中美规范下预应力混凝土结构设计方法的比较

2015-10-29杨大平

建材与装饰 2015年14期

关键词：标准值弯矩预应力

杨大平

（华蓝设计（集团）有限公司广西南宁市530011）

中美规范下预应力混凝土结构设计方法的比较

杨大平

（华蓝设计（集团）有限公司广西南宁市530011）

通过具体案例经过材料弧度换算和控制验算指标，对中美规范下预应力混凝土正截面受弯承载力的设计成果进行了比较，使我们大致了解了两国规范在设计步骤和相应的计算结果方面的差异。

中美规范；预应力混凝土；设计方

1　引言

我国混凝土结构设计最初采用的是前苏联的规范，几十年来一直努力不断改善和修正该规范，已经建成了相当可行的规范，我国本土的规范与世界发达国家的规范相比，我国的规范要经济一些。

2　在中美规范下预应力混凝土受弯构件正截面受弯承载力的设计方法比较

中国现行的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）一般选择条件屈服强度作预应力筋应力，将正截面受弯的承载力大小和混凝土在受压区域的高值建立方程进行联立求解，最终求出预应力筋的横截面积，再通过设计预应力筋求出偏心距，再然后验算正截面抗裂和检测施工阶段可行性。

美国通用的ACI318-05规范是先假设一截面尺寸数值，计算需要的预张力。偏心距和预应力筋的截面积，再验算在各阶段期间混凝土应力与受弯承载力。中美两国的规范在材料强度。材料种类。抗力值大小和建造方法等方面存在较大的差异，较难进行详细对比。

本研究假设使用相同受荷条件，且具有相同内力的预应力梁，以本国的材料强度为规范，以相应规范规定的材料强度作为输入条件对设计正截面下受弯承载力得出的配筋量进行对比。

3　按中国的GS50010-02规范进行设计

3.1计算的条件

跨中段截面的弯矩标准值，矩形截面的后张预应力简支梁，恒载所产生的M=422.35kN·m，自重M0=101.251kN·m，活荷载达到M1=127.2kN·m。规定混凝土强度为100%时再进行张拉预应力筋，预应力损失ó=308.6N/mm2。

3.2选用的材料

C40型号的混凝土，Fck=26.8N/mm2；钢绞线f=1860N/mm2。

3.3预应力筋的计算与布置

假设截面300mm×750mm，有效预应力和张拉控制应力为1046N/mm2和1395N/mm2，取跨中截面的偏心距c=275mm。截面面积A=2.25×105，W=2.8×107mm4。预应力筋的截面积经过计算为：

选用2×6束φ15.2规格的钢绞线，总截面积为12×139= 1668mm2，遵照二次抛物线的形状进行布筋。

按标准构造配置非预应力筋，受拉区5φ2，A=565mm2；受压区4φ2，A=452mm2。

3.4正截面抗弯承载力计算

由公式a1×fc×bx=fy×As-fy′As′+fρyAρ可计算受压区高度，x= 19.1×300x=300×（565-452）+1320×1668=390mm，由公式M=a1×fc× bx可计算正截面受弯承载力M=19.1× 300×390×（690-0.5×390）+300×452×（690-35）=1195kN·m。

3.5正截面抗裂验算

因为25.3>20.2，所以满足抗裂要求。

3.6施工阶段检验

4　按美国A01318-05规范验算

4.1材料强度的取值

4.1.1强度标准值差异

ACI规范使用的是强度标准值，测算方法和中国标准规范也有所差别。

在美国，混凝土规范使用的圆柱体的强度是其抗压强度的代表值，混凝土的强度标准数值相关的规定有：三个继起的强度试验的结果平均值大于等于所需设计强度，任意单个强度的试验结果也要大于等于所需设计强度数值500psi（SI制为3.4475MPa）。则平均强度和设计强度之间公式为u=f+2.33ó-3.4475。标准值的公式是f=u-2.33ó+3.4475。

中国混凝土规范规定的强度保证率为95%，标准值表达式为Fck=u-1645ó。对C40混凝土，变异系数取值设为0.12，则强度平均值为33.39N/mm2，将其换算为圆柱体强度0.79×33.39= 26.38N/mm2。再将其折算成美国规范下的强度标准值，代入得22.45N/mm2。

4.1.2钢筋强度标准值

美国规范要求测得的钢筋强度标准值最小值要大于等于所要求的强度值，标准值表达式为f=u-3.00ó。

在中国，混凝土的规范规定钢筋的强度保证率为95%，标准值公式为Fck=u-1645ó。对钢绞线取变异系数设为0.08，则强度平均值计算得2141.87N/mm2，折算成美国规范下的强度标准值得1627.82N/mm2。

4.2受弯承载力验算

在预应力筋的应力计算方面取y值=0.4，B=0.85，p=0.618，则代入数值计算得f=1284.5MPa。理论受弯承载力计算，其中a= 374mm。

M=Af（dP-a/2）=1668×1284.5×（830-374/2）=1377.7kN·m。

受弯设计承载力为M=0.90×1377.7=1239.9kN·m，弯矩设计值为：M=1.2D+1.6L=1.2×523.6+1.6×127.2=831.84kN·m，因此满足承载力要求。

5　对比分析

5.1预应力筋的截面面积比较

通过GB50010-02规范计算得到的面积是1558mm2，而AC1318-05计算出来的面积是l533mm2，因此两种规范计算出来的结果没有什么差别。

5.2混凝土截面尺寸比较

GB50010-02事先假设截面尺寸为300mm×750mm，然后在这个假设基础上验算并布置预应力钢筋，然后核算混凝土抗裂要求和进行施工阶段的验算；ACl318-05是在混凝土容许应力的基础上计算截面模量，并根据模量选择截面尺寸为300mm× 900rnm。由此可知，ACl318-05要求的混凝土截面尺寸比GB50010-02要求的尺寸要大20%左右。

5.3安全储备比较

GB50010-02弯矩设计值是806.4kN·m，正截面的受弯承载力为1194.8kN·m，安全储备达到149%；ACl318-05弯矩设计值为831.84kN·m，正截面受弯承载力1239.9kN·m，安全储备为150%，两者结果几乎没有差异。

5.4验算目的的对比

GB50010-02规范是在开裂验算方面对混凝土应力在常规应用阶段的检验，另外按规定还实施了施工阶段的检验；ACl318-05是分别验算在应力传递后即刻的容许压应力和拉应力，还有在全部损失削除后在使用荷载下的容许压应力和拉应力，这两者检验的控制指标有明显的差异。