中美规范钢筋混凝土梁设计差异分析

2021-05-14樊琨赵敏

工程建设与设计 2021年7期

樊琨，赵敏

（1.华陆工程科技有限责任公司，西安 710065；2.西安建工大唐灞柳建设项目开发有限责任公司，西安 710000）

1 引言

美标作为世界主流标准之一，已应用在越来越多的国家。国内外现行主流钢筋混凝土设计规范虽然都采用了分项系数设计方法，但在很多方面都存在差异，进而导致在相同工况下，用中美规范进行设计计算的结果存在差异。本文就中美规范对钢筋混凝土梁设计的差异进行对比分析。

2 荷载组合

2.1 国标荷载组合

GB 50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》[1]规定，在一般情况下，计算钢筋混凝土框架结构的承载能力极限状态，国标中的计算公式如式（1）所示。

当作用与作用效应按线性关系考虑时，基本组合的效应设计值按式（1）中最不利值计算：

式中，γGi为第i个永久作用的分项系数；SGik为第i个永久作用标准值的效应；γp为预应力作用的分项系数；Sp为预应力作用有关代表值的效应；γQ1为第1 个可变作用的分项系数；γL1为第1 个考虑结构设计使用年限的荷载调整系数；SQ1k为第1个可变作用标准值的效应；ψcj为第j个可变作用的组合值系数；γLj为第j个考虑结构设计使用年限的荷载调整系数；SQjk为第j个可变作用标准值的效应。

2.2 美标荷载组合

ACI 318—05Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary（美国房屋建筑混凝土结构规范及条文说明）（以下简称“美标”）[2]中的设计理念依然按照其指定的荷载大小（就相当于国标中的荷载标准值，但其值的大小有差异），同时乘以相应的分项系数，并考虑荷载组合（组合系数以及组合方式和国标存在差异）。按美标中规定，有8 种基本组合：（1）1.4D；（2）1.2D+1.6L+0.5Lr；（3）1.2D+1.6Lr+1.0L；（4）1.2D+1.6Lr+0.8W；（5）1.2D+1.6W+1.0L+0.5Lr；（6）1.2D+1.0E+1.0L；（7）0.9D+1.6W；（8）0.9D+1.0E。上述组合中字母含义分别为：D为不变荷载，kN/m2；L为可变荷载，kN/m2；Lr为屋面荷载，kN/m2；W为风荷载，kN/m2；E为地震作用，kN。

3 设计表达式

3.1 国标设计表达式

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）（以下简称“国标”）[3]规定的设计方法见式（2）：

式中，γ0为重要性系数；S为作用组合的效应设计值，kN·m；R为结构构件的抗力设计值，kN·m；fc、fy分别为混凝土、钢筋的强度设计值，MPa；ak为几何参数，mm。

3.2 美标设计表达式

美标中将各种材料的抗力标准值得出的“名义强度”与降低系数相乘进而得出设计强度。见式（3）：

式中，U为所需强度（荷载作用效应），kN·m；Sn为结构抗力的标准值，kN·m。

4 材料强度换算

美国材料与试验协会ASTM 规定，选用直径150 mm，高300 mm 圆柱体试件28 d 的抗压强度，连续随机3 组试件的平均值不小于设计取值才算符合要求，同时所有试件的试验值大于设计强度的3.45 N/mm2，并且具有98%的保证率。抗压强度计算见式（4）：

式中，fc′为美标中的抗压强度，N/mm2；fcu,k为混凝土标准试件的平均抗压强度，N/mm2；δc为混凝土试件轴心抗压强度变异系数。

国标采用150 mm×150 mm 立方体试件28 d 的抗压强度，其混凝土强度保证率为95%，平均抗压强度计算见式（5）：

针对中美规范中标准试件的差异，取美国混凝土规范标准试件与中国混凝土规范标准试件强度比值为1.25 计算。即：

据此可以建立中美规范不同强度等级下的强度对照表，见表1。

表1 中美规范混凝土级别强度对照表N/mm2

5 算例

已知钢筋混凝土梁计算跨度l0=6m，截面尺寸（宽×高）b×h=300 mm×600 mm，恒荷载标准值gk=20 kN/m，活荷载，混凝土强度等级采用C30，纵筋采用HRB400，保护层厚度c=25mm，箍筋采用HPB300，分别按照国标及美标计算梁纵向钢筋面积。计算各参数按各规范要求选取，美标中选最不利荷载组合进行计算，即1.2D+1.6L+0.5Lr。

经计算，国标中纵向受力钢筋面积As=1 273mm2，美标纵向受力钢筋面积A′s=1 486 mm2，(A′s-As)/As=(1 486-1 273)/ 1 273=16%，因此，按美标设计配筋，比按国标设计配筋多16%。