受彎構件正截面設計行業標準對比分析

胡珅榕，李予忱，涂 晶

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

我國工程建設項目的設計工作，在滿足國家標準的基礎上，還要根據具體行業領域和工程性質的不同而采用不同的行業標準，尤其是必須執行相應的強制性行業標準。不同行業的標準之間，也往往存在著或大或小的差異，在工程建設中一些相近行業的交叉和融合項目越來越多，此時工程人員就面臨著對不同行業標準的理解和選擇。以往的研究多著重于我國國家標準與國外標準的對比分析[1-2]，或者我國國家標準的新舊版本之間的對比研究[3]，而對于國內的不同行業標準之間的對比分析則較少。

本文以鋼筋混凝土受彎構件的正截面設計為研究對象，對水運行業標準和水利行業標準進行對比和分析，水運行業標準中主要用到《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS151-2011）[4]（以下簡稱“水運標準”），而水利行業標準中主要用到《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008）[5]（以下簡稱“水利標準”）。主要從材料指標選用、承載能力極限狀態設計、正常使用極限狀態設計、其他構造要求等方面展開分析，并以某臨海水閘工程為例進行計算結果對比，為類似的行業交叉領域工程項目設計提供參考。

1 材料指標選用

鋼筋混凝土構件涉及的材料主要分為鋼筋和混凝土兩種。對于受彎構件計算，主要涉及參數為材料的強度指標和彈性模量。

對于鋼筋的選用，兩個行業中均常用“三級鋼筋”（熱軋鋼筋HRB400）作為受力鋼筋，其各項指標在水運、水利標準中保持一致。需要注意的是，工程中用作構造鋼筋的“一級鋼筋”，在水運標準中為熱軋鋼筋HPB300，而在水利標準中為熱軋鋼筋HPB235，前者強度高于后者。

對于混凝土的強度分級和詳細參數，兩種行業標準保持一致。但是強度等級的選用涉及到構件所處的環境條件，兩種標準的規定略有不同。水運標準中分為海水環境和淡水環境兩大類，海水環境中根據結構所處區域的波浪掩護條件、設計水位、波浪高度等不同而分為大氣區、浪濺區、水位變動區、水下區；淡水環境中主要根據設計水位分為水上區、水位變動區、水下區。水利標準中對于海水環境中有掩護條件下的分區與水運標準相同，但是并不涉及海水環境中無掩護條件下的判別，反而增加了對于室內室外的判別、化學腐蝕性程度的判別等，這與行業標準的應用領域有關。水運標準根據環境分區不同直接選擇混凝土強度等級；水利標準根據分區及其他判別條件進一步歸類為五個環境類別，根據環境類別選擇混凝土等級。

2 承載能力極限狀態設計

2.1 設計表達式

水運標準中，采用以下表達式：

γ0為重要性系數，安全等級一到三級時分別取為1.1、1.0、0.9；Sd為作用效應組合的設計值；R為結構的承載力設計值。

水利標準中，采用以下表達式：

為承載力安全系數，取值如表1 所示；其余參數與水運標準相同（為方便表示，忽略符號差異，下同）。

表1 水利標準承載力安全系數

顯然，從以上表達式可以看出，兩種標準的系數存在明顯差異，水利標準的承載力安全系數 普遍大于水運標準的重要性系數γ0。

2.2 效應組合的設計值

水運標準中，作用效應組合的設計值按照下式計算：

持久組合：

短暫組合：

γGi為第i個永久作用的分項系數；SGik為第i個永久作用標準值的效應；γP為預應力的分項系數；SP為預應力有關代表值的效應；γQ1、γQj分別為主導可變作用和第j個可變作用的分項系數（短暫組合中則不區分是否主導，下同）；SQ1、S Qj分別為主導可變作用和第j個可變作用標準值的效應；ψ cj為可變作用的組合系數，可取0.7，對于有界作用且常以界值出現時，可取1.0。

水運標準針對可能涉及的20 種荷載，分別給出了分項系數的取值，一般介于1.05～1.5 之間，具體設計過程中只需要查表即可[4]。但是需要注意3點補充說明：當永久荷載對結構起有利作用時，其分項系數不應大于1.0；結構自重、固定設備重力、土重等為主時，分項系數不應小于1.3；短暫組合時，荷載分項系數可減小0.1。

水利標準中，作用效應組合的設計值按照下式計算：

基本組合（當永久荷載對結構起不利作用時）：

基本組合（當永久荷載對結構起有利作用時）：

短暫組合：

SG1k為自重、設備等永久荷載標準值的效應；SG2k為土壓力、淤沙壓力及圍巖壓力等永久荷載標準值的效應；SQ1k為一般可變荷載標準值的效應；SQ2為可控制其不超過規定界值的可變荷載標準值的效應；SAk為偶然荷載標準值的效應。

水利標準中的上述公式，直接給出了荷載的分項系數，但對于荷載并未細化，而是籠統地歸為5類。通過對比，水運標準中的各類荷載分項系數普遍大于水利標準；而且，水運標準中將可變作用分為主導作用和非主導作用，針對非主導可變作用增加了組合系數，用于進一步細化荷載的作用情況。

2.3 承載力設計值

受彎構件的正截面受彎承載力設計值的計算中，兩種標準從計算原理、基本假定到簡化計算表達式均基本一致。但是，在水運標準中，該計算采用的混凝土軸心抗壓強度設計值fc會先乘以系數α1。當混凝土強度等級不大于C50 時，該系數取1.0；當混凝土強度等級為C80 時，該系數取0.94；在C50 至C80 之間，按照線性內插計算。因此，水運標準中增加的這個系數主要針對C50以上的高強度混凝土。由水利標準的條文說明[5]可知，其計算公式適用于混凝土強度等級不超過C60 的構件。在實際工程中，普通混凝土構件的混凝土強度等級一般不超過C50，此時水運、水利兩種標準的計算并無區別。

2.4 超筋破壞的判別

水運、水利標準均通過混凝土受壓區高度 來判斷是否會達到超筋破壞，但是后者更嚴格一些。在水運標準中，混凝土受壓區高度須滿足x≤ξbh0（ξb為相對界限受壓區高度，h0為截面有效高度），這與我國其他類似標準的規定相同；而在水利標準中，須滿足x≤ 0. 85ξbh0，比水運標準增加了一個系數0.85，這是為了更有效地避免超筋破壞的發生，這一改動對于普通構件無影響，只有針對因截面尺寸受限而須配置受壓鋼筋的雙筋梁板構件，會導致用鋼量增加約0.7%[5]。

3 正常使用極限狀態的設計

3.1 設計表達式

水運、水利標準中，正常使用極限狀態的設計表達式相同，均為下式：

Sd為作用效應組合的設計值；C為正常使用要求所規定的結構變形、應力或裂縫寬度等限值。

但在兩種標準中，效應組合設計值及正常使用限值的規定有所不同。

3.2 效應組合的設計值

水運標準中，按照不同的設計要求，作用效應組合的設計值分為4 種情況計算：持久狀況標準組合、持久狀況頻遇組合、持久狀況準永久組合、短暫狀況。其中，可變作用的組合系數、頻遇值系數、準永久系數，可分別取0.7、0.7、0.6，對于經常以界值出現的有界作用，組合系數和準永久系數可取1.0。

而對于水利標準而言，正常使用極限狀態均按照作用效應的標準組合進行計算。

3.3 裂縫寬度計算公式

對于普通的鋼筋混凝土受彎構件，正常使用極限狀態的設計主要是裂縫寬度的驗算。對于水運、水利兩種標準，其裂縫寬度的計算原理基本相同，但是公式擬合的具體形式及參數設置略有不同。

水運標準中，對于截面形狀為矩形、T 形、倒T 形和圓形的構件，其最大裂縫寬度計算公式如下：

α1為反映構件受力特征的系數，受彎取1.0，大偏心受壓取0.95，偏心受拉取1.1，軸心受拉取1.2；α2為反映鋼筋表面形狀的系數，光面鋼筋取1.4，帶肋鋼筋取1.0；α3為反映效應組合情況的系數，考慮準永久組合或重復荷載影響時取1.5，考慮短暫狀況時取1.0～1.2，而施工期可取1.0；σ S為縱向受拉鋼筋的應力；ES為鋼筋彈性模量；c為最外排縱向受拉鋼筋的保護層厚度，當c大于50 mm時取50 mm；d為鋼筋直徑；ρ te為縱向受拉鋼筋的有效配筋率，當ρte小于0.01 時取0.01，當其大于0.1 時取0.1。

水利標準中，對于截面形狀為矩形、T 形、倒T 形的構件，其最大裂縫寬度計算公式如下：

α為反映構件受力特征和荷載長期作用的綜合影響系數，受彎或偏心受壓取2.1，偏心受拉取2.4，軸心受拉取2.7；c為最外排縱向受拉鋼筋的保護層厚度，當c大于65 mm 時取65 mm；ρte為縱向受拉鋼筋的有效配筋率，當ρte小于0.03 時取0.03；其余參數與水運標準相同。

對比兩種行業標準可知，主要存在4 點不同。首先，水運標準的裂縫寬度一般采用作用的準永久組合進行計算，而水利標準則采用了作用的標準組合。其次，水運標準在系數設置上針對采用光面鋼筋或者某些荷載的短暫組合等情況分別直接給出系數加以處理，考慮更為細化；而水利標準針對類似情況，則是在備注或者條文說明中給出了類似的解釋和處理。另外，在保護層厚度和有效配筋率的限值上，兩種標準略有不同，這與不同行業的實際工程經驗有關。比如，水運標準裂縫計算時的保護層厚度最大值取50 mm，小于水利標準規定的最大值65 mm，直接影響裂縫計算結果。最后，水運標準增加了圓形截面的計算方法，適用范圍更廣。

3.4 最大裂縫寬度的限值

水運、水利標準針對最大裂縫寬度均有明確限值，取值相近，但是判別標準稍有不同。與混凝土強度等級的選擇類似，水運標準中最大裂縫寬度限值由構件所處位置的環境分區決定，對于普通鋼筋混凝土構件，介于0.2～0.4 mm；而水利標準中則取決于構件所處位置的環境類別，對于普通鋼筋混凝土構件，介于0.15～0.4 mm。兩種標準的具體對比如下所示：

表2 水運標準最大裂縫寬度限值規定

表3 水利標準最大裂縫寬度限值規定

4 其他構造規定

4.1 縱向受力鋼筋最小配筋率的限值

水運標準中，普通鋼筋混凝土受彎構件的縱向受力鋼筋最小配筋率采用“雙控”方式，采用0.2 %和（4 5ft/fy）%中的較大值，其中ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，fy為鋼筋抗拉強度設計值。

水利標準中，縱向受力鋼筋最小配筋率采用“單控”方式，但是針對不同鋼筋種類和構件類別，給出了不同限值。例如，普通鋼筋混凝土構件的受力鋼筋采用HRB400，針對HRB400 鋼筋，受彎構件為梁時最小配筋率取0.2 %，受彎構件為板時取0.15 %。

對比兩種標準，水運標準更為嚴格，而且考慮了混凝土和鋼筋的材料強度的影響；而水利標準則對構件類型的考慮更為全面。

4.2 受力鋼筋的混凝土保護層最小厚度的限值

水運、水利標準針對受力鋼筋的混凝土保護層最小厚度也均有明確限值，取值相近，但判別標準稍有不同。與混凝土強度等級的選擇以及最大裂縫寬度限值的確定相似，水運標準中保護層最小厚度由構件所處位置的環境分區決定，與構件類型無關；而水利標準中不僅取決于構件所處位置的環境類別，另外還根據工程經驗，針對構件類型進行細分，同等條件下保護層最小厚度限值：板、墻<梁、柱、墩<截面厚度不小于2.5 m 的底板、墩墻。

5 算 例

中國北方某水閘工程，與某海堤相銜接。其閘室為開敞式，分2 孔過流。閘室于閘墩中間分縫，兩側對稱，單孔兩側閘墩的中心距為23.85 m。閘室底板采用整體式，厚2.2 m。閘室基礎為混凝土灌注樁，垂直水流方向間距3.15 m 均布8 根，順水流方向間距3 m 均布。

分別采用水運、水利標準，針對閘室底板進行正截面設計計算。該底板所受荷載有：自重、樁基支撐力、施工均載、水重、揚壓力。具體設計工況及其對應的外力標準值由整體穩定性計算得出，共分為36 種工況，本文直接取用其作為底板計算的設計條件。考慮閘室底板可簡化為兩端固定的單向板，因此取沿閘室橫斷面方向的一條混凝土“板帶”進行計算，寬度3 m，長度取為兩側閘墩的中心距23.85 m。底板下部樁基支撐力均簡化為集中力，施加到該梁上；其余荷載均取3 m 寬參與計算。簡化計算簡圖如下所示。

圖1 算例計算簡圖

結合兩種行業標準的判定及工程需要，兩種計算中，該底板均采用C35 混凝土和HRB400 鋼筋進行正截面設計；結合工程實際情況，上層鋼筋實際保護層取65 mm，下層鋼筋實際保護層取130 mm；上層混凝土裂縫寬度限值0.2 mm，下層混凝土裂縫寬度限值0.25 mm。分為4 個部位進行配筋計算，兩種行業標準的結果分別匯總如下。

表4 水運標準計算結果（γ0=1.1）

表5 水利標準計算結果（K-.1.4）

在本算例中，由上表可以看出：

1）滿足承載力的最小配筋面積，水運標準普遍大于水利標準，其原因主要有兩點。其一，兩種行業標準的效應組合中，系數取值不同，導致在多種荷載同時施加時的總荷載分布不同，且不同部位的差異有大有小；其二，兩種標準考慮的重要性系數/安全系數取值不同，導致最終參與配筋的效應設計值不同。

2）水運標準的最小配筋率大于水利標準，因此構造性要求更為嚴格。

3）水運標準的計算裂縫寬度普遍稍大于水利標準，但是差異較小。差異原因在于計算公式及其參數取值的差異。

6 結語

1）研究結論：

①不同行業標準均基于國家標準，并針對本行業的具體情況提出更詳細的規定，其各自側重點有所不同。

②通過對比分析，在鋼筋混凝土受彎構件正截面設計的全流程中，水運標準和水利標準在材料選用、構造性要求、效應組合設計值計算、承載力計算、裂縫寬度計算等步驟中各自考慮的安全度不同，而最終的計算結果是全流程的安全度的綜合體現。

③在同一套設計計算中，應該全流程均采用同一行業標準，切勿在不同步驟混用不同的行業標準。

2）其他類似工程可借鑒的經驗及設計建議：

對于工程建設中相近行業的交叉和融合項目，比如臨海交叉地帶水利設施工程，涉及水運、水利兩種不同行業標準，建議針對不同行業標準均進行完整的計算復核，從而能夠綜合考慮兩個行業的工程經驗。