中非規范風速和混凝土抗壓強度設計值的差異

楊紅梅 姚冬林 張 艷

(中國船舶重工集團公司第七○三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

0 引言

隨著全球經濟日新月異地發展，各單位的涉外工程也越來越多。其中，常遇到各國規范的體系差異所致的風速、混凝土抗壓強度等級取值的差異。基本風速是確定設計風壓值的基礎，如果基本風速不正確，或者不考慮混凝土抗壓強度等級因不同國家規范的差異而直接套用，都會導致工程不安全或不經濟。以南非余熱發電項目為例，給出中國、南非規范(以下簡稱中非)風速的換算關系和混凝土抗壓強度等級替代關系。

1 中非風速換算

基本風速是指按規定的地貌、高度、時距等條件下統計的平均最大風速值。通常由以下5個條件確定:

1)標準高度。

由于地表摩擦消耗風能，高度愈高，風速愈大。因高度不同，風速則不一樣，所以在說定義風速時，需以一定的高度作為標準高度。我國GB 50009-2012建筑結構荷載規范取離地面10 m高作為標準高度。

風速受地面粗糙度的影響，地面粗糙度等級越高(例如有密集建筑群且有大量高層建筑的大城市市區)，風速越小。我國荷載規范將地面粗糙度分為A，B，C，D四類，并以B類(田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉鎮和城市郊區)作為標準地貌。

3)平均風速時距。

風速通常是某一規定的時間內的平均風速，而這一規定的時間即為時距。對于風速來說，時距取的越短，則其數值越大。我國荷載規范取10 min作為平均風速的時距。

4)最大風速的樣本。

最大風速可以取日最大風速，月最大風速，年最大風速，用不同的取樣時間，得到的最大風速顯然不一樣。但是目前世界各國都取年最大風速為一樣本。

5)最大風速的重現期。

具體某值的最大風速并不是經常出現，而是間隔若干年才出現一次，這個間隔的若干年就稱為重現期。我國荷載規范對于一般建筑取50年作為重現期。南非SABS 0160荷載規范對于基本風速的定義:2類地區地面以上10 m處測得的年概率為0.02(重現期50年)的3 s時距的平均最大風速[1];我國《建筑結構荷載規范》風速定義為:空曠平坦地面上10 m高度處10 min平均風速觀測數據，經概率統計得出的50年一遇的最大風速[2]。經比較，南非SABS 0160荷載規范和我國荷載規范測量基本風速時，風速定義的5個條件中，測量風速的高度、標準地貌(均代表的是空曠開闊地帶)、最大風速樣本及最大風速的重現期取值相同，而只有測量的風速時距不一樣。我國荷載規范測量基本風速的時距為10 min，而南非SABS 0160規范測量基本風速時距為3 s。所以在利用中國規范編制的計算軟件設計計算涉外工程時，需將設計參數中的風速換算成中國規范定義的基本風速，即將3 s時距的風速換算成10 min時距的風速。不同時距的風速換算可根據Durst報告[3]中不同時距風速的換算關系，見圖1。該曲線縱坐標表示的是t s平均最大風速與1 h平均最大風速之比，橫坐標表示時距t s。

2)底板預應力錨索錨注加固技術。錨索下端采用樹脂錨固劑或水泥漿進行錨固，及時施加預應力；錨索上段采用水泥漿實施帶壓注漿，使漿液擴散到底板深部巖體，增強錨索的錨固性能，提高底板錨固范圍內的圍巖強度。

圖1 不同時距風速的換算關系曲線

由圖1中的換算曲線可得到:

因而可以得到中非風速的換算關系:

2 中非混凝土抗壓強度差異

中國混凝土規范中混凝土強度等級應按立方體抗壓強度標準值確定[4]。立方體抗壓強度標準值(fcu，k)系指按照標準方法制作養護的邊長為150 mm的立方體試件，在28 d齡期用標準試驗方法測得的具有95%保證率的抗壓強度。例如，C30表示立方體抗壓強度標準值fcu，k=30 N/mm2。混凝土軸心抗壓強度標準值fck，混凝土軸心抗壓強度設計值fc應按下列公式計算:

其中，α1為棱柱體強度與立方體強度之比值，對普通混凝土取0.76，對高強混凝土則大于0.76。本規范對 C50及以下取0.76，對 C80 取0.82，中間按線性規律變化;α2為本規范考慮對C40以上混凝土考慮脆性折減系數，對C40取α2=1.0，對于C80取α2=0.87，中間按線性規律變化;0.88為考慮到結構混凝土強度與試件混凝土強度之間的差異而設置的對試件混凝土強度修正系數;γc為材料分項系數，一般取γc=1.4。

對于一般混凝土(C40以下)，混凝土抗壓強度設計值與立方體抗壓強度標準值fcu，k關系如下:

中國規范的混凝土應力應變曲線如圖2所示，C30混凝土設計時允許的軸心抗壓承載力:

南非的混凝土設計規范SABS 0100混凝土軸心抗壓強度也是根據立方體抗壓強度fcu(邊長150 mm的立方體試件，在28 d齡期用標準試驗方法測得不小于95%保證率的抗壓強度[5])來確定的。設計值fc與立方體抗壓強度fcu關系如下:

其中，fcu為混凝土立方體抗壓強度(30 MPa等級的混凝土的立方體抗壓強度fcu=30 MPa);0.67為考慮實驗室中的試件混凝土與現場結構混凝土之間的差異而設的系數;γm為材料分項系數，一般取 γm=1.5。

南非混凝土設計規范[6]所規定的混凝土滿足如圖3所示的應力應變關系，30 MPa等級的混凝土允許的軸心抗壓承載力:

圖2 國內標準混凝土的應力應變關系

圖3 南非標準混凝土的應力應變關系

表1，表2分別列出了中國、南非標準的幾種常用的混凝土抗壓強度設計值。由表1，表2對比分析，顯然，中國標準和南非標準同一立方體抗壓強度下的混凝土抗壓強度設計值是不一樣的，比如中國標準C30混凝土與南非標準30 MPa的混凝土抗壓強度是不相等的，前者是后者的1.07倍，所以在設計時用中國標準C30等級的混凝土，在施工時用南非30 MPa等級的混凝土是不合適的。

表1 中國標準的幾種常用混凝土抗壓強度設計值

表2 南非標準的幾種常用混凝土抗壓強度設計值

3 工程應用實例

以2012年為業主SAMANCOR設計的南非余熱發電工程為例。業主SAMANCOR提供設計參數，其中，最大風速為144 km/h，風速是按南非標準測得的而設計按中國規范設計。所以在設計時，我們需要將按南非標準測量的風速轉換成中國標準的風速，用來計算基本風壓w0輸入到基于中國規范編制的結構計算軟件中;同時兩國之間混凝土抗壓強度等級的規定有差異，且計算時采用中國標準的設計軟件PKPM，所以在出施工圖時，需將國內的混凝土強度等級換成南非標準的混凝土強度等級，如直接套用會使工程結構不安全。

1)風速轉換:

2)混凝土抗壓等級替換。

設計計算時，采用中國標準C35的混凝土，而施工圖中采用南非標準的40 MPa等級的混凝土替代。

參見表1國內標準C35混凝土抗壓強度設計值fc:

南非標準40 MPa混凝土抗壓強度設計值fc:

由此可見，南非標準40 MPa等級的混凝土與中國標準C35混凝土最為接近，且抗壓強度不低于C35混凝土。所以施工時，可以采用南非標準40 MPa等級的混凝土替代我國混凝土規范規定的C35混凝土。

4 結語

因對風速的定義和測量時距的不同，導致了中國、南非在風速上取值不一致，且每個國家的結構計算軟件都是基于本國的設計規范編制的，所以在結構設計時，須輸入符合各國規范規定的設計參數。由上面的工程實例可知，因風速的測量時距不一樣，同一個地方，南非標準的風速是中國標準定義風速的1.42倍。如若我們在做具體的南非工程時，并未將南非業主提供的風速轉換為中國標準規定的風速而直接套用，將造成工程嚴重的浪費。同時，南非和中國規范規定混凝土強度等級也是不一致的，如果直接按照國內計算中采用的混凝土強度等級來施工，會造成工程的不安全。

[1]SABS 0160，The general procedures and loadings to be adopted in the design of buildings[S].

[2]GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S].

[3]ASCE，Standard“Minimum design loads for buildings and other structures”[S].

[4]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[5]SABS test method 863:1994，Compressive strength of hardened concrete[S].

[6]SABS 0100，The structural use of concrete[S].