中美水工设计规范正截面受弯承载力计算对比分析

中美水工设计规范正截面受弯承载力计算对比分析

宿辉1戴雪1，2

宿辉1戴雪1，2

（1.河北工程大学,河北邯郸056021;2.黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003）

【摘要】本文结合某国外水利水电工程项目，按照计算过程，从内力、基本假设、计算简图及基本公式、判别条件几方面分析中美水工钢筋混凝土设计规范在单筋矩形截面构件正截面受弯承载力计算的差别，总结中美规范的异同之处，加深广大水利工程设计人员对美国规范的了解。

【关键词】钢筋混凝土单筋受弯承载力中国规范美国规范

随着经济全球化的进程加快，国际EPC项目在我国对外总承包中所占的份额越来越大，走进国际市场的步伐势不可挡。然而由于国情、文化等的差异，国内外技术规范要求会有所不同，国际工程大多采用的美国规范与我国规范的差别给广大水利工程设计人员带来诸多不便。本文通过对中美两国水工钢筋混凝土规范的比较分析，使广大水利工程设计人员充分了解中美规范的差异，熟悉单筋矩形截面构件正截面受弯承载力的计算，加深对美国规范的认识。

某国外水利水电工程计算条件：结构简化为钢筋混凝土简支梁，截面尺寸（宽×高）300mm×500mm，混凝土强度等级为C30，钢筋采用HRB400，混凝土重力密度为25kN/m3，永久荷载标准值为43kN，可变荷载标准值为3kN/m，计算跨度L=3.1m。

1.内力计算

1.1中国规范[1]

在承载能力极限状态计算中，中国采用不同荷载的标准值乘以相应的荷载分项系数作为荷载效应组合的设计值，结构构件的截面承载力设计值，则是在荷载效应组合设计值的基础上乘以承载力安全系数。

基本组合（当永久荷载对结构起不利作用时）

式中—自重、设备等永久荷载标准值产生的荷载效应；

—土压力、淤沙压力及围岩压力等永久荷载标准值产生的荷载效应；

—一般可变荷载标准值产生的荷载效应；

—可控制其不超出规定限值的可变荷载标准值产生的荷载效应。

1.2美国规范[2]

美国单荷载系数法中，恒载和活载乘以同一荷载系数，截面承载力设计值由荷载效应组合的计算值除以折减系数而得。

式中—水力系数。直接受拉构件取1.65，其它构件取1.3；

—恒载的内力和力矩；

—活载的内力和力矩。

1.3对比分析

内力计算结果见表1所示。

表1内力计算结果对比表

中国规范计算内力时，需要考虑不同的荷载效应组合，不同的荷载效应所对应的系数值不同，所以中国规范的系数比美国规范的多，但总的数值比美国规范的小，致使按美国规范计算的内力比中国规范的大。

2.配筋计算

2.1设计基本假定

由中国规范[1]中6.1.2与美国规范[2]4-1对比分析可得出：基本假定原则是一致的，只是在等效矩形应力区内的应力规定有所不同。中国规范[1]应力取值为混凝土轴心抗压强度，而美国规范[2]规定取0.85倍的混凝土抗压强度的设计值。

2.2计算简图及基本公式

2.2.1中国规范[1]

受弯构件正截面受弯承载力计算是根据构件适筋破坏特征进行的，不考虑受拉区混凝土的作用，受压区混凝土的应力图形采用等效矩形应力图形，应力值达到混凝土的轴心抗压强度设计值，受拉钢筋应力达到其抗拉强度设图1中国规范计算简图

计值。计算简图如图1所示。

根据计算简图和截面内力的平衡条件，在满足承载能力极限状态的计算要求下，基本公式为：

式中—矩形截面宽度，T形、Ι形截面腹板宽度；

—截面受压区计算高度；

—截面有效高度，即受拉钢筋的重心至截面受压边缘的距；

—受拉区纵向非预应力钢筋的截面面积。

2.2.2美国规范[2]

受弯构件强度设计需要满足静力平衡和应变的协调性，即横截面上的压力和拉力之间的平衡，混凝土和钢筋的应力与应变之间的协调。受压区混凝土的应力图形采用等效矩形应力图形，应力值达到混凝土抗压强度的设计值的0.85倍，受图2美国规范计算简图

拉钢筋应力达到其抗拉强度设计值。计算简图如图2所示。

根据计算简图和截面内力的平衡条件，并满足承载能力极限状态的计算要求，基本公式为：

式中—截面受压区计算高度；

—截面有效高度，即受拉钢筋的重心至截面受压边缘的距离。

2.2.3对比分析

两国规范的计算原理都是按照同一截面作用力和弯矩平衡进行计算的，计算简图和基本公式仅在符号表达和物理意义上有差别。

2.3判别条件

中国规范[1]是以界限（或平衡）相对受压区高度为判别条件，为了保证适筋破坏，应满足，。其中为相对界限受压区计算高度，即受拉钢筋屈服和受压区混凝土破坏同时发生时的相对受压区计算高度，为纵向受拉钢筋配筋率，为最小配筋率。美国规范[2]是按构件最外层受拉钢筋净拉应变的大小判别的，具体采用或进行判断。为构件可能具有并满足配筋率限制要求的最小有效度，是构件可能具有并将配筋率保持在规定的限制范围内的最大弯矩。

2.4计算

2.4.1中国规范[1]

计算参数：=14.3N/mm2，=400N/mm2，=300mm，=465mm

规范

计算系数

承载力设计值（kN.m）

中国规范

分项系数

1.05

58.83

分项系数

1.2

分项系数

1.2

分项系数

1.10

安全系数

1.2

美国规范

水力系数

1.3

101.74

荷载系数

1.7

—相对受压区计算高度。

2.4.2美国规范[2]

由于中美两国在钢材和混凝土的品种、强度和最小保护层厚度的取值、单位制式等方面存在差异，在代用美国规范[2]时，需要进行一定单位换算。为了方便比较，仅在数值上换算，参数取值一致。

计算参数：=3.6258ksi,=60ksi,=11.81in，=18.31in，=0.125765

式中—在满足配筋率限制要求条件下应力块体厚度与有效厚度的比值；

—应力块体厚度与有效厚度的比值。

2.4.3计算结果对比

对比计算过程，两国规范对计算过程都进行了简化，避免求解一元二次方程时遇到许多不便。在内力计算时，按美国规范[2]计算的内力比按中国规范[1]的大，配筋量也会有所增加。对比配筋面积结果，配筋量按美国规范[2]比按中国规范[1]增加76.95%，同内力增加的比例相近，由此可证明中美规范的计算原理是一致的。配筋率结果表示，美国规范[2]的最小配筋率远大于中国规范[1]的要求，美国规范中的最小配筋率与混凝土和钢筋等级都有关，中国规范中的最小配筋率仅根据钢筋等级进行选择。

3.结语

1）内力计算时，中国规范所规定的材料强度已经做了折减，而美国规范所规定的材料强度没有折减，但是其材料强度是通过计算值除以折减系数来实现增大截面承载力设计值。

2）中美规范对于单筋矩形截面构件正截面受弯承载力计算的基本假设和计算原理是一致的，基本公式仅在符号表达和物理意义方面有所不同。这充分说明中美两国的理论是相通的。

3）在规范要求方面，美国规范要求的荷载总系数、最小保护层厚度等比中国规范的偏大，承载力的安全储备值偏高。这从一个侧面反映了美国规范的可靠度水平要求较高一些。

参考文献

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