受彎構(gòu)件正截面設(shè)計行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對比分析

胡珅榕，李予忱，涂 晶

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220）

引言

我國工程建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計工作，在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還要根據(jù)具體行業(yè)領(lǐng)域和工程性質(zhì)的不同而采用不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是必須執(zhí)行相應(yīng)的強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)之間，也往往存在著或大或小的差異，在工程建設(shè)中一些相近行業(yè)的交叉和融合項(xiàng)目越來越多，此時工程人員就面臨著對不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的理解和選擇。以往的研究多著重于我國國家標(biāo)準(zhǔn)與國外標(biāo)準(zhǔn)的對比分析[1-2]，或者我國國家標(biāo)準(zhǔn)的新舊版本之間的對比研究[3]，而對于國內(nèi)的不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之間的對比分析則較少。

本文以鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面設(shè)計為研究對象，對水運(yùn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比和分析，水運(yùn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中主要用到《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS151-2011）[4]（以下簡稱“水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)”），而水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中主要用到《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191-2008）[5]（以下簡稱“水利標(biāo)準(zhǔn)”）。主要從材料指標(biāo)選用、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計、正常使用極限狀態(tài)設(shè)計、其他構(gòu)造要求等方面展開分析，并以某臨海水閘工程為例進(jìn)行計算結(jié)果對比，為類似的行業(yè)交叉領(lǐng)域工程項(xiàng)目設(shè)計提供參考。

1 材料指標(biāo)選用

鋼筋混凝土構(gòu)件涉及的材料主要分為鋼筋和混凝土兩種。對于受彎構(gòu)件計算，主要涉及參數(shù)為材料的強(qiáng)度指標(biāo)和彈性模量。

對于鋼筋的選用，兩個行業(yè)中均常用“三級鋼筋”（熱軋鋼筋HRB400）作為受力鋼筋，其各項(xiàng)指標(biāo)在水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)中保持一致。需要注意的是，工程中用作構(gòu)造鋼筋的“一級鋼筋”，在水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中為熱軋鋼筋HPB300，而在水利標(biāo)準(zhǔn)中為熱軋鋼筋HPB235，前者強(qiáng)度高于后者。

對于混凝土的強(qiáng)度分級和詳細(xì)參數(shù)，兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)保持一致。但是強(qiáng)度等級的選用涉及到構(gòu)件所處的環(huán)境條件，兩種標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定略有不同。水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中分為海水環(huán)境和淡水環(huán)境兩大類，海水環(huán)境中根據(jù)結(jié)構(gòu)所處區(qū)域的波浪掩護(hù)條件、設(shè)計水位、波浪高度等不同而分為大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)；淡水環(huán)境中主要根據(jù)設(shè)計水位分為水上區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)。水利標(biāo)準(zhǔn)中對于海水環(huán)境中有掩護(hù)條件下的分區(qū)與水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)相同，但是并不涉及海水環(huán)境中無掩護(hù)條件下的判別，反而增加了對于室內(nèi)室外的判別、化學(xué)腐蝕性程度的判別等，這與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)。水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)環(huán)境分區(qū)不同直接選擇混凝土強(qiáng)度等級；水利標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)分區(qū)及其他判別條件進(jìn)一步歸類為五個環(huán)境類別，根據(jù)環(huán)境類別選擇混凝土等級。

2 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計

2.1 設(shè)計表達(dá)式

水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中，采用以下表達(dá)式：

γ0為重要性系數(shù)，安全等級一到三級時分別取為1.1、1.0、0.9；Sd為作用效應(yīng)組合的設(shè)計值；R為結(jié)構(gòu)的承載力設(shè)計值。

水利標(biāo)準(zhǔn)中，采用以下表達(dá)式：

為承載力安全系數(shù)，取值如表1 所示；其余參數(shù)與水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)相同（為方便表示，忽略符號差異，下同）。

表1 水利標(biāo)準(zhǔn)承載力安全系數(shù)

顯然，從以上表達(dá)式可以看出，兩種標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)存在明顯差異，水利標(biāo)準(zhǔn)的承載力安全系數(shù) 普遍大于水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的重要性系數(shù)γ0。

2.2 效應(yīng)組合的設(shè)計值

水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中，作用效應(yīng)組合的設(shè)計值按照下式計算：

持久組合：

短暫組合：

γGi為第i個永久作用的分項(xiàng)系數(shù)；SGik為第i個永久作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；γP為預(yù)應(yīng)力的分項(xiàng)系數(shù)；SP為預(yù)應(yīng)力有關(guān)代表值的效應(yīng)；γQ1、γQj分別為主導(dǎo)可變作用和第j個可變作用的分項(xiàng)系數(shù)（短暫組合中則不區(qū)分是否主導(dǎo)，下同）；SQ1、S Qj分別為主導(dǎo)可變作用和第j個可變作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；ψ cj為可變作用的組合系數(shù)，可取0.7，對于有界作用且常以界值出現(xiàn)時，可取1.0。

水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)針對可能涉及的20 種荷載，分別給出了分項(xiàng)系數(shù)的取值，一般介于1.05～1.5 之間，具體設(shè)計過程中只需要查表即可[4]。但是需要注意3點(diǎn)補(bǔ)充說明：當(dāng)永久荷載對結(jié)構(gòu)起有利作用時，其分項(xiàng)系數(shù)不應(yīng)大于1.0；結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備重力、土重等為主時，分項(xiàng)系數(shù)不應(yīng)小于1.3；短暫組合時，荷載分項(xiàng)系數(shù)可減小0.1。

水利標(biāo)準(zhǔn)中，作用效應(yīng)組合的設(shè)計值按照下式計算：

基本組合（當(dāng)永久荷載對結(jié)構(gòu)起不利作用時）：

基本組合（當(dāng)永久荷載對結(jié)構(gòu)起有利作用時）：

短暫組合：

SG1k為自重、設(shè)備等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；SG2k為土壓力、淤沙壓力及圍巖壓力等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；SQ1k為一般可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；SQ2為可控制其不超過規(guī)定界值的可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；SAk為偶然荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)。

水利標(biāo)準(zhǔn)中的上述公式，直接給出了荷載的分項(xiàng)系數(shù)，但對于荷載并未細(xì)化，而是籠統(tǒng)地歸為5類。通過對比，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中的各類荷載分項(xiàng)系數(shù)普遍大于水利標(biāo)準(zhǔn)；而且，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中將可變作用分為主導(dǎo)作用和非主導(dǎo)作用，針對非主導(dǎo)可變作用增加了組合系數(shù)，用于進(jìn)一步細(xì)化荷載的作用情況。

2.3 承載力設(shè)計值

受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力設(shè)計值的計算中，兩種標(biāo)準(zhǔn)從計算原理、基本假定到簡化計算表達(dá)式均基本一致。但是，在水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中，該計算采用的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fc會先乘以系數(shù)α1。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級不大于C50 時，該系數(shù)取1.0；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C80 時，該系數(shù)取0.94；在C50 至C80 之間，按照線性內(nèi)插計算。因此，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中增加的這個系數(shù)主要針對C50以上的高強(qiáng)度混凝土。由水利標(biāo)準(zhǔn)的條文說明[5]可知，其計算公式適用于混凝土強(qiáng)度等級不超過C60 的構(gòu)件。在實(shí)際工程中，普通混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級一般不超過C50，此時水運(yùn)、水利兩種標(biāo)準(zhǔn)的計算并無區(qū)別。

2.4 超筋破壞的判別

水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)均通過混凝土受壓區(qū)高度 來判斷是否會達(dá)到超筋破壞，但是后者更嚴(yán)格一些。在水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中，混凝土受壓區(qū)高度須滿足x≤ξbh0（ξb為相對界限受壓區(qū)高度，h0為截面有效高度），這與我國其他類似標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定相同；而在水利標(biāo)準(zhǔn)中，須滿足x≤ 0. 85ξbh0，比水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)增加了一個系數(shù)0.85，這是為了更有效地避免超筋破壞的發(fā)生，這一改動對于普通構(gòu)件無影響，只有針對因截面尺寸受限而須配置受壓鋼筋的雙筋梁板構(gòu)件，會導(dǎo)致用鋼量增加約0.7%[5]。

3 正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計

3.1 設(shè)計表達(dá)式

水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)中，正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計表達(dá)式相同，均為下式：

Sd為作用效應(yīng)組合的設(shè)計值；C為正常使用要求所規(guī)定的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力或裂縫寬度等限值。

但在兩種標(biāo)準(zhǔn)中，效應(yīng)組合設(shè)計值及正常使用限值的規(guī)定有所不同。

3.2 效應(yīng)組合的設(shè)計值

水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中，按照不同的設(shè)計要求，作用效應(yīng)組合的設(shè)計值分為4 種情況計算：持久狀況標(biāo)準(zhǔn)組合、持久狀況頻遇組合、持久狀況準(zhǔn)永久組合、短暫狀況。其中，可變作用的組合系數(shù)、頻遇值系數(shù)、準(zhǔn)永久系數(shù)，可分別取0.7、0.7、0.6，對于經(jīng)常以界值出現(xiàn)的有界作用，組合系數(shù)和準(zhǔn)永久系數(shù)可取1.0。

而對于水利標(biāo)準(zhǔn)而言，正常使用極限狀態(tài)均按照作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計算。

3.3 裂縫寬度計算公式

對于普通的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計主要是裂縫寬度的驗(yàn)算。對于水運(yùn)、水利兩種標(biāo)準(zhǔn)，其裂縫寬度的計算原理基本相同，但是公式擬合的具體形式及參數(shù)設(shè)置略有不同。

水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中，對于截面形狀為矩形、T 形、倒T 形和圓形的構(gòu)件，其最大裂縫寬度計算公式如下：

α1為反映構(gòu)件受力特征的系數(shù)，受彎取1.0，大偏心受壓取0.95，偏心受拉取1.1，軸心受拉取1.2；α2為反映鋼筋表面形狀的系數(shù)，光面鋼筋取1.4，帶肋鋼筋取1.0；α3為反映效應(yīng)組合情況的系數(shù)，考慮準(zhǔn)永久組合或重復(fù)荷載影響時取1.5，考慮短暫狀況時取1.0～1.2，而施工期可取1.0；σ S為縱向受拉鋼筋的應(yīng)力；ES為鋼筋彈性模量；c為最外排縱向受拉鋼筋的保護(hù)層厚度，當(dāng)c大于50 mm時取50 mm；d為鋼筋直徑；ρ te為縱向受拉鋼筋的有效配筋率，當(dāng)ρte小于0.01 時取0.01，當(dāng)其大于0.1 時取0.1。

水利標(biāo)準(zhǔn)中，對于截面形狀為矩形、T 形、倒T 形的構(gòu)件，其最大裂縫寬度計算公式如下：

α為反映構(gòu)件受力特征和荷載長期作用的綜合影響系數(shù)，受彎或偏心受壓取2.1，偏心受拉取2.4，軸心受拉取2.7；c為最外排縱向受拉鋼筋的保護(hù)層厚度，當(dāng)c大于65 mm 時取65 mm；ρte為縱向受拉鋼筋的有效配筋率，當(dāng)ρte小于0.03 時取0.03；其余參數(shù)與水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)相同。

對比兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可知，主要存在4 點(diǎn)不同。首先，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的裂縫寬度一般采用作用的準(zhǔn)永久組合進(jìn)行計算，而水利標(biāo)準(zhǔn)則采用了作用的標(biāo)準(zhǔn)組合。其次，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)在系數(shù)設(shè)置上針對采用光面鋼筋或者某些荷載的短暫組合等情況分別直接給出系數(shù)加以處理，考慮更為細(xì)化；而水利標(biāo)準(zhǔn)針對類似情況，則是在備注或者條文說明中給出了類似的解釋和處理。另外，在保護(hù)層厚度和有效配筋率的限值上，兩種標(biāo)準(zhǔn)略有不同，這與不同行業(yè)的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。比如，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)裂縫計算時的保護(hù)層厚度最大值取50 mm，小于水利標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值65 mm，直接影響裂縫計算結(jié)果。最后，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)增加了圓形截面的計算方法，適用范圍更廣。

3.4 最大裂縫寬度的限值

水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)針對最大裂縫寬度均有明確限值，取值相近，但是判別標(biāo)準(zhǔn)稍有不同。與混凝土強(qiáng)度等級的選擇類似，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中最大裂縫寬度限值由構(gòu)件所處位置的環(huán)境分區(qū)決定，對于普通鋼筋混凝土構(gòu)件，介于0.2～0.4 mm；而水利標(biāo)準(zhǔn)中則取決于構(gòu)件所處位置的環(huán)境類別，對于普通鋼筋混凝土構(gòu)件，介于0.15～0.4 mm。兩種標(biāo)準(zhǔn)的具體對比如下所示：

表2 水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)最大裂縫寬度限值規(guī)定

表3 水利標(biāo)準(zhǔn)最大裂縫寬度限值規(guī)定

4 其他構(gòu)造規(guī)定

4.1 縱向受力鋼筋最小配筋率的限值

水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中，普通鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的縱向受力鋼筋最小配筋率采用“雙控”方式，采用0.2 %和（4 5ft/fy）%中的較大值，其中ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

水利標(biāo)準(zhǔn)中，縱向受力鋼筋最小配筋率采用“單控”方式，但是針對不同鋼筋種類和構(gòu)件類別，給出了不同限值。例如，普通鋼筋混凝土構(gòu)件的受力鋼筋采用HRB400，針對HRB400 鋼筋，受彎構(gòu)件為梁時最小配筋率取0.2 %，受彎構(gòu)件為板時取0.15 %。

對比兩種標(biāo)準(zhǔn)，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，而且考慮了混凝土和鋼筋的材料強(qiáng)度的影響；而水利標(biāo)準(zhǔn)則對構(gòu)件類型的考慮更為全面。

4.2 受力鋼筋的混凝土保護(hù)層最小厚度的限值

水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)針對受力鋼筋的混凝土保護(hù)層最小厚度也均有明確限值，取值相近，但判別標(biāo)準(zhǔn)稍有不同。與混凝土強(qiáng)度等級的選擇以及最大裂縫寬度限值的確定相似，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)中保護(hù)層最小厚度由構(gòu)件所處位置的環(huán)境分區(qū)決定，與構(gòu)件類型無關(guān)；而水利標(biāo)準(zhǔn)中不僅取決于構(gòu)件所處位置的環(huán)境類別，另外還根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，針對構(gòu)件類型進(jìn)行細(xì)分，同等條件下保護(hù)層最小厚度限值：板、墻<梁、柱、墩<截面厚度不小于2.5 m 的底板、墩墻。

5 算 例

中國北方某水閘工程，與某海堤相銜接。其閘室為開敞式，分2 孔過流。閘室于閘墩中間分縫，兩側(cè)對稱，單孔兩側(cè)閘墩的中心距為23.85 m。閘室底板采用整體式，厚2.2 m。閘室基礎(chǔ)為混凝土灌注樁，垂直水流方向間距3.15 m 均布8 根，順?biāo)鞣较蜷g距3 m 均布。

分別采用水運(yùn)、水利標(biāo)準(zhǔn)，針對閘室底板進(jìn)行正截面設(shè)計計算。該底板所受荷載有：自重、樁基支撐力、施工均載、水重、揚(yáng)壓力。具體設(shè)計工況及其對應(yīng)的外力標(biāo)準(zhǔn)值由整體穩(wěn)定性計算得出，共分為36 種工況，本文直接取用其作為底板計算的設(shè)計條件?？紤]閘室底板可簡化為兩端固定的單向板，因此取沿閘室橫斷面方向的一條混凝土“板帶”進(jìn)行計算，寬度3 m，長度取為兩側(cè)閘墩的中心距23.85 m。底板下部樁基支撐力均簡化為集中力，施加到該梁上；其余荷載均取3 m 寬參與計算。簡化計算簡圖如下所示。

圖1 算例計算簡圖

結(jié)合兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的判定及工程需要，兩種計算中，該底板均采用C35 混凝土和HRB400 鋼筋進(jìn)行正截面設(shè)計；結(jié)合工程實(shí)際情況，上層鋼筋實(shí)際保護(hù)層取65 mm，下層鋼筋實(shí)際保護(hù)層取130 mm；上層混凝土裂縫寬度限值0.2 mm，下層混凝土裂縫寬度限值0.25 mm。分為4 個部位進(jìn)行配筋計算，兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果分別匯總?cè)缦隆?/p>

表4 水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果（γ0=1.1）

表5 水利標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果（K-.1.4）

在本算例中，由上表可以看出：

1）滿足承載力的最小配筋面積，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)普遍大于水利標(biāo)準(zhǔn)，其原因主要有兩點(diǎn)。其一，兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的效應(yīng)組合中，系數(shù)取值不同，導(dǎo)致在多種荷載同時施加時的總荷載分布不同，且不同部位的差異有大有小；其二，兩種標(biāo)準(zhǔn)考慮的重要性系數(shù)/安全系數(shù)取值不同，導(dǎo)致最終參與配筋的效應(yīng)設(shè)計值不同。

2）水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的最小配筋率大于水利標(biāo)準(zhǔn)，因此構(gòu)造性要求更為嚴(yán)格。

3）水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的計算裂縫寬度普遍稍大于水利標(biāo)準(zhǔn)，但是差異較小。差異原因在于計算公式及其參數(shù)取值的差異。

6 結(jié)語

1）研究結(jié)論：

①不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均基于國家標(biāo)準(zhǔn)，并針對本行業(yè)的具體情況提出更詳細(xì)的規(guī)定，其各自側(cè)重點(diǎn)有所不同。

②通過對比分析，在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面設(shè)計的全流程中，水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)和水利標(biāo)準(zhǔn)在材料選用、構(gòu)造性要求、效應(yīng)組合設(shè)計值計算、承載力計算、裂縫寬度計算等步驟中各自考慮的安全度不同，而最終的計算結(jié)果是全流程的安全度的綜合體現(xiàn)。

③在同一套設(shè)計計算中，應(yīng)該全流程均采用同一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，切勿在不同步驟混用不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2）其他類似工程可借鑒的經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計建議：

對于工程建設(shè)中相近行業(yè)的交叉和融合項(xiàng)目，比如臨海交叉地帶水利設(shè)施工程，涉及水運(yùn)、水利兩種不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建議針對不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均進(jìn)行完整的計算復(fù)核，從而能夠綜合考慮兩個行業(yè)的工程經(jīng)驗(yàn)。