摘要: 本文從規(guī)范的角度在設計 方法 、材料強度取值、 計算 公式、計算結(jié)果上說明了建筑結(jié)構(gòu)與公路橋涵在混凝土結(jié)構(gòu)設計上的差別。
關鍵詞: 混凝土 結(jié)構(gòu)設計 建筑結(jié)構(gòu) 前 言 1 在設計方法上的差別 在建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)的《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GBJ10-89中(以下簡稱GBJ10-89),采用的是近似概率極限狀態(tài)設計方法。以概率 理論 為基礎,較完整的統(tǒng)計資料為依據(jù),用結(jié)構(gòu)可靠度來衡量結(jié)構(gòu)的可靠性,按可靠度指標來確定荷載分項系數(shù)與材料分項系數(shù),使設計出來的不同結(jié)構(gòu),只要重要性相同,結(jié)構(gòu)的可靠度是相同的。 在公路橋梁專業(yè)的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》TJT023-85中(以下簡稱TJT023-85),采用的是半概率半經(jīng)驗的極限狀態(tài)設計方法。雖然也采用概率理論及結(jié)構(gòu)可靠度理論,但在設計公式中是用三個經(jīng)驗系數(shù)來反映結(jié)構(gòu)的安全性,即荷載安全系數(shù)、材料安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)工作條件系數(shù)。 在設計中,對這種系數(shù)的差別要注意區(qū)別,不能混淆。 2 材料強度取值上的差別 2.1 混凝土的強度 混凝土立方體抗壓強度是混凝土的基本強度指標,是用標準試塊在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護后用標準試驗方法測得的強度指標。兩規(guī)范中所采用的試塊尺寸是不同的。GBJ10-89中采用150mm立方體試塊,TJT023-85中用200mm的立方體試塊。GBJ10-89中,根據(jù)測得的具有95%保證率的立方體抗壓極限值來確定混凝土的強度等級,一共分為十級,即C10,C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C60。 TJT023-85中,根據(jù)測得到具有84.13%保證率的立方體抗壓極限值來確定混凝土的強度等級,用混凝土標號表示,一共分為七級,即15號、20號、25號、30號、40號、50號、60號。由于所采用的試塊尺寸不同,兩規(guī)范中相同數(shù)值等級的混凝土強度值是不同的,GBJ10-89的值大。如C15混凝土與15號混凝土,盡管都表示強度等級為15Mpa的混凝土,但實際強度C15混凝土比15號混凝土大;炷翉姸热≈挡煌,這一點在設計中是要注意的。 2.2 鋼筋的強度 兩規(guī)范中,鋼筋的標準強度取值是一樣的,都采用鋼材的廢品限制值作為取值依據(jù)。但鋼筋的設計強度取值不一樣,GBJ10-89中以標準強度值除以材料分項系數(shù)作為取值依據(jù),而TJT023-85中設計強度取值與標準強度取值是一樣的。這樣,相同的鋼筋等級,TJT023-85中鋼筋的設計強度取值大。 3 荷載取值的差別 兩規(guī)范中荷載分類與取值都有明確的規(guī)定,不容易混淆。在荷載效應組合中有一點差別,應注意。GBJ10-89中,荷載效應組合時,既有荷載分項系數(shù),又有荷載組合系數(shù),要區(qū)別開來。TJT023-85中只有荷載分項系數(shù)。 4 構(gòu)件計算的差別 兩規(guī)范中在構(gòu)件計算上,盡管依據(jù)的原理、計算假定、計算模型基本一致,但計算公式、計算結(jié)果是有較大差別的。構(gòu)件計算是關系到設計結(jié)果的最重要的一環(huán),值得重視。限于篇幅,只以正截面受彎和斜截面受剪強度計算為例看計算上的差別。 4.1 正截面受彎強度計算 兩規(guī)范在計算假定上就有差別;炷翗O限壓應變?nèi)≈,TJT023-85中?epsilon;u=0.003GBJ10-89中εu=0.0033。在等效矩形應力圖形中,TJT023-85取γσ=Raβx=0.9x。GBJ10-89中取γσ=1.1fcβx=0.8x。由于εu取值不同,兩規(guī)范中混凝土界限受壓區(qū)高度有些差別。從混凝土極限壓應變、等效矩形應力圖形的差別上可以看出,兩規(guī)范中安全儲備是不同的。TJT023-85的安全儲備大。 下面用算例來說明這一 問題 。 有矩形截面梁,截面尺寸為250mm×500mm20號混凝土,Ⅱ級鋼筋。計算截面處計算彎矩為Mj=15KN.m試進行配筋計算。 4.1.1先按TJT023-85計算。 已知20號混凝土抗壓強度設計值Ra=11MpaII級鋼筋抗拉強度設計值Rg=340Mpa混凝土相對界限受壓區(qū)高度ξjg=0.55,材料安全系數(shù)γc=γs=1.25。 (1)求混凝土受壓區(qū)高度x 先假定鋼筋按一排布置,鋼筋重心到混凝土受拉邊緣的距離a=40mm,則有效高度h0=(500-40)mm=460mm由 得 解得X=133mm<ξjgh0=0.55×460=253mm。 (2)求所需鋼筋數(shù)量Ag,由RgAg=Ra·bx,得 Ag= = =1076mm2 (3)驗算最小配筋率μ= = =1%> μmin= 0.1%,滿足規(guī)范要求。 4.1.2按GBJ10-89計算 C20混凝土,彎曲抗壓強度設計值fcm=11Mpa,鋼筋抗拉強度設計值fy=310Mpa混凝土相對界限受壓區(qū)高度ξb=0.544 (1)求X 有Mj=fcmb ×(h0-)得115×106=11×250×(460- ),解得x=(1-1- )h0 =102.3mm<ξbh0=0.544×460=250.2mm滿足要求 (2)求As由Asfy=fcmbx得As=fcmbx / fy=(11x250 ×102.3)/ 310=907.5mm2>μminbh0=0.15%×250×460=172.5mm2 如果扣除由于20號混凝土與C20混凝土之間強度取值的差別,20號混凝土按GBJ10-89,fcm=11×0.95=10.45MPa則x=(1-1- ) ×460=108.5mm, As=(10.45x250x108.5)/310=914.4mm2 從上述計算中看出,按TJT023-85比按GBJ10-89鋼筋用量多17.7%。4.1.3 受彎構(gòu)件斜截面強度 計算 在斜截面強度計算中,兩規(guī)范都是根據(jù)斜截面發(fā)生剪壓破壞時的受力特征和試驗資料所制定的。但兩規(guī)范在計算公式表述上及計算結(jié)果上都有較大的差別。 TJT023-85中,斜截面強度計算公式為:Qj≤Qu=Qhk+QW,其中Qhk=0.0349bh0(2+p) R μkRgk,Qw=0.06RgwΣAwsinα,式中Qj:根據(jù)荷載組合得出的通過斜截面頂端正截面內(nèi)的最大剪力,即計算剪力,單位為KN;Qhk:混凝土和箍筋的綜合抗剪承載力(KN);Qw:彎起鋼筋承受的剪力(KN);b:通過斜截面受壓區(qū)頂端截面上的腹板厚度(cm);h0:通過斜截面受壓區(qū)頂端截面上的有效高度,自縱向受拉鋼筋合力點至受壓邊緣的距離(cm);μk:箍筋配筋率μk=nk·ak/(b·s);Rgk:箍筋的抗拉設計強度(Mpa),設計時不得采用大于340Mpa:R:混凝土標號(Mpa);p斜截面內(nèi)縱向受拉主筋的配筋率,p=100μ,μ=Ag/bh0當p>3.5時,。穑剑常担唬遥纾鳎簭澠痄摻畹目估O計強度(Mpa);Aw在一個彎起鋼筋平面內(nèi)的彎起鋼筋縱截面面積(cm2);α:彎起鋼筋與構(gòu)件縱向軸線的夾角。 上式中工作條件系數(shù)、安全系數(shù)均已記入。公式的適用條件采用上限值和下限值來保證。上限值要求截面最小尺寸滿足Qj≤0.051Rh0(KN)。滿足下限值,Qj≤0.038R1bh0(KN)可按構(gòu)造要求配置箍筋,式中R1:混凝土抗拉設計強度(Mpa)。GBJ10-89中,斜截面承載力的計算公式為V≤Vu=Vcs+Vsb其中Vcs=0.07fcbh0+1.5fyv(Asv/ S)h0 Vsb=0.8fyAsbsinαs 當為承受集中荷載的矩形獨立梁,Vcs=0.2/(λ+1.5)fcbh0+1.25fyvh0,式中V:構(gòu)件截面上的最大剪力設計值(N);Vcs:混凝土與箍筋的綜合抗剪承載力(N);Vsb:彎起鋼筋所承受的剪力(N);b:矩形截面的寬度,T形截面或I形截面的腹板寬度(mm);h0:通過斜截面受壓區(qū)頂端截面上的有效高度,自縱向受拉鋼筋合力點至受壓邊緣的距離(mm);fc:混凝土的抗壓強度設計值(Mpa);fyv:箍筋的抗拉強度設計值(Mpa);S:沿構(gòu)件長度箍筋間距(mm);fy:彎起鋼筋的抗拉強度設計值(Mpa);Asb:在一個彎起鋼筋平面內(nèi)的彎起鋼筋縱截面面積(mm2);αs:彎起鋼筋與構(gòu)件縱向軸線的夾角。 公式的適用條件也是采用上限值和下限值來保證。上限值要求截面最小尺寸滿足V ≤0.25fcbh0 當為薄腹梁,V≤0.2fcbh0 。滿足下限值V=0.07 fbh0,可按構(gòu)造要求配置箍筋。從上述公式中,可以看出,公式的表達形式不同,各物理量的單位也不同。 下面以實際例子看看計算結(jié)果上的差別。 已知T形截面簡支梁,25號混凝土,縱筋采用II級鋼筋,箍筋采用I級鋼筋,計算截面的計算剪力為416.27KN受拉區(qū)有2Φ32的縱筋,保護層厚30mm。進行腹筋設計。 下表是根據(jù)兩規(guī)范進行的計算比較。 TJT023-85中,對斜截面抗剪計算,要求彎起鋼筋承擔40%的計算剪力,混凝土與箍筋共同承擔60%的計算剪力。另根據(jù)規(guī)范對計算剪力的定義,TJT023-85中的計算剪力與GBJ10-89中的設計剪力是一致的。所以在GBJ10-89計算中,也按4:6比例分擔剪力。 從上表中,明顯看出,TJT023-85比GBJ10-89在斜截面承載力計算中,安全儲備大得多。這與橋涵結(jié)構(gòu)跟建筑結(jié)構(gòu)所處環(huán)境,所受荷載不同有關系。 目前 ,兩專業(yè)在混凝土規(guī)范上沒有統(tǒng)一,設計和施工時應注意,不能隨意互換。另外,兩規(guī)范在構(gòu)造上也有差別,需注意。