中國與新西蘭混凝土規(guī)范梁配筋量對比分析

周誠

摘 要：對中國和新西蘭混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范中的設(shè)計(jì)表達(dá)式、材料特性、荷載組合和承載力計(jì)算表達(dá)式等進(jìn)行了研究，分析比較兩國規(guī)范在設(shè)計(jì)參數(shù)取值和設(shè)計(jì)方法上的不同。進(jìn)行了混凝土簡支梁的算例分析，從而比較中國規(guī)范和新西蘭規(guī)范下梁的計(jì)算配筋量差異。

關(guān)鍵詞：新西蘭規(guī)范；混凝土設(shè)計(jì)；抗彎承載力；抗剪承載力；最小配筋率

Comparison of beam reinforcement between Chinese and New Zealand code

Zhou Cheng

（CCCC-Airport Investigation and Design Institute CO.，LTD.Guangzhou 510230，China）

Abstract：The design expression，material characteristics，load combination and bearing capacity formula between Chinese and New Zealand concrete code have been studied，to compare the difference of design parameter and method.Through the instance of simply supported beam，the discrepancy of beam reinforcement quantity calculated with Chinese and New Zealand code respectively has been compared.

Keyword：New Zealand code；concrete design；calculation of flexural capacity；calculation of shear capacity；minimum reinforcement ratio

1 引言

新西蘭是高度發(fā)達(dá)的國家，其混凝土結(jié)構(gòu)研究一直處于國際領(lǐng)先水平。隨著 “一帶一路”建設(shè)，大洋洲地區(qū)的工程也日趨增多，大洋洲國家在工程建設(shè)中大多直接采用新西蘭規(guī)范。對于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，新西蘭規(guī)范是NZS3101-2006：Concrete Structures Standard，而中國規(guī)范則是GB50010-2010：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。本文以混凝土簡支梁為例，通過兩國規(guī)范中梁的計(jì)算公式和相關(guān)構(gòu)造要求的比較，對比兩國規(guī)范下混凝土梁配筋的差異。

2 設(shè)計(jì)表達(dá)式

中國規(guī)范混凝土設(shè)計(jì)采用承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，其表達(dá)式為：

（1）

式中， 為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，根據(jù)不同安全等級，取值0.9-1.1，地震設(shè)計(jì)狀況下取1.0； 是承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值； 是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。

新西蘭規(guī)范中混凝土的設(shè)計(jì)與中國規(guī)范類似，其表達(dá)式為：

（2）

式中， 為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值， 為承載力折減系數(shù)，對應(yīng)不同內(nèi)力工況有不同的 ； 為內(nèi)力設(shè)計(jì)值。

3 材料特性

中國規(guī)范規(guī)定的混凝土強(qiáng)度等級由立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k確定，共有14個等級，最低強(qiáng)度等級為C15，最高為C80。新西蘭規(guī)范混凝土采用圓柱體抗壓強(qiáng)度特征值fc，最低強(qiáng)度等級為25MPa，最高為100MPa。在常用混凝土強(qiáng)度等級范圍內(nèi)，圓柱體試件抗壓強(qiáng)度fc與立方體試件抗壓強(qiáng)度fcu，k之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可近似按下列公式確定：fc=0.8fcu，k，即將立方體抗壓強(qiáng)度換算成軸心抗壓強(qiáng)度，應(yīng)折減0.8。

對于混凝土抗拉強(qiáng)度ft，中國規(guī)范按下列公式計(jì)算：

（3）

（4）

式中，系數(shù)0.395和指數(shù)0.55為軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的折算關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以后確定； 為混凝土考慮脆性折減系數(shù)。

與中國規(guī)范不同，新西蘭規(guī)范對于混凝土斜截面抗剪強(qiáng)度按下列公式計(jì)算：

（5）

（6）

式中，系數(shù) 與混凝土最大骨料粒徑相關(guān)，通常取1.0；系數(shù) 與構(gòu)件截面高度相關(guān)，當(dāng)滿足最小抗剪鋼筋或截面有效高度小于400mm時取1.0，其余情況可取 ， 為受拉縱筋配筋率。

新西蘭規(guī)范混凝土彈性模量Ec計(jì)算公式如下：

（7）

兩國規(guī)范相對應(yīng)的混凝土強(qiáng)度等級，其彈性模量見表1。

中國規(guī)范常用鋼筋為HPB300、HRB400和HRB500等。新西蘭規(guī)范中鋼筋有250MPa和500MPa兩種，圓鋼為250MPa，帶肋鋼筋為500MPa，按延性等級分為低延性L和普通延性N兩類。

4 荷載組合

中國規(guī)范對于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，荷載效應(yīng)的基本組合表達(dá)式為：

（8）

式中， 為荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值， 為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)， 為可變荷載分項(xiàng)系數(shù)， 為可變荷載組合值系數(shù)。

新西蘭規(guī)范荷載組合的規(guī)定與我國規(guī)范類似，對應(yīng)承載能力極限狀態(tài)，規(guī)定了7種基本組合：[1.35G]，[1.2G + 1.5Q]，[1.2G+1.5ψQ]，[1.2G+W+ψQ]，[0.9G+W]，[G+E+ψQ]，[1.2G+S+ψQ]。

上述式中，G為永久荷載，Q為可變荷載，W為風(fēng)荷載，E為地震荷載，S為雪荷載或地下水壓力或側(cè)土壓力，ψ為組合值系數(shù)。

5 受彎承載力計(jì)算

對于矩形截面構(gòu)件，中國規(guī)范的正截面受彎承載力公式為：

（9）

（10）

式中， 為矩形應(yīng)力圖的受壓區(qū)高區(qū)，尚應(yīng)符合下列條件：

（11）

新西蘭規(guī)范中計(jì)算的基本假定：1）混凝土外邊緣受壓纖維的最大應(yīng)變?yōu)?.003；2）不考慮混凝土抗拉強(qiáng)度；3）混凝土受壓邊緣應(yīng)力 等效分布在高度 的范圍內(nèi)。

（12）

式中， 為彎矩設(shè)計(jì)值， 為受彎承載力折減系數(shù)， 。

系數(shù) 的取值，當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度小于55MPa時取0.85，當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度大于55MPa按下列公式計(jì)算，其值不應(yīng)小于0.75：

（13）

系數(shù) 的取值，當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度小于30MP時取0.85，否則按下列公式計(jì)算，且其值不應(yīng)小于0.65：

（14）

由平衡條件，受壓區(qū)高度 的按下式計(jì)算：

（15）

（16）

（17）

上式中，b為梁截面寬度，d為梁截面有效高度，Cb為界限受壓區(qū)高度。

當(dāng) 時，縱向鋼筋可以通過下式計(jì)算：

（18）

6 受剪承載力計(jì)算

當(dāng)僅配置箍筋時，中國規(guī)范的斜截面受剪承載力公式為：

（19）

式中， 為斜截面混凝土受剪承載力系數(shù)，對均布荷載作用下 取值0.70，對集中荷載作用下 取值 ，λ為計(jì)算剪跨比。

新西蘭規(guī)范的斜截面受剪承載力公式為：

（20）

（21）

（22）

式中， 為剪力設(shè)計(jì)值， 為受剪承載力折減系數(shù)取值0.75， 為混凝土核心截面面積， 為抗剪鋼筋面積； 為橫向鋼筋抗拉強(qiáng)度。

7 構(gòu)造要求

中國規(guī)范縱向受力鋼筋的最小配筋率為，箍筋最小配筋率為 。

新西蘭規(guī)范規(guī)定的最小配筋率為 ，箍筋最小配筋率為： 。

8 算例

本文以計(jì)算跨度6米的混凝土簡支梁為例，分別按中國規(guī)范和新西蘭規(guī)范計(jì)算，以對比兩國規(guī)范差異?；炷亮航孛娉叽?50x500，恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值gk=20KN/m，活荷載qk=15KN/m，混凝土強(qiáng)度等級為C30，縱筋采用HRB400，保護(hù)層厚度c=25mm，不配置受壓鋼筋，箍筋采用HPB300。

8.1 縱筋計(jì)算

按中國規(guī)范計(jì)算，fc=14.3MPa，ft=1.43MPa，fy=360MPa，fyv=270MPa，h0=465mm，α1=1.0。M=（rGgk+rQqk）l02/8=202.5KNm，由公式（6）可得x=144mm，x < xb=241mm。由公式（7）可求得縱筋A(yù)s=1430mm2，As>As，min=250mm2。綜上，縱筋按As=1430mm2配置。

按新西蘭規(guī)范計(jì)算，fc=24MPa，fy=400MPa，d=465mm，α1=0.85，d=465mm。M=（1.2gk+1.5qk）l02/8=209.25KNm，由公式（15）求得 ， 。由公式（18）求得縱筋A(yù)s=1518mm2，As>As，min=438mm2。綜上，縱筋按As=1518mm2配置。

由此可以得出，按新西蘭規(guī)范設(shè)計(jì)，縱筋比按中國規(guī)范設(shè)計(jì)多配（1518-1430）/1430=6.15%。

8.2 箍筋計(jì)算

按中國規(guī)范計(jì)算，ft=1.43MPa，fyv=270 MPa，αv=0.7。V=（rGgk+rQqk）l0/2=135KN，由公式（13）可得 。 ，故箍筋應(yīng)按最小配筋率配置，即 。

按新西蘭規(guī)范計(jì)算，fyt=300MPa，V*=（1.2gk+1.5qk）l0/2=139.5kN。由于未配置梁上部筋，在端部 ，由公式（5）、（6）和（21）可知 。由公式（22）可求得 ， ， ，故箍筋按 配置。

由此可以得出，按新西蘭規(guī)范設(shè)計(jì)，箍筋比按中國規(guī)范設(shè)計(jì)多配（1.04-0.32）/0.32=2.25倍。

9 結(jié)論

本文以混凝土簡支梁為例，分別按中國規(guī)范和新西蘭規(guī)范計(jì)算配筋量的差異，得出以下結(jié)論：

（1）中國和新西蘭混凝土規(guī)范的設(shè)計(jì)表達(dá)式基本相同，均采用以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。

（2）在材料性能方面，中國規(guī)范的混凝土和鋼筋均考慮了材料分項(xiàng)系數(shù)；新西蘭規(guī)范針對不同的工況，提出了承載力折減系數(shù) ，其所起作用類似于中國規(guī)范的材料分項(xiàng)系數(shù)，構(gòu)件抗剪計(jì)算時取0.75，抗彎時則取0.85。

（3）構(gòu)件計(jì)算時，中國規(guī)范的混凝土和鋼筋的強(qiáng)度采用了考慮材分項(xiàng)系數(shù)后的設(shè)計(jì)值；新西蘭構(gòu)件計(jì)算時混凝土及鋼筋的材料強(qiáng)度均采用的標(biāo)準(zhǔn)值。

（4）抗彎承載力設(shè)計(jì)時，按新西蘭規(guī)范計(jì)算出的縱筋較大，比中國規(guī)范計(jì)算出的配筋量約多6%左右。

（5）抗剪承載力設(shè)計(jì)時，按新西蘭規(guī)范計(jì)算出的箍筋大約是中國規(guī)范計(jì)算結(jié)果的2.25倍；上述差異的原因是新西蘭規(guī)范考慮混凝土部分抗剪的貢獻(xiàn)較小，在最大剪力處，當(dāng)未設(shè)置縱向受拉筋時，其混凝土的抗剪能力是中國規(guī)范下的33%左右。

（6）對于構(gòu)造配筋要求，中國規(guī)范的縱向鋼筋最小配筋率0.20%，相比新西蘭規(guī)范的0.35%較??；最小配箍率要求，本例中，中國規(guī)范為 ，新西蘭規(guī)范為 ，差別不大。

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（作者單位：中交機(jī)場勘察設(shè)計(jì)院有限公司）