出現(xiàn)一次，這個(gè)間隔的若干年就稱為重現(xiàn)期。我國(guó)荷載規(guī)范對(duì)于一般建筑取50年作為重現(xiàn)期。南非SABS 0160荷載規(guī)范對(duì)于基本風(fēng)速的定義:2類地區(qū)地面以上10 m處測(cè)得的年概率為0.02(重現(xiàn)期50年)的3 s時(shí)距的平均最大風(fēng)速[1];我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)速定義為:空曠平坦地面上10 m高度處10 min平均風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出的50年一遇的最大風(fēng)速[2]。經(jīng)比較，南非SABS 0160荷載規(guī)范和我國(guó)荷載規(guī)范測(cè)量基本風(fēng)速時(shí)，風(fēng)速定義的5個(gè)條件中，測(cè)量風(fēng)速的高度、標(biāo)準(zhǔn)地貌(均代表的是空曠開(kāi)闊地帶)、最大風(fēng)速樣本及最大風(fēng)速的重現(xiàn)期取值相同，而只有測(cè)量的風(fēng)速時(shí)距不一樣。我國(guó)荷載規(guī)范測(cè)量基本風(fēng)速的時(shí)距為10 min，而南非SABS 0160規(guī)范測(cè)量基本風(fēng)速時(shí)距為3 s。所以在利用中國(guó)規(guī)范編制的計(jì)算軟件設(shè)計(jì)計(jì)算涉外工程時(shí)，需將設(shè)計(jì)參數(shù)中的風(fēng)速換算成中國(guó)規(guī)范定義的基本風(fēng)速，即將3 s時(shí)距的風(fēng)速換算成10 min時(shí)距的風(fēng)速。不同時(shí)距的風(fēng)速換算可根據(jù)Durst報(bào)告[3]中不同時(shí)距風(fēng)速的換算關(guān)系，見(jiàn)圖1。該曲線縱坐標(biāo)表示的是t s平均最大風(fēng)速與1 h平均最大風(fēng)速之比，橫坐標(biāo)表示時(shí)距t s。

2)底板預(yù)應(yīng)力錨索錨注加固技術(shù)。錨索下端采用樹(shù)脂錨固劑或水泥漿進(jìn)行錨固，及時(shí)施加預(yù)應(yīng)力；錨索上段采用水泥漿實(shí)施帶壓注漿，使?jié){液擴(kuò)散到底板深部巖體，增強(qiáng)錨索的錨固性能，提高底板錨固范圍內(nèi)的圍巖強(qiáng)度。

圖1 不同時(shí)距風(fēng)速的換算關(guān)系曲線

由圖1中的換算曲線可得到:

因而可以得到中非風(fēng)速的換算關(guān)系:

2 中非混凝土抗壓強(qiáng)度差異

中國(guó)混凝土規(guī)范中混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定[4]。立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(fcu，k)系指按照標(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28 d齡期用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度。例如，C30表示立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k=30 N/mm2。混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc應(yīng)按下列公式計(jì)算:

其中，α1為棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比值，對(duì)普通混凝土取0.76，對(duì)高強(qiáng)混凝土則大于0.76。本規(guī)范對(duì) C50及以下取0.76，對(duì) C80 取0.82，中間按線性規(guī)律變化;α2為本規(guī)范考慮對(duì)C40以上混凝土考慮脆性折減系數(shù)，對(duì)C40取α2=1.0，對(duì)于C80取α2=0.87，中間按線性規(guī)律變化;0.88為考慮到結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度與試件混凝土強(qiáng)度之間的差異而設(shè)置的對(duì)試件混凝土強(qiáng)度修正系數(shù);γc為材料分項(xiàng)系數(shù)，一般取γc=1.4。

對(duì)于一般混凝土(C40以下)，混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k關(guān)系如下:

中國(guó)規(guī)范的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，C30混凝土設(shè)計(jì)時(shí)允許的軸心抗壓承載力:

南非的混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范SABS 0100混凝土軸心抗壓強(qiáng)度也是根據(jù)立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu(邊長(zhǎng)150 mm的立方體試件，在28 d齡期用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得不小于95%保證率的抗壓強(qiáng)度[5])來(lái)確定的。設(shè)計(jì)值fc與立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu關(guān)系如下:

其中，fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(30 MPa等級(jí)的混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu=30 MPa);0.67為考慮實(shí)驗(yàn)室中的試件混凝土與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)混凝土之間的差異而設(shè)的系數(shù);γm為材料分項(xiàng)系數(shù)，一般取 γm=1.5。

南非混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范[6]所規(guī)定的混凝土滿足如圖3所示的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，30 MPa等級(jí)的混凝土允許的軸心抗壓承載力:

圖2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖3 南非標(biāo)準(zhǔn)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

表1，表2分別列出了中國(guó)、南非標(biāo)準(zhǔn)的幾種常用的混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由表1，表2對(duì)比分析，顯然，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和南非標(biāo)準(zhǔn)同一立方體抗壓強(qiáng)度下的混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是不一樣的，比如中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)C30混凝土與南非標(biāo)準(zhǔn)30 MPa的混凝土抗壓強(qiáng)度是不相等的，前者是后者的1.07倍，所以在設(shè)計(jì)時(shí)用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)C30等級(jí)的混凝土，在施工時(shí)用南非30 MPa等級(jí)的混凝土是不合適的。

表1 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的幾種常用混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

表2 南非標(biāo)準(zhǔn)的幾種常用混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

3 工程應(yīng)用實(shí)例

以2012年為業(yè)主SAMANCOR設(shè)計(jì)的南非余熱發(fā)電工程為例。業(yè)主SAMANCOR提供設(shè)計(jì)參數(shù)，其中，最大風(fēng)速為144 km/h，風(fēng)速是按南非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的而設(shè)計(jì)按中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要將按南非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的風(fēng)速轉(zhuǎn)換成中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速，用來(lái)計(jì)算基本風(fēng)壓w0輸入到基于中國(guó)規(guī)范編制的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中;同時(shí)兩國(guó)之間混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)的規(guī)定有差異，且計(jì)算時(shí)采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)軟件PKPM，所以在出施工圖時(shí)，需將國(guó)內(nèi)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)換成南非標(biāo)準(zhǔn)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，如直接套用會(huì)使工程結(jié)構(gòu)不安全。

1)風(fēng)速轉(zhuǎn)換:

2)混凝土抗壓等級(jí)替換。

設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)C35的混凝土，而施工圖中采用南非標(biāo)準(zhǔn)的40 MPa等級(jí)的混凝土替代。

參見(jiàn)表1國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)C35混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc:

南非標(biāo)準(zhǔn)40 MPa混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc:

由此可見(jiàn)，南非標(biāo)準(zhǔn)40 MPa等級(jí)的混凝土與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)C35混凝土最為接近，且抗壓強(qiáng)度不低于C35混凝土。所以施工時(shí)，可以采用南非標(biāo)準(zhǔn)40 MPa等級(jí)的混凝土替代我國(guó)混凝土規(guī)范規(guī)定的C35混凝土。

4 結(jié)語(yǔ)

因?qū)︼L(fēng)速的定義和測(cè)量時(shí)距的不同，導(dǎo)致了中國(guó)、南非在風(fēng)速上取值不一致，且每個(gè)國(guó)家的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件都是基于本國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范編制的，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，須輸入符合各國(guó)規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)參數(shù)。由上面的工程實(shí)例可知，因風(fēng)速的測(cè)量時(shí)距不一樣，同一個(gè)地方，南非標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)定義風(fēng)速的1.42倍。如若我們?cè)谧鼍唧w的南非工程時(shí)，并未將南非業(yè)主提供的風(fēng)速轉(zhuǎn)換為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的風(fēng)速而直接套用，將造成工程嚴(yán)重的浪費(fèi)。同時(shí)，南非和中國(guó)規(guī)范規(guī)定混凝土強(qiáng)度等級(jí)也是不一致的，如果直接按照國(guó)內(nèi)計(jì)算中采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)來(lái)施工，會(huì)造成工程的不安全。

[1]SABS 0160，The general procedures and loadings to be adopted in the design of buildings[S].

[2]GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3]ASCE，Standard“Minimum design loads for buildings and other structures”[S].

[4]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]SABS test method 863:1994，Compressive strength of hardened concrete[S].

[6]SABS 0100，The structural use of concrete[S].