中美混凝土規(guī)范受彎構件正截面強度計算及其可靠性對比

易 達，唐 濤，翁怡軍(西南交通大學, 四川成都 610031)

中美混凝土規(guī)范受彎構件正截面強度計算及其可靠性對比

易 達，唐 濤，翁怡軍
(西南交通大學, 四川成都 610031)

文章通過算例對比中國GB50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》[1]與美國ACI318-08《Building Code Requirements for Structural Concrete》[2]中對矩形截面混凝土受彎構件的計算規(guī)定。同時通過查閱資料取得混凝土以及鋼筋的強度概率分布，進而用可靠度的方法來評價中美規(guī)范對算例受彎構件的計算結果。

混凝土結構；中美規(guī)范比較；受彎構件；正截面強度

1 中、美混凝土規(guī)范中對受彎構件承載力的計算方法

1.1 中國規(guī)范

矩形截面構件受彎承載力計算公式[1]：

(1)

(2)

混凝土受壓區(qū)高度要符合下列條件：

x≤ξbh0

(3)

x≥2α′

(4)

式(3)保證了構件不發(fā)生超筋破壞。當該條件不滿足時，取x=ξbh0，按式(1)驗算構件的受彎承載力；當公式的條件得到滿足時，構件的受壓鋼筋會屈服，計算中受壓鋼筋應力取其屈服強度。當式(4)的條件不能滿足時，取x=2a′，按下式計算構件受彎承載力：

(5)

式中：αp、αs分別為縱向預應力鋼筋、普通鋼筋至受拉邊緣的距離。

1.2 美國規(guī)范

對于鋼筋混凝土受彎構件，當受拉與受壓鋼筋均達到屈服應力時，受彎承載力計算公式為：

(6)

(7)

當受壓鋼筋應力小于屈服應力時，計算公式為：

(8)

(9)

2 正截面承載力計算實例

一雙筋鋼筋混凝土梁截面梁高650 mm(26 in)，寬350 mm(14 in)，混凝土強度等級為C40。假設永久荷載產(chǎn)生的彎矩設計值為200 kN·m(147.49 ft·kips)，可變荷載產(chǎn)生的彎矩設計值為250 kN·m(184.37 ft·kips)，上部配置4根直徑25 mm(0.96 in)的HRB400鋼筋，下部配置4根32 mm(1.256 in)的HRB400鋼筋，混凝土采用環(huán)境類別為一類，驗算梁的受彎承載力。

2.1 中國規(guī)范承載力計算

彎矩設計值：M1=γG·200+γQ·250=1.2×200+1.4×250=590 kN·m

M2=γG·200+γQ·250=1.35×200+0.7×250=445 kN·m

取二者之間的大值可知M取590 kN·m。

對環(huán)境類別為一類的梁、桿、柱來說，最小保護層厚度為C=20 mm。

取a=a′=40 mm，則h0=h-a=650-40=610 mm。

由于ρmin<ρ<ρmax，所以屬于適筋梁。

混凝土受壓區(qū)高度為：

所以受壓鋼筋沒有屈服。取x=2α′，由式(2)，梁受彎承載力為：

Mu=fyAs(h0-α′)=360×3215×(610-40)=659.792 kN·m

由于Mu>M，滿足要求。

2.2 美國規(guī)范承載力計算

h=26 in,b=14 in,γq=1.6

Mu=γgMgn+γqMqn=1.2×147.46+1.6×184.37=471.98 ft·kips

根據(jù)美國規(guī)范可知，梁、板、墻構件的下部鋼筋重心到梁上表面的距離最小保護層最小厚度為1 in(25.4 mm)，則取為2.5 in(63.5 mm)，則：d=26-2.5=23.5 in(597 mm)，上部鋼筋重心到梁上表面距離為d′=2.5 in(63.5 mm)。

由于ρmin<ρ<ρmax，滿足要求。

由于φMn>M，滿足要求。

3 分析兩規(guī)范下算例截面強度的可靠度

對于一般鋼筋混凝土構件，判斷結構構件是否可靠的功能函數(shù)為：

Z=G(R,S)=R-S

可寫為：Z=G(X1,X2,…,Xn)，則極限狀態(tài)方程為：Z=G(X1,X2,…,Xn)=0。

式中Xi為結構基本變量且相互獨立，其統(tǒng)計參數(shù)為：均值μxi，標準差σxi。

ISO2394《結構可靠性總原則》[3]中推薦使用一次二階矩法進行可靠度水平分析，本文參考文獻《結構可靠度計算方法研究》[4]對一次二階矩法的介紹進行計算。

計算中將C50混凝土的強度以及HRB400鋼筋的強度視為隨機變量，最終求得截面最大彎矩的均值以及標準差；進而利用可靠度指數(shù)β=μ2/σ2來比較兩種規(guī)范下截面計算的可靠度設置水平。

3.1 中國規(guī)范下算例截面強度的可靠度水平

Mu=fyAs(h0-α′)=360×3215×(610-40)=

659.792 kN·m

線性化后的功能函數(shù)為：

Z=G(fc,fy)=μfyAs(h0-α′)+

659.792+0.0018326(fy-360)

對于線性化后的功能函數(shù)，可得：

則Z的均值和標準差為：

3.2 美國規(guī)范下算例截面強度的可靠度水平

491.13 ft·kips(666kN·m)

線性化后的功能函數(shù)：

對于線性化后的功能函數(shù)，可得：

則Z的均值和標準差為：

4 結論

由上文算例分析可知，針對本算例來說，中國混凝土規(guī)范的可靠度指數(shù)計算結果高于美國規(guī)范的計算結果。但是算例中中國規(guī)范是通過受拉區(qū)鋼筋抗拉強度進行計算，而美國規(guī)范是通過受壓區(qū)鋼筋和混凝土受壓強度共同作用計算出的結果，二者的可靠度計算結果并不能夠客觀地比較二本規(guī)范在正截面抗彎上的可靠度設置水平，筆者試圖通過計算過程來初步了解掌握可靠度的計算方法。

[1] GB50010-2010 混凝土結構設計規(guī)范[S].

[2] ACI 318-08 Building Code Requirements for Structural Concrete[S].

[3] ISO2394:1998 結構可靠性總原則[S].

[4] 胡鳴.結構可靠度計算方法研究[D].華南理工大學，2010.

[5] 王華琪, 趙鳴, 李杰.混凝土強度統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析與應用[J].同濟大學學報: 自然科學版, 2007, 35(7): 861-865.

[6] 常樂, 王淑麗, 王紫軒，鋼筋強度標準值及其分項系數(shù)的校準研究[J].標準規(guī)范, 2012(4).

易達(1990～)，男，碩士研究生，研究方向為橋梁工程；唐濤(1991～)，男，碩士研究生，研究方向為橋梁工程；翁怡軍(1991～)，男，碩士研究生，研究方向為橋梁工程。

TU318.1

A

[定稿日期]2016-07-10