中美規(guī)范下預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的比較

楊大平

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司廣西南寧市530011）

中美規(guī)范下預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的比較

楊大平

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司廣西南寧市530011）

通過具體案例經(jīng)過材料弧度換算和控制驗(yàn)算指標(biāo)，對(duì)中美規(guī)范下預(yù)應(yīng)力混凝土正截面受彎承載力的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行了比較，使我們大致了解了兩國規(guī)范在設(shè)計(jì)步驟和相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果方面的差異。

中美規(guī)范；預(yù)應(yīng)力混凝土；設(shè)計(jì)方

1　引言

我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最初采用的是前蘇聯(lián)的規(guī)范，幾十年來一直努力不斷改善和修正該規(guī)范，已經(jīng)建成了相當(dāng)可行的規(guī)范，我國本土的規(guī)范與世界發(fā)達(dá)國家的規(guī)范相比，我國的規(guī)范要經(jīng)濟(jì)一些。

2　在中美規(guī)范下預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面受彎承載力的設(shè)計(jì)方法比較

中國現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）一般選擇條件屈服強(qiáng)度作預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力，將正截面受彎的承載力大小和混凝土在受壓區(qū)域的高值建立方程進(jìn)行聯(lián)立求解，最終求出預(yù)應(yīng)力筋的橫截面積，再通過設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力筋求出偏心距，再然后驗(yàn)算正截面抗裂和檢測(cè)施工階段可行性。

美國通用的ACI318-05規(guī)范是先假設(shè)一截面尺寸數(shù)值，計(jì)算需要的預(yù)張力。偏心距和預(yù)應(yīng)力筋的截面積，再驗(yàn)算在各階段期間混凝土應(yīng)力與受彎承載力。中美兩國的規(guī)范在材料強(qiáng)度。材料種類?？沽χ荡笮『徒ㄔ旆椒ǖ确矫娲嬖谳^大的差異，較難進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。

本研究假設(shè)使用相同受荷條件，且具有相同內(nèi)力的預(yù)應(yīng)力梁，以本國的材料強(qiáng)度為規(guī)范，以相應(yīng)規(guī)范規(guī)定的材料強(qiáng)度作為輸入條件對(duì)設(shè)計(jì)正截面下受彎承載力得出的配筋量進(jìn)行對(duì)比。

3　按中國的GS50010-02規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)

3.1計(jì)算的條件

跨中段截面的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，矩形截面的后張預(yù)應(yīng)力簡支梁，恒載所產(chǎn)生的M=422.35kN·m，自重M0=101.251kN·m，活荷載達(dá)到M1=127.2kN·m。規(guī)定混凝土強(qiáng)度為100%時(shí)再進(jìn)行張拉預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力損失ó=308.6N/mm2。

3.2選用的材料

C40型號(hào)的混凝土，F(xiàn)ck=26.8N/mm2；鋼絞線f=1860N/mm2。

3.3預(yù)應(yīng)力筋的計(jì)算與布置

假設(shè)截面300mm×750mm，有效預(yù)應(yīng)力和張拉控制應(yīng)力為1046N/mm2和1395N/mm2，取跨中截面的偏心距c=275mm。截面面積A=2.25×105，W=2.8×107mm4。預(yù)應(yīng)力筋的截面積經(jīng)過計(jì)算為：

選用2×6束φ15.2規(guī)格的鋼絞線，總截面積為12×139= 1668mm2，遵照二次拋物線的形狀進(jìn)行布筋。

按標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造配置非預(yù)應(yīng)力筋，受拉區(qū)5φ2，A=565mm2；受壓區(qū)4φ2，A=452mm2。

3.4正截面抗彎承載力計(jì)算

由公式a1×fc×bx=fy×As-fy′As′+fρyAρ可計(jì)算受壓區(qū)高度，x= 19.1×300x=300×（565-452）+1320×1668=390mm，由公式M=a1×fc× bx可計(jì)算正截面受彎承載力M=19.1× 300×390×（690-0.5×390）+300×452×（690-35）=1195kN·m。

3.5正截面抗裂驗(yàn)算

因?yàn)?5.3>20.2，所以滿足抗裂要求。

3.6施工階段檢驗(yàn)

4　按美國A01318-05規(guī)范驗(yàn)算

4.1材料強(qiáng)度的取值

4.1.1強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值差異

ACI規(guī)范使用的是強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)算方法和中國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也有所差別。

在美國，混凝土規(guī)范使用的圓柱體的強(qiáng)度是其抗壓強(qiáng)度的代表值，混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值相關(guān)的規(guī)定有：三個(gè)繼起的強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果平均值大于等于所需設(shè)計(jì)強(qiáng)度，任意單個(gè)強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果也要大于等于所需設(shè)計(jì)強(qiáng)度數(shù)值500psi（SI制為3.4475MPa）。則平均強(qiáng)度和設(shè)計(jì)強(qiáng)度之間公式為u=f+2.33ó-3.4475。標(biāo)準(zhǔn)值的公式是f=u-2.33ó+3.4475。

中國混凝土規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度保證率為95%，標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)式為Fck=u-1645ó。對(duì)C40混凝土，變異系數(shù)取值設(shè)為0.12，則強(qiáng)度平均值為33.39N/mm2，將其換算為圓柱體強(qiáng)度0.79×33.39= 26.38N/mm2。再將其折算成美國規(guī)范下的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，代入得22.45N/mm2。

4.1.2鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

美國規(guī)范要求測(cè)得的鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值最小值要大于等于所要求的強(qiáng)度值，標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)式為f=u-3.00ó。

在中國，混凝土的規(guī)范規(guī)定鋼筋的強(qiáng)度保證率為95%，標(biāo)準(zhǔn)值公式為Fck=u-1645ó。對(duì)鋼絞線取變異系數(shù)設(shè)為0.08，則強(qiáng)度平均值計(jì)算得2141.87N/mm2，折算成美國規(guī)范下的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值得1627.82N/mm2。

4.2受彎承載力驗(yàn)算

在預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力計(jì)算方面取y值=0.4，B=0.85，p=0.618，則代入數(shù)值計(jì)算得f=1284.5MPa。理論受彎承載力計(jì)算，其中a= 374mm。

M=Af（dP-a/2）=1668×1284.5×（830-374/2）=1377.7kN·m。

受彎設(shè)計(jì)承載力為M=0.90×1377.7=1239.9kN·m，彎矩設(shè)計(jì)值為：M=1.2D+1.6L=1.2×523.6+1.6×127.2=831.84kN·m，因此滿足承載力要求。

5　對(duì)比分析

5.1預(yù)應(yīng)力筋的截面面積比較

通過GB50010-02規(guī)范計(jì)算得到的面積是1558mm2，而AC1318-05計(jì)算出來的面積是l533mm2，因此兩種規(guī)范計(jì)算出來的結(jié)果沒有什么差別。

5.2混凝土截面尺寸比較

GB50010-02事先假設(shè)截面尺寸為300mm×750mm，然后在這個(gè)假設(shè)基礎(chǔ)上驗(yàn)算并布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，然后核算混凝土抗裂要求和進(jìn)行施工階段的驗(yàn)算；ACl318-05是在混凝土容許應(yīng)力的基礎(chǔ)上計(jì)算截面模量，并根據(jù)模量選擇截面尺寸為300mm× 900rnm。由此可知，ACl318-05要求的混凝土截面尺寸比GB50010-02要求的尺寸要大20%左右。

5.3安全儲(chǔ)備比較

GB50010-02彎矩設(shè)計(jì)值是806.4kN·m，正截面的受彎承載力為1194.8kN·m，安全儲(chǔ)備達(dá)到149%；ACl318-05彎矩設(shè)計(jì)值為831.84kN·m，正截面受彎承載力1239.9kN·m，安全儲(chǔ)備為150%，兩者結(jié)果幾乎沒有差異。

5.4驗(yàn)算目的的對(duì)比

GB50010-02規(guī)范是在開裂驗(yàn)算方面對(duì)混凝土應(yīng)力在常規(guī)應(yīng)用階段的檢驗(yàn)，另外按規(guī)定還實(shí)施了施工階段的檢驗(yàn)；ACl318-05是分別驗(yàn)算在應(yīng)力傳遞后即刻的容許壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，還有在全部損失削除后在使用荷載下的容許壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，這兩者檢驗(yàn)的控制指標(biāo)有明顯的差異。

6　結(jié)束語

中美兩國的規(guī)范在材料強(qiáng)度取值和設(shè)置控制目標(biāo)方面有明顯差異，在比較時(shí)要作相應(yīng)的轉(zhuǎn)換才能得出比較真實(shí)的結(jié)果。本文通過算例直觀反映了中美兩國在預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)中的一些差異，上述對(duì)比結(jié)果還與所受荷載情況及材料強(qiáng)度等級(jí)等有關(guān)，實(shí)際工程中應(yīng)具體問題具體分析。

[1]房貞政.預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005，7.

[2]過鎮(zhèn)海，A.H.尼爾遜，著.莊崖屏，方鄂華，等譯.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3]馮星華.預(yù)應(yīng)力混凝土耐久性及其影響因素和技術(shù)措施[J].中國水運(yùn)，2007，5（12）：112～115.

TU318

A

1673-0038（2015）14-0021-02

2015-2-4

楊大平（1979-），男，山東泗水人，工程師，工學(xué)碩士學(xué)位，主要從事工程結(jié)構(gòu)相關(guān)工作。