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    中美规范钢筋砼构件配筋比较.pdf

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    中美规范钢筋砼构件配筋比较.pdf

    张维秀等 中美规范钢筋砼构件配筋比较 29 中美规范钢筋砼构件配筋比较 张维秀 张元琦高月秋中国石油集团东北炼化工程公司沈阳110000 孟桂萍华北油田天成实业集团有限公司 任丘062552 摘要 为比较钢筋砼构件采用中美规范设计计算结果,首先取相同的材料按各自的取值方法、试验方法 换算出各自的材料指标,分析比较两本规范在设计参数取值上的不同,推导出中国常用的钢筋和砼按美国规范 取值强度指标的换算公式,计算出中国常用钢筋和砼等级按美国规范取值的的强度指标。再通过两本规范的基 本假定、荷载组合和设计表达式,推导出矩形截面梁的纵筋、箍筋以及大偏压柱纵筋计算公式,分析比较两本 规范在设计方法的区别,最后通过计算实例比较两本规范梁、柱配筋计算结果的差异。 关键词钢筋砼梁钢筋砼柱配筋比较 结构设计是按规范规定进行工作的,结构安 全水平与规范规定密切相关,比较不同国家规范 安全度水平是十分必要又相当复杂的工作。国内 外现行主流钢筋砼设计规范都采用了分项系数设 计方法,但结构安全度水平的高低与荷载和荷载 组合、材料强度保证率、标准试件形状和尺寸、 计算假定和计算简图以及构造要求的不同而存在 较大差异。中美规范均采用以可靠度理论为基础 的极限状态设计法,荷载项均采用规范取值,但 采用的荷载分项系数和组合不同;抗力项中国规 范采用材料强度设计值标准值除以抗力分项系 数计算设计强度,美国规范采用材料强度标准 值计算名义强度后乘以强度折减系数获得设计强 度。作者曾对中美规范材料强度指标进行过换 算,对钢筋砼矩形截面梁纵筋和箍筋采用中美 规范的计算结果进行了详细研究 J,本文是以往 研究结果的总结,同时增加了对大偏压构件配筋 公式的推导和对比,供设计者参考。 1材料强度换算 1.1中国规范强度指标取值 根据中国砼结构设计规范第3节条文说明,砼 抗压强度标准值表达如下 fc0.88 l 吐 1 式中,‘. 为砼抗压强度标准值,N/mm ; 。 为棱 柱体强度与立方体强度之比;Or.。 为砼脆性折减系 数,常用中国砼等级仪。 取值见表1;fu,k为标 准立方体150mm150mm150mm试块抗压强 度标准值,N/mm ,即砼强度等级。 砼抗压强度设计值为 式中, 为砼抗压强度设计值,N/mm ,常见中国 钢筋砼强度等级的 的取值见表1。 表1常用中国砼 。 、 及 取值表 强度等级 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 1.2美国规范材料强度取值及换算 美国材料试验方法ASTM规定,砼试件合格标 准为任意连续3组试件平均值大于设计取值,并且 任一单个试件i贝0试不低于设计强度的3.45N/mm , 张维秀研究员,国家一级注册结构师,注册岩土工程师。1989年毕业于南京水利科学研究院。从事结构设计工作。联系电话 043263959402。 ; 盯 。 C; 叭 鲫 C; 站 ∞ n n n n n ■ 0 n % n n ∞ n L ∞ ■ L ∞ L H ∞ n ∞ n L 9 ∞ 2 n L 7 30 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 具有98%的保证率 。考虑标准试件与中国规范 立方体试件不同,取强度等级比值为0.8计算 。 因此根据美国规范规定并考虑上述系数 厂 11.34 . 0.8 3 -厂 1-2.336 “x0.83.45 I厂 ≤34.54 I厂 12.336 0.8/0.9厂 34.5 5 式中,f 为砼规定的抗压强度,N/ram ; 为砼 试件的平均抗压强度,N/mm ;6。为砼试件轴心 抗压强度变异系数。 f 最终取值为3、4、5的最小值。 美国规范要求钢筋测定的最低值不低于设计 取值,具有99.9%的保证率,其标准值表达式 I厂 13.O XO6, 6 式中,f 为美国规范钢筋抗拉强度标准值,N/ mm ;fv为钢筋抗拉强度平均值,N/ram ;6 为钢 筋抗拉强度变异系数。 中国规范钢筋和砼强度保证率是一致的,即 95%,其标准值公式 . 11.645占 7 11.6456y 8 中国钢筋抗拉强度的变异系数为0.08,中国 砼抗压强度的变异系数见表2 。 表2中国砼的变异系数 1.3 常用钢筋和砼的强度指标换算结果 采用以上算法,对常用的中国砼和钢筋换算 成美国规范的强度指标取值见表3和表4。 表3 常用中国砼按美国规范的抗压强度取值 表4 常用中国钢筋按美国规范的抗拉强度取值 2荷载和荷载组合 2.1中国规范 建筑结构荷载规范规定基本组合效应设计 值为 O_ Sd∑ 5 ∑YQZT“ S* 9 J1 i1 式中,s 为基本组合效应设计值; 为第J个永 久荷载的分项系数,当永久荷载效应对结构不利 时,由可变荷载效应控制的组合 1.2,南永久 荷载效应控制的组合 。1.35; 为第i个可变 荷载分项系数。一般情况下 。i1.4,对标准值大 于4kN/m 的活荷载 oi1.3; 为第i个可变荷 载考虑设计使用年限的调整系数;S .为第j个永 久荷载的荷载效应值;S 为第i个可变荷载的荷 载效应值; 。i为第i个可变荷载的组合值系数,当 由一个可变荷载 。 起控制作用时, 1.0;m 张维秀等 中关规范钢筋砼构件配筋比较 3l 为永久荷载数;n为可变荷载数。 2.2美国规范 美国规范以规定荷载乘以荷载系数,同时考 虑荷载组合。组合为①1.4D;②1.2D1.6L 0.5Lr;③1.2D1.6Lr1.0L;④1.2D1.6Lr 0.8W;⑤1.2D1.6W1.0L0.5Lr;⑥1.2D 1.0E1.0L;⑦0.9D1.6W;⑧0.9D1.0E。 以上各式中,D为恒载;L为活载;Lr为屋面 载;W为风载;E为地震荷载。 3设计表达式 3.1 中国规范 中国砼结构设计规范规定采用极限状态设计 法,设计表达式 0S≤R , ,0 . 10 式中, 为结构重要性系数;fc、fv为砼轴心抗压 强度、钢筋抗拉强度设计值,N/mm ;a 为几何 参数标准值,mm。 3.2美国规范 美国规范在“抗力”一侧,用各类材料的标 准值计算出的“名义强度”乘以一个各类构件取 值不同的强度降低系数p来获得设计强度。设计 表达式 ≤ 式中,u为需要强度荷载作用效应;p为强度 折减系数考虑材料、延性、构件重要性的系 数。强度折减系数‘p按表5规定取值;R 为结构 抗力标准值。 表5 荷载抗力设计法强度折减系数‘p 4梁纵筋计算公式的推导 4.1中国规范 基本假定①截面应变保持平面;②不考虑 砼的抗拉强度 0;③砼应力图简化原则见 图1砼应力仅 fo分布在p x。x。为按平截面假 定计算出的中和轴高度。 I , 图1 中国规范计算简图 砼强度等级不超过C50时,B 0.8,仅 1.0;砼强度等级为C80时,p 0.74, 0.94, 其间线性内插。 根据以上假定,由力的平衡条件 01 bxfyAs Md bxh0一x/2 MfyA h0一x/2 12 13 14 式中,M为弯矩设计值,kNm;A 为纵向受拉 钢筋截面面积,mm。;X为等效应力图形的换算受 压区高度,mill;h。为截面有效高度,mill。 若将X 。毛为相对受压区高度代人,则 12一14式变为 bsChof,As 15 Md 6 1一Cz 16 M A h。1一 2 17 解之 1一√ 一 2M 18 A 。 1一√1一 ewCobhoIf, 式中,考 为相对界限受压区高度。 4.2美国规范 基本假定①砼最外边缘处受压纤维的最大 应变8 0.003;②不考虑砼的抗拉强度;③砼应 力图简化原则见图2砼应力0.85f1分布在 1X0范围内f 。≤28 MPa时,p10.85;f 28 MPa,每超过7MPa p 减少0.O5且p ≥ 0.65,即 l0.85, 28N/ram2 根据以上假定,由力的平衡条件 一 L广№、 ~引 __ 32 CHE ⅡCAL ENGINEERING DESIGN 08 ’ f,kA 20 M ≤ [0.85t bxh0一x/2] 21 式中,M 为弯矩设计值,kNm;【P为强度折减系 数,由表5,p0.90。 解式20、21得 。一/h2 2Mu 一/h2 M,, 22 A 。.85fcbx/f,。.8 6 一√ 一 23 i l 图2美国规范计算简图 5梁箍筋计算公式的推导 5.1中国规范 根据中国规范第6.3.4条规定,一般仅配箍筋 的矩形砼梁斜截面受剪承载力按下式确定 ≤ sO/ 6。厶等 。24 1.75 、 a 式中,V为剪力设计值,kN;V 为砼和箍筋受剪 承载力设计值,kN;A 为同一截面内箍筋全部面 积,into ;fl为砼轴心抗拉强度设计值,N/ram ; s为箍距,mm; 为箍筋抗拉强度设计值,N/ illm ; 。 为斜截面砼受剪计算系数,对一般受弯 构件, 0.7,对集中荷载梁, 的计算见上述 公式,其中 的取值为入3时 取3;a为集中力至支座距离,mm。 5.2美国规范 根据美国规范第11.1.1条规定 ≤ 26 式中,V 为名义抗剪强度,kN。 根据美国规范第11.3.1.1和1 1.5.7.2条 规定 _o.17 ” A s[ _O.17,/ibh。]/ 28 6柱配筋公式的推导 6.1 中国规范 中国规范柱计算简图见图3。 图3中国规范柱计算简图 为方便起见,本文不考虑偏心增大系数,即 仅考虑大偏心受压短柱。中国规范基本假定在4.1 基础上增加①当截面受压区高度满足X≥2a 时,受压钢筋A 在构件破坏时能达到抗压强度设 计值。②大偏压构件受拉钢筋应力在破坏时达到 抗拉设计强度。 根据力的平衡条件及对受拉钢筋取矩,有以 下表达式 N≤N ol0 bxf A -f.a 29、 Ne1,4bho/f 40 根据美国规范第11.5.6.3条,梁最小配箍率 Pi 0.062 41 箍筋最大间距不大于d/2。 根据ACI 318M一05第10.5.1条,柱纵筋最小 配筋面积 6ho/1,4bho/f 42 34 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2014,241 8算例 8.1梁算例 已知钢筋砼梁计算跨度l。6m,截面尺寸b h250500ram,恒荷载标准值gk20kN/m,活 荷载qk20kN/m,砼采用C25,纵筋采用 HRB335,净保护层厚度c25,不配置受压钢筋, 箍筋采用HPB300,分别用中国规范和美国规范计 算梁纵筋和箍筋。 8.1.1纵筋计算 1中国规范 . 11.9N/ram , 1.27N/mm , 300N/mm , 270N/mm ,h0465mm, 0.55, l1.0, M 1rag roq 1 234 kN。m 代入式18、19 一藤。.卵s 譬 2204 o.45 fj-bh238mm2.0.2%bh250 mIn2 y 由式38得 A max0.4 ,0.2%bh250 mm A A 纵筋按A 2204mm 配置。 2美国规范 M 1.2g 1_6 瑶252 kN 查表3、表4,中国C25砼、HRB335钢筋按 美国规范取值f 20.48N/mm ,f k292.88N/ mm ,代人公式23 A 。.8 厂 6 。一%/ho2 Mu/厂一2513 mm2 由式41 60_449 A 因此按美国规范进行设计,配筋比按中国规 范设计多配筋14%,即251322042204 14%。 8.1.2箍筋计算 1中国规范 270 N/ram。,h0465 lnln,Ot 0.7, 1rcg rQq lo156 kN, 1.27 N/ram 代人公式25 一o-4 9 A /6s0.00170.24f/f, 0.001l 2014,241 张维秀等 中美规范钢筋砼构件配筋比较 35 满足最小配箍率要求,箍筋按A /s0.419配置。 2美国规范 -3 -1.2 1.6qlo168kN 查表4,f 262.05N/ram ,代人公式 28 A,o [ _0.17 。/ 1.1O4 A,o/ 0.00440.0 62 4/[o.oo】】 按A。 /s1.104配置箍筋。 因此按美国规范进行设计,配筋比按中国规 范设计多配筋163%,即1.1040.419 0.419163%。 8.2柱算例 1中国规范 某短柱lo/b0.3h。138ram,按大偏压 计算。 ee‘ h 一o 896 mm 盟1490 mm2 “ , h。一o A p inbh400 mm AJ 笾 3137 mm2/4 ’mm A A 4627 mm , p s % P 3% 2美国规范 查表3,表4,中国C30砼和HRB400钢筋按 美国规范换算的强度指标为f 24.46N/mm。, f k349.7N/mm ,专b0.537。M2301.2 1801.6564kNm.N3501.22501.6 820kN。 688 mm e68825040898 mm 864 2 一 h0一。 一 “ 小 4l33 m 2 A A 4997mm 因此按美国规范进行设计,配筋比按中国规范 设计多配筋8%,即4997462746278%。 9 结语 从整体上说美国的砼结构设计采用的可靠度 表达方式与我国规范有一定的相似之处,但在设 计用荷载和设计用材料强度的取值水准上以及可 靠度的表达方式上与我国规范有不可忽视的区别, 导致最终配筋量和安全度存在较大的差异。通过 中美规范砼和钢筋保证率换算强度指标,从两本 规范各自的基本假定出发,推导出梁纵筋和箍筋 以及大偏压柱纵筋计算公式。对本文给出的算例 而言,按美国规范进行设计梁纵筋将增加14%, 箍筋将增加163%;对大偏压柱而言,按美国规范 进行设计柱纵筋将增加8%。可见,在同样的荷载 和同样的材料用中国规范和美国规范进行设计, 配筋结果差距是很大的,应引起设计人员的重视。 参考文献 1 张维秀等.中美规范钢筋和砼强度指标换算[J].PKPM新 天地,2013,1. 2张维秀等.中美规范钢筋砼梁配筋分析[J].石油化工设 计,2011,282. 3张维秀等.中美规范钢筋砼梁抗剪配筋分析[J] 化工设 计,2012,225. 4张维秀等.中美规范钢筋砼梁纵筋和箍筋对比分析[J]. 石油化工设计,2013,302. 5 GB500102010,砼结构设计规范[s].北京中国建筑 工业出版社,2010. 6 ACI 318M一05Buihting Code Requirements for Structural Con crete and Commentary[s]. American Concrete Institute,2005. 7庄小亭等.中国与美国规范配筋量对比计算[J].四川建 筑科学研究,2006321. 8史志华等.美欧房屋建筑钢筋砼基本构件设计安全度比较 [J],建筑结构,2012,4210. 9同济大学应用数学系.概率统计简明教程,高等教育出版 社,2003年7月. 10 GB 500092012,建筑结构荷载规范[S].北京中国 建筑工业出版社,2012. 收稿日期20130918

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