中美規(guī)范混凝土及鋼筋主要力學性能的對比

李淵

（1.山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大學，山西 太原 030024）

中美規(guī)范混凝土及鋼筋主要力學性能的對比

李淵

（1.山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大學，山西 太原 030024）

隨著全球一體化進程的深入以及美國規(guī)范的影響力，美國規(guī)范成為許多國外水利工程項目的選擇。材料的物理力學性能決定著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學性能，材料的合理選擇是進行結(jié)構(gòu)設計的一個重要基礎和前提。本文著重研究中美規(guī)范關(guān)于結(jié)構(gòu)設計常用材料（混凝土、鋼筋）主要力學性能的規(guī)定，并對中美規(guī)范的相關(guān)規(guī)定進行了對比，為我們今后的國內(nèi)外項目水利工程結(jié)構(gòu)設計提供借鑒和參考。

抗壓強度；抗拉強度和抗折強度；屈服強度和抗拉強度

隨著全球一體化進程的深入，中國與國際接軌的步伐越來越快，中國水利工程行業(yè)涉外項目越來越多，進入國際市場的份額也越來越大。由于美國規(guī)范在全球的影響力，許多國外項目都選擇采用美國規(guī)范作為設計標準，因此，非常有必要對美國規(guī)范進行詳盡的學習和研究。

材料是構(gòu)成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最基本元素，材料的主要力學性能決定著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學性能，進而決定結(jié)構(gòu)的力學性能。材料的合理選擇是進行結(jié)構(gòu)設計的一個重要基礎和前提。因此，對結(jié)構(gòu)常用材料的主要力學性能進行研究具有非常重要的意義。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)常用形式，其材料為混凝土和鋼筋。不同國家混凝土及鋼筋材料的組成基本相同，然而其材料力學性能指標試驗方法又各不相同。本文著重研究中美規(guī)范關(guān)于混凝土及鋼筋主要力學性能的規(guī)定，并對中美規(guī)范的相關(guān)力學性能規(guī)定進行了對比，為我們今后的國內(nèi)外水利工程項目結(jié)構(gòu)設計提供借鑒和參考。

1 混凝土

1.1 抗壓強度

1.1.1 中國規(guī)范

中國規(guī)范GB50010-2010規(guī)定，混凝土強度等級應按立方體抗壓強度標準值確定。立方體抗壓強度標準值（fcu,k）系指按標準方法制作、養(yǎng)護的邊長為150 mm的立方體試件，在28d或設計規(guī)定齡期以標準試驗方法測得的具有95%保證率的抗壓強度值。強度等級C40表示：按標準方法制作、養(yǎng)護、試驗的標準混凝土試件具有95%保證率的抗壓強度值為40MPa。

混凝土立方體抗壓強度標準值計算是按混凝土強度總體分布的平均值減去1.645倍標準差的原則確定：

式中：fcm——立方體試件抗壓強度平均值；

δfcu——立方體抗壓強度的變異系數(shù)，一定組數(shù)的混凝土強度計算出的標準差（樣本標準差）除以該批混凝土強度的平均值再乘以100%。不同強度等級對應的變異系數(shù)見表1。

表1 中國規(guī)范混凝土的強度等級和變異系數(shù)

根據(jù)中國規(guī)范（GB50010-2010）條文說明，軸心抗壓強度標準值（fck）與立方體抗壓強度標準值（fcu,k）計算關(guān)系如下：

式中：αc1——棱柱強度與立方強度的比值：C50及以下混凝土取0.76，對C80取0.82，中間線性插值；

αc2——脆性折減系數(shù)：C40取1.0，C80取0.87，中間線性插值，C40以下不考慮。

1.1.2 美國規(guī)范

美國規(guī)范采用圓柱體強度作為設計的主要力學性能指標，設計中采用的規(guī)定強度（f'c）指的是采用直徑150mm，高度為300mm的圓柱體試件養(yǎng)護28d測得的具有91%保證率的抗壓強度。在概念上與中國規(guī)范的強度標準值相近。

表2 軸心抗壓強度標準值（fck）與立方體抗壓強度標準值（fcu，k）

試驗表明，圓柱體強度是立方體抗壓強度的0.8倍，考慮到中美規(guī)范混凝土強度保證率的影響，由此確定出中國規(guī)范的立方體抗壓強度標準值（fcu,k）與美國規(guī)范的混凝土強度（f'c）關(guān)系：

取δfcu=0.12，則：

美國的混凝土強度等級及其與中國規(guī)范混凝土強度的大致對應關(guān)系如表3所示。

表3 中美規(guī)范混凝土強度換算

美國混凝土強度等級分為：3000psi（20.7MPa）、4000psi（27.6MPa）、5000psi（34.5MPa）、6000psi（41.4MPa）等。

1.2 抗拉強度和抗折強度

1.2.1 中國規(guī)范

混凝土抗拉強度用來反映混凝土的抗裂性能。中國規(guī)范用軸心抗拉強度反映混凝土的抗拉強度，作為混凝土設計的力學指標。試驗中采用100mm×100 mm×550mm的棱柱體試件測定混凝土軸心抗拉強度。

抗折強度是混凝土在彎折作用下的強度指標，主要用于鋼筋混凝土構(gòu)件的抗裂驗算。中國規(guī)范采用150mm×150mm×600mm的小梁試件測定抗折強度。

1.2.2 美國規(guī)范

美國采用抗折強度而不直接采用抗拉強度指標進行混凝土受拉計算?？拐蹚姸纫卜Q斷裂模量，試驗中采用圓柱體試件測定混凝土的斷裂模量。

2 鋼筋

2.1 鋼筋牌號和規(guī)格

2.1.1 中國規(guī)范

中國規(guī)范（GB50010-2010）提及的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常用鋼筋有三種：熱軋光圓鋼筋、熱軋帶肋鋼筋和熱軋余熱處理鋼筋。每種鋼筋考慮強度等級（屈服強度特征值）、生產(chǎn)控制狀態(tài)或可焊性等因素把鋼筋分為以下十幾種牌號。

表5 中國規(guī)范混凝土結(jié)構(gòu)采用的鋼筋牌號分類

中國規(guī)范GB50010-2010列出了HPB300、HRB335、HRB400、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500、RRB400共8種牌號供混凝土結(jié)構(gòu)設計進行鋼筋選擇。其中，HPB300的直徑為6～22mm，其他牌號的直徑為6～50mm。

2.1.2 美國規(guī)范

美國規(guī)范ASTMA615/A615M-2013根據(jù)屈服強度對變形和光圓碳素鋼筋做了分類，共有四種級別：40級（280MPa）、60級（420MPa）、75級（520MPa）和80級（550MPa）。ASTMA706/A706M-06a根據(jù)屈服強度對低合金變形和光圓鋼筋作了規(guī)定，只有60級（420MPa）一種級別。

美國規(guī)范中，鋼筋的規(guī)格用鋼筋號而不是直徑來表示，一個鋼筋號約為1/8英寸（3.175mm）。共有3、4、5、6、7、8、9、10、11、14、18共11種規(guī)格。

2.2 屈服強度和抗拉強度

2.2.1 中國規(guī)范

對于具有明顯流幅的鋼筋，中國規(guī)范將屈服點對應的強度定義為鋼筋的屈服強度（fy），應力—應變曲線上對應于最大強度的點為極限抗拉強度。對于沒有明顯流幅的鋼筋，取應力—應變曲線上殘余應變的0.2%對應的應力為屈服應力，稱為條件屈服強度，曲線上對應于最大強度的點為極限抗拉強度。一般來說，條件屈服強度約為極限抗拉強度的85%。

2.2.2 美國規(guī)范

美國規(guī)范ASTMA615/A615M-2013和ASTM A706/A706M-06a規(guī)定，當有明顯的屈服點時，變形和光圓鋼筋的屈服強度按屈服應力確定；當沒有明顯屈服點時，采用應力—應變曲線上對應于0.35%應變的點為最小屈服強度。

3 結(jié)論

第一，混凝土抗壓強度。中國規(guī)范規(guī)定混凝土強度等級應按立方體抗壓強度標準值確定，而設計的力學指標則采用棱柱體試件確定的軸心抗壓強度；美國規(guī)范采用圓柱體試件確定的抗壓強度作為設計的主要力學性能指標。

第二，混凝土抗拉強度。中國規(guī)范采用棱柱體試件確定的混凝土抗拉強度作為混凝土設計的力學性能指標；美國規(guī)范則采用抗折強度進行混凝土受拉計算。

第三，鋼筋牌號和規(guī)格。中國規(guī)范按產(chǎn)品名稱+屈服強度特征值確定鋼筋牌號，規(guī)格上采用鋼筋直徑表示；美國規(guī)范鋼筋牌號以鋼筋屈服強度確定，規(guī)格上使用鋼筋號表示。

第四，鋼筋屈服強度和抗拉強度：對于具有明顯流幅的鋼筋，中國規(guī)范將屈服點對應的的強度定義為鋼筋的屈服強度（fy），應力—應變曲線上對應于最大強度的點為極限抗拉強度。對于沒有明顯流幅的鋼筋，取應力—應變曲線上殘余應變的0.2%對應的應力為屈服應力，稱為條件屈服強度，曲線上對應于最大強度的點為極限抗拉強度；美國規(guī)范規(guī)定，當有明顯的屈服點時，鋼筋的屈服強度按屈服應力確定；當沒有明顯屈服點時，采用應力—應變曲線上對應于0.35%應變的點為最小屈服強度。

TU375

C

1004-7042（2017）08-0023-03

李淵（1981-），男，2002年畢業(yè)于太原理工大學建筑工程專業(yè)，工程師。

2017-06-20；

2017-07-28