中國與新西蘭混凝土規范梁配筋量對比分析

周誠

摘 要：對中國和新西蘭混凝土結構規范中的設計表達式、材料特性、荷載組合和承載力計算表達式等進行了研究，分析比較兩國規范在設計參數取值和設計方法上的不同。進行了混凝土簡支梁的算例分析，從而比較中國規范和新西蘭規范下梁的計算配筋量差異。

關鍵詞：新西蘭規范；混凝土設計；抗彎承載力；抗剪承載力；最小配筋率

Comparison of beam reinforcement between Chinese and New Zealand code

Zhou Cheng

（CCCC-Airport Investigation and Design Institute CO.，LTD.Guangzhou 510230，China）

Abstract：The design expression，material characteristics，load combination and bearing capacity formula between Chinese and New Zealand concrete code have been studied，to compare the difference of design parameter and method.Through the instance of simply supported beam，the discrepancy of beam reinforcement quantity calculated with Chinese and New Zealand code respectively has been compared.

Keyword：New Zealand code；concrete design；calculation of flexural capacity；calculation of shear capacity；minimum reinforcement ratio

1 引言

新西蘭是高度發達的國家，其混凝土結構研究一直處于國際領先水平。隨著 “一帶一路”建設，大洋洲地區的工程也日趨增多，大洋洲國家在工程建設中大多直接采用新西蘭規范。對于混凝土結構設計，新西蘭規范是NZS3101-2006：Concrete Structures Standard，而中國規范則是GB50010-2010：混凝土結構設計規范。本文以混凝土簡支梁為例，通過兩國規范中梁的計算公式和相關構造要求的比較，對比兩國規范下混凝土梁配筋的差異。

2 設計表達式

中國規范混凝土設計采用承載能力極限狀態設計，其表達式為：

（1）

式中， 為結構重要性系數，根據不同安全等級，取值0.9-1.1，地震設計狀況下取1.0； 是承載能力極限狀態下作用組合的效應設計值； 是結構構件的抗力設計值。

新西蘭規范中混凝土的設計與中國規范類似，其表達式為：

（2）

式中， 為構件承載力設計值， 為承載力折減系數，對應不同內力工況有不同的 ； 為內力設計值。

3 材料特性

中國規范規定的混凝土強度等級由立方體抗壓強度標準值fcu，k確定，共有14個等級，最低強度等級為C15，最高為C80。新西蘭規范混凝土采用圓柱體抗壓強度特征值fc，最低強度等級為25MPa，最高為100MPa。在常用混凝土強度等級范圍內，圓柱體試件抗壓強度fc與立方體試件抗壓強度fcu，k之間的轉換關系，可近似按下列公式確定：fc=0.8fcu，k，即將立方體抗壓強度換算成軸心抗壓強度，應折減0.8。

對于混凝土抗拉強度ft，中國規范按下列公式計算：

（3）

（4）

式中，系數0.395和指數0.55為軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的折算關系，根據試驗數據進行統計分析以后確定； 為混凝土考慮脆性折減系數。

與中國規范不同，新西蘭規范對于混凝土斜截面抗剪強度按下列公式計算：

（5）

（6）

式中，系數 與混凝土最大骨料粒徑相關，通常取1.0；系數 與構件截面高度相關，當滿足最小抗剪鋼筋或截面有效高度小于400mm時取1.0，其余情況可取 ， 為受拉縱筋配筋率。

新西蘭規范混凝土彈性模量Ec計算公式如下：

（7）

兩國規范相對應的混凝土強度等級，其彈性模量見表1。

中國規范常用鋼筋為HPB300、HRB400和HRB500等。新西蘭規范中鋼筋有250MPa和500MPa兩種，圓鋼為250MPa，帶肋鋼筋為500MPa，按延性等級分為低延性L和普通延性N兩類。

4 荷載組合

中國規范對于一般排架、框架結構，荷載效應的基本組合表達式為：

（8）

式中， 為荷載組合的效應設計值， 為永久荷載分項系數， 為可變荷載分項系數， 為可變荷載組合值系數。

新西蘭規范荷載組合的規定與我國規范類似，對應承載能力極限狀態，規定了7種基本組合：[1.35G]，[1.2G + 1.5Q]，[1.2G+1.5ψQ]，[1.2G+W+ψQ]，[0.9G+W]，[G+E+ψQ]，[1.2G+S+ψQ]。

上述式中，G為永久荷載，Q為可變荷載，W為風荷載，E為地震荷載，S為雪荷載或地下水壓力或側土壓力，ψ為組合值系數。

5 受彎承載力計算

對于矩形截面構件，中國規范的正截面受彎承載力公式為：

（9）

（10）

式中， 為矩形應力圖的受壓區高區，尚應符合下列條件：

（11）

新西蘭規范中計算的基本假定：1）混凝土外邊緣受壓纖維的最大應變為0.003；2）不考慮混凝土抗拉強度；3）混凝土受壓邊緣應力 等效分布在高度 的范圍內。

（12）

式中， 為彎矩設計值， 為受彎承載力折減系數， 。

系數 的取值，當混凝土抗壓強度小于55MPa時取0.85，當混凝土抗壓強度大于55MPa按下列公式計算，其值不應小于0.75：

（13）

系數 的取值，當混凝土抗壓強度小于30MP時取0.85，否則按下列公式計算，且其值不應小于0.65：

（14）

由平衡條件，受壓區高度 的按下式計算：

（15）

（16）

（17）

上式中，b為梁截面寬度，d為梁截面有效高度，Cb為界限受壓區高度。

當 時，縱向鋼筋可以通過下式計算：

（18）

6 受剪承載力計算

當僅配置箍筋時，中國規范的斜截面受剪承載力公式為：

（19）

式中， 為斜截面混凝土受剪承載力系數，對均布荷載作用下 取值0.70，對集中荷載作用下 取值 ，λ為計算剪跨比。

新西蘭規范的斜截面受剪承載力公式為：

（20）

（21）

（22）

式中， 為剪力設計值， 為受剪承載力折減系數取值0.75， 為混凝土核心截面面積， 為抗剪鋼筋面積； 為橫向鋼筋抗拉強度。

7 構造要求

中國規范縱向受力鋼筋的最小配筋率為，箍筋最小配筋率為 。

新西蘭規范規定的最小配筋率為 ，箍筋最小配筋率為： 。

8 算例

本文以計算跨度6米的混凝土簡支梁為例，分別按中國規范和新西蘭規范計算，以對比兩國規范差異。混凝土梁截面尺寸250x500，恒荷載標準值gk=20KN/m，活荷載qk=15KN/m，混凝土強度等級為C30，縱筋采用HRB400，保護層厚度c=25mm，不配置受壓鋼筋，箍筋采用HPB300。

8.1 縱筋計算

按中國規范計算，fc=14.3MPa，ft=1.43MPa，fy=360MPa，fyv=270MPa，h0=465mm，α1=1.0。M=（rGgk+rQqk）l02/8=202.5KNm，由公式（6）可得x=144mm，x < xb=241mm。由公式（7）可求得縱筋As=1430mm2，As>As，min=250mm2。綜上，縱筋按As=1430mm2配置。

按新西蘭規范計算，fc=24MPa，fy=400MPa，d=465mm，α1=0.85，d=465mm。M=（1.2gk+1.5qk）l02/8=209.25KNm，由公式（15）求得 ， 。由公式（18）求得縱筋As=1518mm2，As>As，min=438mm2。綜上，縱筋按As=1518mm2配置。

由此可以得出，按新西蘭規范設計，縱筋比按中國規范設計多配（1518-1430）/1430=6.15%。

8.2 箍筋計算

按中國規范計算，ft=1.43MPa，fyv=270 MPa，αv=0.7。V=（rGgk+rQqk）l0/2=135KN，由公式（13）可得 。 ，故箍筋應按最小配筋率配置，即 。

按新西蘭規范計算，fyt=300MPa，V*=（1.2gk+1.5qk）l0/2=139.5kN。由于未配置梁上部筋，在端部 ，由公式（5）、（6）和（21）可知 。由公式（22）可求得 ， ， ，故箍筋按 配置。

由此可以得出，按新西蘭規范設計，箍筋比按中國規范設計多配（1.04-0.32）/0.32=2.25倍。

9 結論

本文以混凝土簡支梁為例，分別按中國規范和新西蘭規范計算配筋量的差異，得出以下結論：

（1）中國和新西蘭混凝土規范的設計表達式基本相同，均采用以分項系數表達的極限狀態設計方法。

（2）在材料性能方面，中國規范的混凝土和鋼筋均考慮了材料分項系數；新西蘭規范針對不同的工況，提出了承載力折減系數 ，其所起作用類似于中國規范的材料分項系數，構件抗剪計算時取0.75，抗彎時則取0.85。

（3）構件計算時，中國規范的混凝土和鋼筋的強度采用了考慮材分項系數后的設計值；新西蘭構件計算時混凝土及鋼筋的材料強度均采用的標準值。

（4）抗彎承載力設計時，按新西蘭規范計算出的縱筋較大，比中國規范計算出的配筋量約多6%左右。

（5）抗剪承載力設計時，按新西蘭規范計算出的箍筋大約是中國規范計算結果的2.25倍；上述差異的原因是新西蘭規范考慮混凝土部分抗剪的貢獻較小，在最大剪力處，當未設置縱向受拉筋時，其混凝土的抗剪能力是中國規范下的33%左右。

（6）對于構造配筋要求，中國規范的縱向鋼筋最小配筋率0.20%，相比新西蘭規范的0.35%較小；最小配箍率要求，本例中，中國規范為 ，新西蘭規范為 ，差別不大。

參考文獻

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（作者單位：中交機場勘察設計院有限公司）