中國混凝土結構設計方法

劉文勝

中國建筑科學研究院建筑結構研究所《鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》管理組組織全國有關高等院校、科研、設計、施工單位，針對當時規(guī)范存在的問題和工程建設中存在的帶有普遍意義的新技術、新材料、新結構問題，有計劃地開展了三批鋼筋混凝土結構設計規(guī)范課題的研究。對研究成果進行了分級鑒定和審議，出版了《鋼筋混凝土結構研究報告選集》，一些研究成果同時發(fā)表在國內的相關刊物上。通過這三批課題的研究，獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)和理論成果，為規(guī)范的修訂提供了依據(jù)。《混凝土結構設計規(guī)范》（GBJ10一89）于1989年頒布。修訂主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1.結構可靠度設計體系

美國、加拿大、英國、德國、澳大利亞等國家在這方面做了很多工作，經(jīng)過大量的荷載調查、材料性能實測和理論研究，我國于1984年頒布了《建筑結構設計統(tǒng)一標準》（GBJ68—84）。所以，修訂組在《統(tǒng)一標準》規(guī)定的分項系數(shù)設計表達式的基礎上，在荷載分項系數(shù)、荷載組合系數(shù)已由《建筑結構荷載規(guī)范》規(guī)定的前提下，根據(jù)《統(tǒng)一標準》對各類構件可靠指標的要求，首先對軸心受拉構件進行可靠度分析，確定鋼材強度分項系數(shù)，然后對軸心受壓構件按已知作可靠度分析，再確定混凝土強度分項系數(shù)。最后，在鋼材強度分項系數(shù)和混凝土強度分項系數(shù)都確定的情況下，分析計算公式的不定性，確定構件承載力計算公式中的系數(shù)，從而建立了GBJ10一89規(guī)范的可靠度設計體系。

2.正截面承載力計算

TJ10一74規(guī)范的受彎和受壓（包括大小偏心受壓）承載力計算公式基本是根據(jù)對試驗結果的分析建立的。對于復雜的情況（如腹部配筋、雙向受彎、雙向受壓及任意截面），則不能外推。GBJ10一89規(guī)范通過引入平截面假定，并給出理想化的鋼筋和混凝土的應力一應變曲線，對常遇的截面形狀和配筋形式給出了簡化的實用計算公式，給出了按平截面假定確定的受彎構件超筋界限和大、小偏心受壓界限條件。引入平截面假定使鋼筋混凝土構件正截面承載力的計算建立在科學的體系之上。

此外，GBJ10一89規(guī)范以截面極限曲率為基礎修改了TJ10一74規(guī)范中長柱偏心距增大系數(shù)的計算方法；增加了考慮配置高強鋼絲類的預應力混凝土受彎構件中，鋼絲應力進入強化段后對正截面承載力提高作用的計算公式，從而可以節(jié)約鋼材。

3.受剪承載力計算

TJ10一74規(guī)范的受剪承載力計算只適用于無軸向力的情況，對于工程中實際存在的大量偏心受壓、偏心受拉構件的受剪承載力則無法計算，而預應力混凝土構件中預應力對受剪承載力的有利作用也不能考慮。GBJ10一89規(guī)范包括了軸向壓力、軸向拉力、預應力作用下的受剪承載力計算，填補了這方面的空白。

4.受扭及彎剪扭承載力計算

GBJ10一89規(guī)范以變角空間桁架的概念為基礎，適當考慮混凝土的抗扭作用，建立了受扭承載力計算公式。TJ10一74規(guī)范的受扭承載力計算只適用于鋼筋混凝土矩形截面構件，GBJ10—89規(guī)范擴展到預應力混凝土構件、I形、T形截面構件，提出了I形、T形截面分塊計算的原則和方法。

TJ10一74規(guī)范只有純扭構件承載力的計算方法，沒有復雜受力情況下構件承載力的計算方法。對工程上經(jīng)常遇到的受彎剪扭共同作用的構件，GBJ10一89規(guī)范給出了考慮剪扭之間相關關系的計算方法。對剪扭構件的受剪承載力及受扭承載力分別引入承載力降低系數(shù)，以考慮扭矩使混凝土受剪承載力的降低，以及剪力使混凝土受扭承載力的降低。

5.沖切和局部受壓

TJ10一74規(guī)范沖切承載力的計算過于保守，GBJ10—89規(guī)范將沖切計算的系數(shù)調低約10%。增加了配置箍筋或彎起鋼筋板的沖切承載力的計算方法。

對于局部受壓，修改了混凝土底面積的計算方法。GBJ10一89規(guī)范采用“同心對稱”的原則，要求計算底面積與局壓面積具有相同的重心位置且對稱，因此，當構件處于邊部或角部局部受壓時，局部受壓處的混凝土強度不再提高。

6.預應力混凝土

建立了預應力鋼筋合力點處混凝土法向應力為零時預應力鋼筋應力及相應合力 的概念，從而使預應力混凝土和鋼筋混凝土結構計算協(xié)調起來。將預應力混凝土和鋼筋混凝土結構的計算放在同一個公式中，增加了預應力混凝土構件受扭計算和裂縫寬度眼神的內容，改進了受剪計算和剛度驗算方法。調整了預應力損失值，提高了高強鋼絲的張拉控制應力允許值。在預應力混凝土構件的疲勞計算方面也作了較大修改。

7.正常使用極限狀態(tài)

對于嚴格要求不出現(xiàn)裂縫的構件，給出了在荷載短期效應組合下不出現(xiàn)拉應力的驗算公式；對一般要求不出現(xiàn)裂縫的構件，給出了在荷載長期效應組合下不出現(xiàn)拉應力、在短期效應組合下出現(xiàn)拉應力但不超過允許值的驗算公式。

對預應力混凝土構件的受拉鋼筋建立了“等效應力”的概念，等效應力與計算鋼筋混凝土構件裂縫寬度時受拉鋼筋的應力等效，即將預應力鋼筋的等效應力代人鋼筋混凝土構件裂縫寬度的計算公式，即可計算預應力混凝土構件的裂縫寬度。

8.構件

對于柱的計算長度，除單層廠房外，TJ10—74規(guī)范實際上僅對無側移框架作出了規(guī)定。GBJ10-89規(guī)范分無側移、有側移但有較少約束、有側移且基本上無側向約束三種情況分別規(guī)定了柱的計算長度。

TJ10—74規(guī)范對疊合構件的規(guī)定過于簡單，不能滿足設計需要，GBJ10一89規(guī)范作了修訂。在受彎承載力方面，根據(jù)疊合構件受拉鋼筋應力超前現(xiàn)象，規(guī)定了控制條件，以防止受拉鋼筋在使用階段達到屈服強度；在受剪承載力方面，給出了疊合面受剪承載力公式，當配箍率低時，斜截面受剪控制箍筋用量，當配箍率高時，疊合面受剪控制箍筋用量；在正常使用極限狀態(tài)方面，根據(jù)疊合構件分兩個階段受力的特點，給出了剛度和裂縫寬度計算公式。

TJ10一74規(guī)范沒有深梁設計的條文，而鑒于工業(yè)建筑、高層、地下建筑等結構中深梁的應用越來越廣泛，GBJ10一89規(guī)范根據(jù)大量的試驗研究，提出了承載力的計算公式和構造措施。

GBJ10—89規(guī)范從預埋件純剪、純彎、純拉時的承載力出發(fā)，認為剪拉線性相關，彎拉線性相關，剪彎半線性相關，給出剪彎拉復合作用下的計算公式，考慮到壓力的有利作用，相應給出剪彎壓的計算公式。

9.結構分析

增加了“結構分析”基本原則的內容，包括對荷載效應最不利組合的要求；結構整體效應分析及特殊受力部位局部分析的要求；計算簡圖的確定原則；結構分析基本條件（力學平衡、變形協(xié)調及材料本構關系）的要求等。提出了線彈性分析方法、考慮塑性內力重分布的分析方法、塑性極限分析方法、非線性分析方法及試驗分析方法等混凝土結構的結構分析方法，并對各種方法的應用條件及計算原則作出了規(guī)定。同時，對結構分析的電算程序提出了要求。給出了混凝土在多軸（二軸、三軸）應力狀態(tài)下的強度破壞準則及混凝土在受拉、受壓狀態(tài)下的本構（應力一應變）關系。

對于混凝土結構和構件的二階效應，規(guī)范只考慮有側移的情況，美國和歐洲規(guī)范按無側移和有側移兩種情況考慮。美國和歐洲規(guī)范規(guī)定可直接通過考慮結構幾何非線性效應的分析方法計算，也可在一階分析的基礎上，考慮彎矩增大系數(shù)近似計算。在彎矩增大系數(shù)法中，我過規(guī)范的計算方法比較簡便，美國和歐洲規(guī)范的計算方法比較復雜，計算中與鋼筋的面積有關。所以按美國和歐洲規(guī)范計算偏心受壓構件的配筋時，要先鑒定鋼筋面積，再驗算承載力。