中_美混凝土结构设计规范构件正截面受弯承载力的分析比较_宋世研

中_美混凝土结构设计规范构件正截面受弯承载力的分析比较_宋世研

第23卷第7期2007年7月

[文章编号]1002-8528(2007)07-0028-06

建　筑　科　学

BUILDINGSCIENCE

Vol.23,No.7Jul.2007

中、美混凝土结构设计规范

构件正截面受弯承载力的分析比较

宋世研,叶列平(清华大学土木工程系,北京100084)

[摘　要]针对钢筋混凝土构件正截面受弯承载力,从结构设计方法、材料强度取值、正截面承载力计算方法、最大和最小配筋率、受弯承载力计算结果,对我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)和美国ACI318M-05规范进行了较为全面的对比分析。结果表明,在适筋范围,两国规范的受弯承载力的安全储备程度基本相近,但在趋向超筋梁时,我国规范的安全储备小于美国规范;美国规范对超筋梁的限制比我国规范要严,最小配筋率比我国规范高约1.5倍。此外,美国规范采用的基于概率理论的荷载抗力系数设计法,在调整不同受力性能构件的安全储备方面更为灵活。

[关键词]钢筋混凝土;正截面受弯承载力;设计方法;结构抗力折减系数;最大和最小配筋率[中图分类号]TU375;TU312　　　[文献标识码]A

AComparisonofDesignMethodsforFlexureStrengthofRCBeamsbetweenChineseandAmericanDesignCodesforRCStructures

SONGShi-yan,YELie-ping(DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

[Abstract]AcomparisonofflexurestrengthsofRCbeamsiscarefullystudiedbetweenChineseandACI318M-05designcodes,

includingdesignmethods,concretestrengths,calculationmethods,maximumandminimumratiosofreinforcementandcalculationresults.Theresultsshowthatthestrengthreductionfactorsarealmostthesamebetweenthebothcodes,buttherequirementofthemaximumratioofreinforcementofACI318codeisstricterthanChinesecode,whiletheminimumratioofreinforcementofACI318codeis50%largerthanChinesecode.Furthermore,theload-resistancecoefficientdesignmethodofACI318codeseemsmoreflexibleinadjustingthedesignsafetydegreefordifferentbehaviorsofRCelementssubjectedtovariousforces.

[Keywords]reinforcedconcrete;flexurestrength;designmethod;strengthreductionfactor;maximumandminimumratioofreinforcement

1　概　述

对于混凝土结构,我国依据《混凝土结构设计规

[1]

范GB50010-2002》(简称“我国规范”)进行设计,美国主要依据《BuildingCodeRequirementsforStructuralConcrete》(ACI318M-05)(简称“美国规

[2]

范”)。两国规范的结构设计体系和计算方法有较大差别。为研究我国规范的安全度水准及有关设计方法和设计规定的合理性,本文以受弯构件正截面承载力为对象,对两国规范的设计方法、设计规定、计算方法和计算结果进行了较为全面的对比分析,以便了解二者之间的差别,促进我国混凝土结构设

[收稿日期]2007-03-26[作者简介]宋世研(1985-),男,本科生[联系方式]ylp@mail.tsinghua.edu.cn

计理论和设计方法的发展。为便于理解,本文尽量采用我国的技术术语来表述美国规范的一些概念。

2　设计表达式

根据我国《建筑结构可靠度设计统一标准》

[3]

规

定,采用基于概率理论的分项系数设计方法,结构构

件承载力极限状态的设计表达式为:

γSSk≤

Rkfc,kfs,k

=R,,As,b,h0,γRγcγs

(1)

式中,γS为作用效应分项系数;Sk为作用效应标准值;γR为结构抗力分项系数;Rk为结构抗力标准值;fc,k为混凝土轴心抗压强度标准值;fs,k为钢筋强度标准值;γγc为混凝土材料分项系数;s为钢筋材料分项系数;As为钢筋截面面积;b和h0为截面尺

第7期宋世研,等:中、美混凝土结构设计规范构件正截面受弯承载力的分析比较

29

美国规范采用的是基于概率理论的荷载—抗力

系数设计法(LoadandResistanceFactorDesignMethod),其设计表达式为:

Wu≤ Rn

(2)

图1　美国规范正截面承载力结构抗力折减系数 值

[4]

式中,Wu为荷载效应设计值(Requiredstrength);Rn为结构抗力标准值(NominalStrength),由材料强度标准值计算确定; 为结构抗力折减系数(strengthreductionfactor)。

式(1)、(2)左端的荷载效应设计值γSSk和Wu的概念基本相同,但荷载分项系数取值不同,美国规范的荷载效应设计值比我国规范大。本文以下仅讨论右端的结构抗力设计值。式(1)右端的Rk γ2)右端 Rn在概念R与式(上是一致的,即Rk相当于Rn,(1 γ相当于结构抗R)力折减系数 。但我国规范将抗力分项系数γR分解为混凝土材料分项系数γc和钢筋材料分项系数γs,并根据基于概率理论的可靠度方法得到分项系数γ1.4和γ1.1c=s=

[5]

　

承载力影响较大。超筋构件的承载力是由混凝土抗压强度决定的;配筋率越大,构件越接近超筋状态,混凝土抗压强度的离散性影响越大。

(3)配筋率大的构件通常承受较大的荷载,在结构中地位相对重要。

美国规范对具有一定延性的适筋梁(即低于界限相对受压区高度一定值的适筋梁和大偏心受压构件), =0.9,承载力折减小;而对延性很小的超筋梁(也包括小偏心受压构件), =0.65,承载力折减大。这意味着,延性差的构件,可以通过提高承载力的储备来弥补其塑性变形能力的不足,增加结构构件的可靠度。

从以上讨论可知,两国规范结构抗力计算的概念和表达式差别显著,需要通过细致的分析才能确定。本文主要分析两国规范中钢筋混凝土构件正截面受弯承载力的差别。

。美国规范的结构抗力折

减系数 也是基于概率理论的可靠度方法得到,只是将结构构件抗力作为一个整体来考虑,其取值因构件受力特性及荷载形式而异,主要考虑以下四个因素:

(1)材料强度和结构构件尺寸的离散性;(2)结构抗力的设计计算表达式的不准确性;(3)构件的延性需求与所需可靠度要求的差异;(4)构件在结构中的重要性。

对于正截面受弯承载力计算,系数 取值的变化范围为0.9～0.65。对于普通配箍的钢筋混凝土构件,当达到正截面承载力极限状态时,如果最外侧受拉钢筋应变εt≥0.005时(相应x dt=0.375,其中x为美国规范的等效矩形受压区高度;dt为混凝土受压边缘到受拉钢筋外边缘的距离),为受拉延性破坏(tension-controlledsection),取 =0.9;如果最外侧受拉钢筋应变εt≤εb(εb为界限破坏时的钢筋应变,近似取0.002),为受压脆性破坏(compression-controlledsection),取 =0.65;其间按线性插值,如图1所示。

根据美国规范的解释,折减系数 随配筋率增大而减小的原因,主要考虑了以下三个因素:

(1)配筋率大则构件延性小;

,3　材料强度指标的换算

两国规范结构抗力计算表达式不同,承载力计

算时材料强度指标的取值方法也不同,在进行正截面受弯承载力计算对比分析前,需先建立两国规范材料强度指标之间的换算关系。

3.1　混凝土强度

美国规范采用圆柱体抗压强度作为强度等级,而我国规范采用立方体抗压强度作为强度等级。以下分析中,以我国规范的混凝土强度等级为基准,给出两国混凝土强度指标之间的换算关系。

(1)平均值之间的换算关系　对不超过C50级的混凝土,圆柱体抗压强度与立方体抗压强度平均值之间的关系为:

fcm′=(0.79～0.81)fcu,m

(3)

式中,fc,m′为圆柱体抗压强度平均值;fcu,m为立方体抗压强度平均值;换算系数一般可取0.8;对C50级以上的混凝土,换算系数将有所增大。

30

建筑科学

第23卷

混凝土立方体抗压强度平均值与具有的95%保证率的标准值之间的关系为:

fcu,m=fcu,k+1.645σ

凝土立方体抗压强度标准差。

美国规范规定的抗压强度平均值与标准值之间的关系为:

fc,k′≤35MPa

fc,m′=fc,k′+1.34σfc,m′=fc,k′+2.33σ-3.5

　　fc,k′>35MPa

fc,m′=fc,k′+1.34σfc,m′=0.90fc,k′+2.33σ

(5)(6b)(5)(6a)(4)

式中:fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值;σ为混

控制标准,保证率可达97.73%。

以下计算分析中,钢筋均采用我国现阶段所使用的HRB335级钢筋和HRB400级钢筋。为适应高强钢筋应用的发展需要,引入HRB500级钢筋。但我国规范的承载力计算采用抗拉强度设计值,而美国规范采用抗拉强度标准值。

表1　中、美两国规范的混凝土强度指标(N mm2)

强度离散等级系数C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80

0.120.120.120.120.120.120.1150.110.1050.1000.0950.090.0850.08

中国规范fcu,k1520253035404550556065707580

fcu,m18.6924.92

fc7.29.6

美国规范

fc,m′fc1′fc2′

式(3式(更多内容请访问久久建筑网
5、6)文献[6]14.9519.9424.9229.9034.8939.8744.4048.84——————

12.616.720.925.028.632.236.039.8——————

—16—24—32—40—50—60—70

fc′12.616.720.925.028.632.236.039.845.050.055.060.065.070.0

31.1511.937.3814.343.6116.749.8419.155.5021.261.0523.166.4825.371.8127.577.0429.782.1631.887.1933.892.1235.9

式中:fc,m′为混凝土配制强度,即强度平均值;fc,k′为圆柱体抗压强度标准值;σ为强度标准差。

式(5)对圆柱体抗压强度值具有91%的保证率。fc,k′≤35MPa时,式(6a)以99%的保证率使圆柱体抗压强度值不低于标准值3.5MPa;fc,k′>35MPa时,式(6b)以99%的保证率使圆柱体抗压强度值不低于标准值的0.9倍。在利用平均值计算标准值时,取式(5)、(6)的较小值;在利用标准值计算平均值时,取式(5)、(6)的较大值。

美国规范承载力计算中,混凝土只采用强度值fc′,即公式中的fc,k′,为此,以下一般以fc′表示。

标准值和平均值之间的换算关系由离散系数决定,它与拌制工艺及实验方法等因素有关。为讨论方便,该系数按我国的统计数据,C40级以下取0.12,C60级取0.10,C80级取0.08,其间线性插值

[5]

　　注:①fc为我国规范混凝土轴心抗压强度设计值;fc,m′为按式(3)换算系数取0.8计算得到的圆柱体抗压强度平均值;fc1′为按式(5)和式(6)计算得到的圆柱体抗压强度标准值;fc2′为文献[6]给出的圆柱体抗压强度标准值;fc′为本文综合fc1′和fc2′建议的圆柱体抗压强度标准值。

bbs.99jianzhu.com内容：建筑图纸、PDF/word 流程，表格，案例，最新,施工方案、工程书籍、建筑论文、合同表格、标准规范、CAD图纸等内容。