混凝土規(guī)范變革對老舊管涵安全性評估影響分析*

徐震 楊青坡 徐春蕾 施琦

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092）

引言

目前，我國很多鋼筋混凝土管涵結(jié)構(gòu)已進(jìn)入或接近設(shè)計(jì)年限中期，由于運(yùn)行工況較為惡劣，一些管涵（尤其是特大箱涵）內(nèi)壁和頂板內(nèi)側(cè)已出現(xiàn)混凝土腐蝕、鋼筋銹斷的結(jié)構(gòu)性損傷的問題，一些區(qū)段發(fā)生過坍塌，管道本身安全隱患突出。因此，有必要對原有特大排水管涵展開結(jié)構(gòu)安全性評估。

從20世紀(jì)70年代至今，《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》主要經(jīng)歷了TJ 10－74（以下簡稱74版）、GBJ 10－89（以下簡稱89版）及GB 50010－2010（以下簡稱10版）三個(gè)版本。不同年代的管涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循不同時(shí)期的規(guī)范。

部分管涵建成年代久遠(yuǎn)，其建成過程按照老標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，老規(guī)范設(shè)計(jì)方法、計(jì)算系數(shù)、材料等均不同于現(xiàn)行規(guī)范?？傮w而言，設(shè)計(jì)要求低于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，直接采用現(xiàn)行規(guī)范去分析老舊排水箱涵承載力會得出不適當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。因此有必要分析規(guī)范修訂對管涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

1 規(guī)范設(shè)計(jì)方法變化對比

在《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJ 10－74）中，采用單一安全系數(shù)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的諸因素取為定值，用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)判定的安全系數(shù)來考慮設(shè)計(jì)諸因素變異的影響。該法設(shè)計(jì)簡單，但不能從定量上度量結(jié)構(gòu)的可靠度，更不能使各類結(jié)構(gòu)的可靠度達(dá)到同一水準(zhǔn)。

按照《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ 68－84）的規(guī)定，自《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 10－89）開始，之后的各版本混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范開始采用了以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以可靠度指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 計(jì)算內(nèi)容（公式）的變化比較

2.1 正截面受彎承載力計(jì)算

對于鋼筋混凝土構(gòu)件正截面受彎承載力的計(jì)算，10版規(guī)范基本假定及計(jì)算公式基本沿用了89版規(guī)范，主要變化有：

（1）混凝土采用軸心抗壓強(qiáng)度fc，而89版規(guī)范采用彎曲抗壓強(qiáng)度fcm，強(qiáng)度降低約10%［1］；

（2）增加了有關(guān)高強(qiáng)混凝土材料計(jì)算的規(guī)定，受壓區(qū)混凝土應(yīng)力采用等效的矩形應(yīng)力圖時(shí)，受壓區(qū)高度與中和軸高度的比值取為β1（β1＝0.74～0.80），應(yīng)力值取 α1fc（α1＝1.0～0.94），89版規(guī)范和應(yīng)力值分別取定值0.8和定值

10版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和74版的差異主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）89版和10版正截面受彎承載力計(jì)算過程中減去了預(yù)應(yīng)力筋的作用，即（σ′p0－f′py）A′p（h0－a′p）；

（2）89版和10版的受彎承載力公式中的M都是彎矩設(shè)計(jì)值，在荷載組合過程中已經(jīng)考慮了分項(xiàng)系數(shù)，而74版的彎矩值為標(biāo)準(zhǔn)值，還需乘以安全系數(shù)K。

2.2 正截面受壓承載力計(jì)算

對于鋼筋混凝土構(gòu)件正截面受壓承載力的計(jì)算，10版規(guī)范基本沿用89版規(guī)范，主要變化是軸心受壓構(gòu)件抗力乘上了折減系數(shù)0.9，而與74版規(guī)范的差異和正截面受彎承載力計(jì)算的差異一樣，74版規(guī)范需乘以安全系數(shù)K。

在10版混凝土規(guī)范中，偏心受壓構(gòu)件附加偏心距ea取值為20mm和偏心方向截面最大尺寸的1／30兩者中的較大值，即最小附加偏心ea＝20mm；在89版混凝土規(guī)范中，當(dāng)e0≥0.3h0時(shí)取 ea＝0［1］。

3 材料（參數(shù)、構(gòu)造要求）的演變分析

3.1 混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

對比三版混凝土規(guī)范中的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，在74版中單位為kg／cm2，89版后開始使用N／mm2。74版規(guī)范混凝土標(biāo)號為75～600對應(yīng)89版規(guī)范混凝土強(qiáng)度等級為C7.5～C60（見表1），在10版混凝土規(guī)范中，取消了C7.5和C10級的混凝土，增加了 C65、C70、C75、C80級。原因是低強(qiáng)度混凝土目前在建設(shè)工程中已很少應(yīng)用；水泥強(qiáng)度等級提高以后，太低強(qiáng)度等級混凝土的配置也比較困難；此外，低強(qiáng)度本身相對成本高，也不經(jīng)濟(jì)。取消了74版及89版規(guī)范的彎曲抗壓強(qiáng)度fcm＝1.1fc，而以軸心抗壓強(qiáng)度α1fc代替fcm。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級≤C50時(shí)，α1＝1.0；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C80時(shí)，α1＝0.94；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級C50～C80時(shí)，按線性內(nèi)插法確定其值［2］。

表1 不同規(guī)范混凝土強(qiáng)度種類對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Different specifications of concrete strength

對比三版規(guī)范混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，由圖1可知，相同強(qiáng)度等級的混凝土，74版規(guī)范的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值比10版混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值大20%左右；而89版規(guī)范的值與10版較為接近，差值在－4%～5%。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級不過超C50時(shí)，89版混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值大于10版混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，當(dāng)大于C50時(shí)，其值小于10版規(guī)范設(shè)計(jì)值。

圖1 不同規(guī)范混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對比Fig.1 Comparison of design values of concrete axial compression stregth

對比三版規(guī)范混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，由圖2可知，相同強(qiáng)度等級的混凝土，74版規(guī)范的混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值比10版混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值大15%～30%，強(qiáng)度等級越高兩者差值越大；89版規(guī)范的值與10版較為接近，差值在－1%～7%?；炷翉?qiáng)度等級為C15時(shí)，89版混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值小于10版混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，其余強(qiáng)度等級的混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值都是89版規(guī)范相對較大。

圖2 不同規(guī)范混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對比Fig.2 Comparison of design values of concrete axial tensile strength

3.2 鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

舊規(guī)范中使用鋼筋等級較低造成配筋率增加，不僅經(jīng)濟(jì)效益降低，還造成配筋密集難以設(shè)計(jì)、施工的困難；10版混凝土規(guī)范以HRB400為主導(dǎo)鋼筋，以HRB335為輔助鋼筋。

對比三版混凝土規(guī)范鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，由圖3、圖4可知，74版規(guī)范除了Ⅳ級鋼筋，其他鋼筋抗拉及抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值整體偏大。10版混凝土規(guī)范Ⅰ級鋼筋的抗拉及抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值相比舊規(guī)范較大，其原因是在10版規(guī)范中，以300MPa級光圓鋼筋取代了235MPa級鋼筋作為Ⅰ級鋼筋。

圖3不同規(guī)范鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對比Fig.3 Comparison of design values of steel bars tensile strength

圖4 不同規(guī)范鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對比Fig.4 Comparison of design values of steel bars compression strength

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求

在10版混凝土規(guī)范中，對于鋼筋保護(hù)層厚度是指最外層鋼筋（包括箍筋）外邊緣至混凝土表面的距離。而舊規(guī)范對于保護(hù)層厚度的定義是受力鋼筋外邊緣至混凝土表面的距離。

三版規(guī)范中，混凝土保護(hù)層最小厚度的確定主要與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的類型（梁、柱，板、墻、殼）、所處環(huán)境類別、所采用的混凝土強(qiáng)度等級有關(guān)。在10版混凝土規(guī)范中，根據(jù)結(jié)構(gòu)所處耐久性環(huán)境類別的劃分，將不同環(huán)境下的混凝土保護(hù)層厚度數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。對一般情況下混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度稍有增加，而對惡劣環(huán)境下的保護(hù)層厚度增幅較大。

在74及89版規(guī)范中，縱向受力鋼筋的最小配筋百分率與構(gòu)件受力形式及混凝土強(qiáng)度等級有關(guān)。相同受力形式下，74版規(guī)范根據(jù)混凝土標(biāo)號，區(qū)分為200號及以下、250～400、500～600三種情況，在89版規(guī)范中，將混凝土強(qiáng)度等級區(qū)分為C35以下和C40～C60。而在10版混凝土規(guī)范中，縱向受力鋼筋的最小配筋率主要與構(gòu)件的受力形式有關(guān)，僅當(dāng)構(gòu)件為受壓構(gòu)件時(shí)，最小配筋率才與鋼筋強(qiáng)度等級相關(guān)。

4 實(shí)際工程計(jì)算分析

分別采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010－2010）、《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJ 10－74）分析某實(shí)際箱涵工程（建于20世紀(jì)70年代）在實(shí)際配筋量的情況下結(jié)構(gòu)承載能力的差異。

計(jì)算模型頂部覆土1.2m，外包尺寸（寬×高）為3.2m×2.6m，內(nèi)凈尺寸（寬×高）為2.7m×2.1m，頂板及側(cè)壁設(shè)計(jì)厚度250mm。其計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 荷載組合值情況下彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）Fig.5 Envelope diagram of bendingmoment under load combination（unit：kN·m）

根據(jù)實(shí)際配筋（原設(shè)計(jì)圖紙中的底板下部配筋為φ14／12＠100），分析結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)（最大允許裂縫0.200mm）下，三版規(guī)范計(jì)算的承載余量見表2。其中荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果為39.64kN·m?；炷量沽褟?qiáng)度設(shè)計(jì)值Rf（原材料參數(shù)（74版規(guī)范）：C25為1.9N／mm2；新材料參數(shù)（10版規(guī)范）：C25為1.78N／mm2）；鋼筋彈性模量及表面特征系數(shù)（B鋼均為2×105N／mm2、0.7）。

表2 不同計(jì)算公式＋材料參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of different formules and material parameters

通過以上計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）對比計(jì)算方法1（74版規(guī)范計(jì)算公式＋原材料參數(shù)）與計(jì)算方法2（10版規(guī)范計(jì)算公式＋原材料參數(shù)）在正常使用極限狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果，荷載余量相差2.82%，可以看出計(jì)算公式的差別對荷載余量的影響較大；

（2）對比計(jì)算方法2（10版規(guī)范計(jì)算公式＋原材料參數(shù)）與計(jì)算方法3（10版規(guī)范計(jì)算公式＋新材料參數(shù)）在正常使用極限狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果，荷載余量相差1.65%，說明材料參數(shù)的修改的差別對荷載余量的影響較??；

（3）在相同條件下，10版規(guī)范允許荷載余量更小，更趨于安全。

5 結(jié)語

對《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJ 10－74）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 10－89）及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010－2010）三本規(guī)范在計(jì)算方法、材料參數(shù)、構(gòu)造要求和實(shí)際工程中計(jì)算等方面進(jìn)行對比分析，主要有以下結(jié)論：

1.三版規(guī)范的承載能力極限狀態(tài)計(jì)算公式與正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算公式都有不同程度的變化；

2.三版規(guī)范在各自定義的材料設(shè)計(jì)參數(shù)方面也有所變化，新規(guī)范降低了設(shè)計(jì)參數(shù)；

3.三版規(guī)范對于結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求有所變化，新規(guī)范對不同的構(gòu)件情況分類更為細(xì)致。新規(guī)范對保護(hù)層最小厚度根據(jù)構(gòu)件的類型以及所處的環(huán)境分類更詳盡。

4.通過實(shí)際工程算例進(jìn)行分析不同規(guī)范正常使用狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果，得出10版規(guī)范材料抗力指標(biāo)取值較低，安全度更高。

［1］金新陽.新舊規(guī)范計(jì)算鋼筋混凝土構(gòu)件配筋的比較［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2004，34（1）：39－42

［2］張濟(jì)梅，國新.混凝土結(jié)構(gòu)新舊規(guī)范對比［J］.呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，14（5）：104－107

［3］TJ10－74鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1974

［4］GBJ 10－89混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989

［5］GB 50010－2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002