混凝土結構設計課程教學探討

摘要：針對GB50010—2010《混凝土結構設計規范》修訂的主要技術要點進行探討，通過與GB50010—2002

《混凝土結構設計規范》對比分析，詳細闡述其修訂或刪減的主要依據，并對新版規范的修訂內容作了較為全面的總結，提出混凝土結構設計課程在教學方法上的新要求。

關鍵詞：混凝土結構；教學方法；設計規范；修訂內容；技術要點

中圖分類號：G6420 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）02-0053-05

中國建筑科學領域的工程結構設計規范（或標準）大約每10年修訂一次，2002版《混凝土結構設計規范》^[1]自頒布實施至今已有10余年，尤其是2008年“5.12”汶川地震和2010年“4.14”青海玉樹地震發生之后，2002版規范中關于工程結構設計理論、工程結構構造措施以及工程結構抗震理論存在的不足更加突顯。同時，中國工程結構設計理論研究水平的不斷提高，新材料的不斷出現以及工程經驗的不斷積累，也縮短了工程結構設計規范的修訂周期。2011年7月，正式頒布實施GB50010—2010《混凝土結構設計規范》^[2]。新規范根據多年工程經驗和研究成果，同時考慮與國際其他發達國家混凝土結構設計標準接軌，貫徹國家“四節一環保（節能、節地、節水、節材和環境保護）”政策編制而成。新規范的編制標志著中國混凝土結構的計算理論和設計水平有了新的提高；同時也對高等學校土建類專業學生如何結合新版規范進行快速知識更新，高校教師如何及時改進混凝土結構設計及相關課程教學方法提出了新要求^[3-6]。

一、新版規范關于結構材料強度的修訂

（一）混凝土強度的修訂

新版混凝土結構設計規范刪除了2002版規范4.1.4條中注1和注2的相關規定，即關于受壓構件尺寸效應（現澆鋼筋混凝土軸心受壓及偏心受壓構件，如截面的長邊或直徑小于300 mm，則混凝土的強度設計值應乘以系數0.8）和離心混凝土的有關規定。2002版規范源于前蘇聯規范，最近俄羅斯規范關于此條的規定已被取消，而離心混凝土的強度設計值應按專門的標準取用，不再列

入，故新版混凝土規范將此項內容刪除。另外，新版混凝土規范刪除了2002版規范4.1.6條中關于混凝土軸心抗壓、軸心抗拉疲勞強度設計值，以及當蒸養溫度超過60℃時，計算混凝土強度設計值應提高20%的規定，因為高溫蒸養引起的主要問題是裂縫，而非提高設計強度所能解決。

（二）鋼筋強度的修訂

新版混凝土結構設計規范4.2.2條增加了強度標準值為500 MPa的HRB500、HRBF500級高強鋼筋，并規定其抗拉強度設計值（fy=435MPa）與抗壓強度設計值（f′y=410MPa）分別取不同數值。加入靠控溫軋制而具有一定延性、可焊性、機械連接性能及施工適應性的HRBF系列細晶粒熱軋帶肋鋼筋，限制并準備淘汰強度標準值為335 MPa級熱軋帶肋鋼筋的應用，立即淘汰強度標準值為235 MPa的HPB235級光圓鋼筋的應用，以HPB300級光圓鋼筋取代之。同時，規定了過渡方法，要求在規范的過渡期及對既有結構進行設計時，235 MPa級光圓鋼筋的設計值仍按原規范取值；同時，推廣強度標準值400 MPa、500 MPa級高強鋼筋作為受力的主導鋼筋。對預應力鋼筋，為了補充中強空擋，增加了強度等級為1 960 MPa和大直徑21.6 mm的鋼絞線，補充了預應力螺紋鋼筋及中強鋼絲的有關設計參數，并淘汰了錨固性能差的刻痕鋼絲，刪除了不常用的預應力筋的強度等級和直徑。

二、新版規范關于基本設計規定的修訂

為了進一步完善2002版規范，保證結構的安全，增強結構的整體穩固性，提高混凝土結構抗偶然作用的能力，新版混凝土結構規范設計原則從以構件設計為主擴展到整個結構體系，補充了3.2條“結構方案”和3.6條“結構抗連續倒塌設計原則”，增加了3.7條“既有結構改造設計原則”的規定，指出結構方案設計對建筑物安全性有著決定性影響，鑒于結構防連續倒塌設計的難度和代價較大，一般結構只須進行防連續倒塌的概念設計，以定性設計的方法增強結構的整體穩固性；同時新版規范3.4.4條對構件撓度、裂縫寬度計算采用的荷載組合進行了調整，新增鋼筋混凝土構件采用荷載準永久組合并考慮長期作用的影響，完善了承載能力極限狀態設計內容，增加以構件分項系數進行應力設計等方面的內容。另外，新版混凝土規范3.4.1條第4款及3.4.6條還增加了樓蓋舒適度的要求，并規定樓蓋豎向自振頻率的限值。

三、新版規范關于承載能力極限狀態計算的調整修訂

（一）正截面承載力計算的修訂

新版混凝土結構設計規范對受彎構件正截面承載力的計算未作改動，但對受壓構件正截面承載力的計算改動較大，主要是針對鋼筋混凝土結構中的二階效應問題。2002版混凝土規范在考慮P-δ效應時^[7-8]，對引起結構側移的荷載或作用所產生的一階彎矩Ms和不引起結構側移的荷載產生的一階彎矩Mns不加區別，全部乘以增大系數ηs，即考慮P-δ效應時結構的彎矩為M=（Mns+Ms）ηs。新版混凝土結構設計規范在考慮P-δ效應時，對除排架結構以外的框架結構、剪力墻結構、框架—剪力墻結構及筒體結構只增大引起結構側移的荷載或作用所產生的一階彎矩Ms，不增加不引起結構側移的荷載產生的一階彎矩Mns，即結構中的彎矩為M=Mns+ηsMs。另外，對于P-δ效應，2002版規范通過初始偏心距增大系數η來考慮P-δ效應，而新版混凝土規范6.2.3條規定偏心壓力構件通過調整構件控制截面的彎矩設計值M來考慮P-δ效應（彎矩作用平面內截面對稱的偏心受壓構件，當同一主軸方向的桿端彎矩比不大于0.9且軸壓比不大于0.9，同時構件的長細比滿足的偏心受壓構件時不用考慮P-δ效應），取消了軸向力偏心距增大系數η對二階效應的影響。關于軸向壓力在撓曲桿件中產生的P-δ效應新舊規范具體的變化如表1（以非預應力鋼筋混凝土偏心受壓構件為例）。

（二）斜截面承載力計算的修訂

2002版混凝土結構規范關于受彎構件斜截面承載力計算公式，經過驗證發現：當集中荷載對支座截面或節點邊緣產生的剪力值占總剪力的75%時，分別按均布荷載和集中荷載兩種情況計算的箍筋差異很大，即造成配箍不連續。因此，為了克服上述不足，新版混凝土結構設計規范6.3.4條統一了一般受彎構件與集中荷載作用下梁的斜截面受剪承載力計算公式，并調整了斜截面受剪承載力計算公式中箍筋抗力項的系數，適當增加斜截面受剪承載力的安全儲備，新舊規范關于受彎構件斜截面受剪承載力的計算公式如表2（以非預應力鋼筋混凝土受彎構件為例）。同理，將考慮地震作用的框架梁其斜截面受剪承載力計算公式也作了相應修改。

四、新版規范關于正常使用極限狀態驗算的調整修訂

（一）裂縫控制驗算的修訂

新版混凝土結構設計規范3.4.4條保留了2002版混凝土規范有關裂縫控制等級劃分的規定，但對受力裂縫的控制進行了適當放松（詳見新版混凝土規范第3.4.4及7.1.1條規定）。另外，在進行最大裂縫寬度wmax計算時，新版混凝土規范7.1.2條調整了計算中鋼筋應力σs的計算方法，以及表7.1.2-1中關于鋼筋混凝土受彎、偏心受壓構件受力特征系數αcr的取值，將wmax的公式計算值適當減小。

（二）撓度驗算的修訂

在進行受彎構件撓度驗算時，新版混凝土結構設計規范7.2.2條在受彎構件短期剛度Bs的基礎上，補充提出了考慮荷載準永久組合和荷載標準組合的長期作用對撓度增大的影響，給出了剛度計算公式B=Bs/θ。另外，根據國內研究成果，在預應力混凝土構件短期剛度Bs計算公式的基礎上，采用無粘結預應力筋等效面積折減系數α1，適當調整值ρ，就可將原公式用于無粘結部分預應力混凝土構件的短期剛度計算（詳見新版混凝土規范第7.2.3條規定^[1]）。

五、新版規范關于構造規定的調整修訂

（一）混凝土保護層厚度規定的修訂

新版混凝土結構設計規范8.2.1條調整了鋼筋保護層厚度的規定，從混凝土碳化、脫鈍和鋼筋銹蝕的耐久性角度考慮，不再以縱向受力鋼筋的外緣計算，而以最外層鋼筋（包括箍筋、構造筋、分布筋等）的外緣計算混凝土保護層厚度。修訂后的保護層厚度實際上比原規范的規定有所增加，一般情況下略有增加，而惡劣環境下增加的幅度較大，新舊規范關于混凝土保護層最小厚度c的對比如表3。從表3可以看出，新版規范中關于混凝土保護層的厚度無論從數值上還是具體計算規定上都明顯增大，充分考慮了混凝土結構的耐久性要求，新增設計使用年限100年的結構，其保護層厚度取相應類別使用年限為50年的1.4倍，同時細化環境類別，將原規范中的環境三類細化為三a、三b兩個子類，并進一步加大惡劣環境下混凝土保護層厚度的取值。

（二）關于鋼筋錨固長度規定的修訂

新版混凝土結構設計規范8.3.1條對基本錨固長度的計算公式未作改動，但明確了鋼筋的錨固長度la=ξalab，其中修正系數ξa根據錨固條件取用，同時在計算基本錨固長度lab時，刪除了原規范中錨固性能較差的刻痕鋼絲。由于2002版規范中關于混凝土強度最高等級取C40偏于保守，故新版規范將混凝土最高強度等級提高到C60，以提高錨固的性能。

六、新版規范在混凝土課程教學過程中的新要求

新版混凝土規范自2011年7月頒布實施以來，已經有近一年，而目前中國高校所使用的教材多數是在2002版規范基礎之上編寫而成，如何將教學內容與新規范相結合是目前混凝土任課教師亟待解決的問題，筆者認為在教學的過程中將重點從如下幾個方面入手。

一是，改變以教材為主要參考資料而較少閱讀和學習《規范》的傳統教學方法，提高學生解決結構實際問題的綜合能力。強調實踐性教學環節，包括到施工現場參觀的認識實習、課程設計及綜合技能訓練等。在混凝土結構課程開課前，讓學生對梁、板、柱等常見的混凝土基本構件以及框架結構、剪力墻結構等常見的混凝土結構形式形成初步感性認識，并借以引發和提高學生學習混凝土結構課程的興趣。

二是，改變以往授課過程中只重視單個構件的設計，輕視整體結構設計的教學思想，補充“結構方案”和“結構抗倒塌”設計方面的內容。使學生了解和掌握結構系統概念，了解課程的主要層次關系，從全局把握學習重點，理清學習思路，建立結構整體系統概念，理清各部分之間的關系，為課程學習建立總體框架。

三是，注意新舊規范關于混凝土和鋼筋兩種材料在強度和級別方面的修訂和增補原因。目前，由于規范處于過渡階段，故應重點向學生講明混凝土和鋼筋兩種材料的級別調整和增補原因，糾正以往對鋼筋等級（例如Ⅰ級鋼、Ⅱ級鋼、Ⅲ級鋼等）的提法，而應以規范規定的提法為準，同時提醒學生關于兩種材料強度的調整規定。

四是，關于單個構件承載能力極限狀態中受彎構件斜截面受剪承載力和偏心受壓構件正截面承載力計算新舊規范的對比，以及新規范修改的原因，在授課時引用《規范》中的條文進行講解。這樣可以讓學生在理解課堂教學知識的同時，進一步熟悉《規范》規定的原因以及依據。

五是，注意鋼筋混凝土和預應力混凝土構件在正常使用極限狀態下裂縫寬度和撓度驗算的變動；授課過程中應注重鋼筋混凝土構造和鋼筋混凝土結構構件（如板、梁、柱）有關內容的變化。構造措施是人們在長期實踐經驗基礎上總結而成的，是防止因計算考慮不周全而造成結構構件開裂、破壞，或者是保證結構構件在使用和施工上的需要而采用的，構造措施在混凝土結構設計中非常重要，大多數抗震設計的相關問題都是通過構造措施得以

保證，因此一定要引起足夠重視。

七、結語

混凝土結構是中國工業與民用建筑采用最多的一種結構形式。混凝土結構設計是目前高校土木工程專業非常重要的一門專業課程。新版混凝土規范在高強高性能材料的應用、結構分析內容的擴展以及實現與國際接軌等方面都有了很大進步，同時新規范更加側重房屋、鐵路、公路、港口和水利水電工程混凝土結構共性技術問題設計方法的統一，這與“大土木”專業設置要求和土木工程專業“寬基礎、多出口”的培養目標更加吻合。筆者僅介紹了規范與本科教學有關的主要修訂內容，并以此提出教學新要求，以期拋磚引玉，共同推進混凝土結構設計課程教學的改革。

參考文獻：

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Teaching of concrete structure design course

LI Fengchen1，2， ZHANG Lina1，2， XU Chi2， YI Pinghua1

（ 1.College of Civil Engineering and Architecture， East China Institute of Technology， Nanchang 330013， P. R. China；

2. Fuzhou Institute of Exploring and Architectural Design， Fuzhou 344000， P. R. China）

Abstract：According to the new code for design concrete structures （GB50010-2010）， compared with the old code for design concrete structures （GB50010-2002）， the paper elaborated the main basis for revision， summarized the revision contents of new code comprehensively， and put forward the new requirements of concrete structure design course on the teaching method. Meanwhile the paper offered reference to engineers and technicians in order to help them understand and master the new code.

Keywords：concrete structures； teaching method； design code； revision content； technical point