簡介： 該文從規(guī)范采用的設計準則和混凝土強度保證率入手，分別對SDJ2078和SL/T96兩個水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范有效版本的安全度進行了分析，并以軸心受壓桿件和受彎桿件為例，量化了兩本規(guī)范的安全度對比情況以及對工程量的影響程度。
關鍵字：水工混凝土 設計規(guī)范 安全度 對比
1 問題的提出
在南水北調(diào)中線總干渠水工設計中，先后采用了《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范 SDJ20—78》（簡稱“78規(guī)范”）和《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范 SL/T 191—96》（簡稱“96規(guī)范”），目前這兩本規(guī)范都為有效版本。但在實際工作中發(fā)現(xiàn)，以前用“78規(guī)范”設計的工程，現(xiàn)在用“96規(guī)范”復核,一些指標不滿足要求；相反按“96規(guī)范”設計的工程，再用“78規(guī)范”復核，一些指標也不滿足要求。因此在設計人員的思想上產(chǎn)生了混亂，人們迫切需要弄清兩本規(guī)范的安全度對比情況和對工程量的影響程度。然而，兩本規(guī)范的設計理論不同，不能直接進行比較。為此，筆者結(jié)合實際工作，采用從材料強度、荷載取值、計算公式等方面逐項累計的方式，進行了兩本規(guī)范的安全度對比。
2 混凝土強度對比
在“78規(guī)范”中，混凝土標號試件為邊長200 mm立方體，其強度保證率為90％。在“96規(guī)范”中，混凝土強度等級試件為邊長150 mm的立方體，其強度保證率為95％。
試件尺寸由200 mm立方體改為150mm立方體的尺寸效應影響系數(shù)為0.95，即“96規(guī)范”的混凝土強度等級乘0.95折算為“78規(guī)范”混凝土標號。另外，“96規(guī)范”的混凝土強度等級保證率由95％換算為90％，須乘系數(shù)A：
A= （1－1.270δfcu）/(1－1.645δfcu)
δfcu—混凝土立方體（邊長150 mm）抗壓強度的變異系數(shù)。
為了便于說明問題，將“78規(guī)范”的混凝土標號R200、R250、R300、R400對應于“96規(guī)范”的混凝土強度等級C20、C25、C30、C40，并以“78規(guī)范”為基礎進行比較。經(jīng)過單位換算并計入試件尺寸效應和保證率影響系數(shù)后，“78規(guī)范”和“96規(guī)范”的混凝土強度對比見表1。
3 設計理論及工況參數(shù)對比
3.1 “78規(guī)范”設計理論
“78規(guī)范”采用極限狀態(tài)設計原則，以綜合安全系數(shù)表達式進行設計。強度計算和抗裂驗算設計表達式如下：
KMq≤MP �。◤姸扔嬎銧顟B(tài)）
KfMs≤Mf �。ǹ沽羊炈銧顟B(tài)）
式中：K為強度安全系數(shù)； Mq為使用期內(nèi)構(gòu)件截面可能出現(xiàn)的最大內(nèi)力；MP為相應截面在破壞時所能承擔的最大內(nèi)力；Kf為抗裂安全系數(shù)；Ms為基本荷載作用下構(gòu)件截面可能出現(xiàn)的最大內(nèi)力；Mf為該截面即將開裂時所能承擔的內(nèi)力。
3.2 “96規(guī)范”設計理論
“96規(guī)范”采用概率極限狀態(tài)設計原則，以分項系數(shù)表達式進行設計。強度計算和抗裂驗算設計表達式如下：
γdγ0Ψ（γGSGK＋γQSQK）≤ R (強度計算狀態(tài))
γ0(LGK＋ρLQK)≤αctf tk (抗裂驗算狀態(tài))
式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對于安全等級為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的建筑物分別取1.1，1.0，0.9；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.2；ψ為設計狀況系數(shù)，對于持久、短暫、偶然狀況分別取1.0，0.95，0.9；γG為永久荷載分項系數(shù)，取1.05；γQ為可變荷載分項系數(shù)；SGK為永久荷載標準值的作用效應；SQK為可變荷載標準值的作用效應；R為相應截面在破壞時所能承擔的最大內(nèi)力；LGK永久荷載標準值作用下結(jié)構(gòu)受拉邊緣的拉應力效應；LQK為可變荷載標準值作用下結(jié)構(gòu)受拉邊緣的拉應力效應；ρ為可變荷載標準值的長期組合系數(shù)；αct為混凝土拉應力限制系數(shù)，長期組合取0.7；ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值。
3.3 荷載組合及參數(shù)對比
對于強度計算狀態(tài)，按照《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（DL5077—1997）規(guī)定，持久設計狀況和短暫設計狀況均采用基本荷載組合，偶然設計狀況采用偶然組合。因此可以認為，在強度計算中，“96規(guī)范”的持久設計狀況和短暫設計狀況均對應于“78規(guī)范”的基本荷載組合；“96規(guī)范”的偶然設計狀況對應于“78規(guī)范”的特殊組合。
對于抗裂驗算狀態(tài)，按照《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB50199—94）規(guī)定，一般應按持久設計狀況的長期組合和短期組合設計。因此可以認為，在抗裂驗算中，“96規(guī)范”持久設計狀況的長期組合和短期組合均對應于“78規(guī)范”的基本荷載組合。
對于荷載分項系數(shù)，按照DL5077—1997的規(guī)定，自重永久荷載分項系數(shù)一般采用1.05，靜水壓力可變荷載分項系數(shù)采用1.0。當進行抗裂驗算時，荷載分項系數(shù)均采用1.0。在“78規(guī)范”中，荷載安全系數(shù)未單獨列出，包含在了綜合安全系數(shù)K中。
4 構(gòu)件安全度對比
為了定量比較“78規(guī)范”和“96規(guī)范”的安全度，下面以渡槽為例，就構(gòu)件在基本荷載組合下的強度和抗裂安全度進行比較。
在渡槽工程中，自重和槽內(nèi)靜水壓力是主要荷載，風荷載、人群荷載等其它可變荷載均為次要荷載。因此就安全度對比而言，可僅考慮主要荷載，不計次要荷載。根據(jù)南水北調(diào)中線渡槽設計情況，考慮自重永久荷載占總荷載的1/3，靜水壓力可變荷載占總荷載的2/3。
4.1 軸心受壓構(gòu)件承載能力安全度對比
“78規(guī)范”表達式：KN≤Ra
“96規(guī)范”表達式：1.2×γ0N（1.05×1/3＋1.0×2/3）≤f c
按上述表達式，鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件基本荷載組合情況下的承載能力安全度對比（表2）。
4.2 受彎構(gòu)件承載能力安全度對比
以矩形截面為例，在不計受壓鋼筋情況下：
“78規(guī)范”表達式：KM≤RWbx1(h0－x1/2)
“96規(guī)范”表達式：1.2×γ0M（1.05×1/3＋1.0×2/3）≤ fcbx 2(h0－x2/2)
根據(jù)力的平衡條件,有RWbx1 =f cbx 2， x 2=1.42x1，則
“96規(guī)范”表達式改寫為：1.22γ0M≤f cbx 2(h0－0.71x 1)
由此可以看出，受彎構(gòu)件的安全度不僅與截面尺寸及混凝土強度有關，而且還與混凝土受壓區(qū)高度有關。綜合考慮上述因素后,矩形截面受彎構(gòu)件承載能力安全度對比（表3）。
4.3 受彎構(gòu)件抗裂安全度對比
根據(jù)南水北調(diào)中線總干渠的設計運用原則和DL5077—1997的規(guī)定，渡槽的設計水壓力與永久荷載組合為長期組合，長期組合系數(shù)ρ取1.0。于是有下述受彎構(gòu)件抗裂驗算表達式。
“78規(guī)范”表達式：KfM≤γRfW0
“96規(guī)范”表達式：γ0M≤0.7γf tk W0
按上述表達式，長期荷載組合效應下的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件抗裂安全度對比（表4）。
5 結(jié) 論
（1）從設計理念方面來看，“96規(guī)范”比“78規(guī)范”更具有科學性和條理性。
（2）從混凝土設計強度取值方面來看，“96規(guī)范”的保證率為98.93％～99.99％，“78規(guī)范”為97.72％。因此，“96規(guī)范”的混凝土設計強度具有更高的可靠性，而且可靠性與混凝土強度等級成正比。
（3）從構(gòu)件強度計算方面來看，對于承受靜水壓力為主的軸心受壓及小偏心受壓構(gòu)件，“96規(guī)范”的綜合安全度比“78規(guī)范”低10％左右；對于受彎及大偏心受壓構(gòu)件，“96規(guī)范”的綜合安全度比“78規(guī)范”低5％～15％左右，降低幅度與受壓區(qū)高度成反比。因此，以強度為控制條件的軸心受壓及小偏心受壓構(gòu)件，采用“96規(guī)范”比“78規(guī)范”可減少混凝土用量約10％；受彎及大偏心受壓構(gòu)件可減少混凝土用量5％～15％。
（4）從構(gòu)件抗裂驗算方面來看，對于1級建筑物長期荷載組合情況下的受彎構(gòu)件，“96規(guī)范”的正截面抗裂綜合安全度比“78規(guī)范”高42％。因此，以抗裂為控制條件的受彎構(gòu)件，進行構(gòu)件截面抵抗矩換算后，采用“96規(guī)范”比“78規(guī)范”增加混凝土用量19％。
（5）從抗裂驗算范圍方面來看，“96規(guī)范”僅對承受水壓的軸心受拉和小偏心受拉構(gòu)件以及發(fā)生裂縫后會引起嚴重滲漏的其它構(gòu)件（如渡槽槽身等）提出抗裂要求，其余構(gòu)件都可按裂縫寬度控制。因此，“96規(guī)范”的驗算范圍比“78規(guī)范”小得多。但由于“96規(guī)范”要求的抗裂安全度比“78規(guī)范”高得多，因此從經(jīng)濟方面考慮，對于有抗裂要求的構(gòu)件，最好采用預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
The Safety Comparison Between Edition SDJ2078 and SL/T96 of Design Code for Hydraulic Concrete Structures
LI Juxing
(The Second Design and Research Institute of Water Conservancyand Hydropower of Hebei Province,Shijiazhuang,050021 China )
Abstract: Based on design criteria and concrete bearing capacity , the paper analyzed the safety of edition SDJ2078 and SL/T96 of design code for hydraulic concrete structure.Using the vertical load in shaft centre and shaft curve with load as examples, the paper took a investment between two editiaons.
Keyword: hydraulic concrete structure; design code; safety comparison
作者簡介：李聚興(1952)，男，河北省水利水電第二勘測設計研究院南水北調(diào)中線工程設計總工程師。
