中美规范钢筋混凝土梁纵筋和箍筋对比分析.pdf
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1、谶 渡恭 石 油 化 工 设 计 P e t r o c h e m i c a l D e s i g n 2 0 1 3 , 3 0 ( 2 ) 1 01 3 中美规范钢筋混凝土梁纵筋和箍筋对比分析 张维秀 ,张元琦 ,王 岩 ,周国霞 ( 1 中国石油集团东北炼化工程公司吉林设计院; 2 吉林建筑工程学院; 3 金属结构分公司;吉林 1 3 2 0 0 2 ) 摘要:中关砼结构设计采用的可靠度表达方式有一定的相似之处, 但在荷载和材料强度的取值水平 上有很大区别, 导致配筋量和安全度存在较大的差异。通过中国混凝土结构设计规范与美国房屋建筑混 凝土结构规范的基本假定、 荷载组合、 材料保证
2、率和设计表达式, 推导出单筋矩形截面梁的纵筋计算公式 以及箍筋计算公式。分析 比较两本规范在设计方法、 设计参数取值上的不同, 最后通过计算实例比较两 本规范纵筋和箍筋计算结果的差异。该算例, 按美国规范设计 , 纵筋将增加9 , 箍筋将增加 5 9 。 关键词 :美国规范纵筋箍筋保 证率分析 中国混凝土结构设计规范 和美 国房屋建筑 混凝土结构规范及条文说明_ 2 之间存在 比较大的 差异 。中国规范采用以概率理论为基础 的极限状 态设计法 , 以可靠指标度量结构构件 的可靠度 , 采 用分项系数的设计表达式进行设计 J 。而美国规 范是 以可靠度理论 为基础 , 采用荷载抗力设计法 ( L
3、 o a d a n d R e s i s t a n c e F a c t o r D e s i g n ) , 设计表达式 没有分项 系数。导致钢筋砼梁配筋计算结果 区别 的原因: 1 ) 荷载和荷载组合的不同; 2 ) 材料强度保 证率不同; 3 ) 标准试件形状和尺寸不 同; 4 ) 计算假 定和计算 简图不 同; 5 ) 构造要求不 同。本文忽略 标准试件形状和尺寸差异 , 对单筋矩 形截面梁在 各 自的计算假定条件和砼受压应力 图形的简化原 则下 , 推导出两本规范的纵筋和箍筋计算公式 , 通 过中美规范的砼 和钢筋保证率换算强 度指标 , 并 以实际算例说明两本规范在纵筋和
4、箍筋计算结果 的差异。 1 荷载和荷载组合 1 1 中国规范 建筑结构可靠度设计统一标准规 定, 一般框 排架结构承载能力极限状态的荷载效应组合值 : S= 3 c S c + Q S Q ( 1 ) 式中: 5 承载能 力极 限状态 的荷 载效应 组合 值 ; 。 永久荷载效应分项系数, 当永久荷载效 应对结构不利时 , 由可变荷载效应控制 的组合 。 = 1 2 , 由永久荷载效应控制的组合 y 。=1 3 5 ; 当 永久荷载效应对结构有利 时, 除倾覆、 滑移 、 漂浮 验算 G= 0 9外 , 通常 y G=1 0 ; 3 Q i 第 i 个可 变荷载分项系数 , p =1 4 ,
5、对标 准值 大于 4 k N m。的活荷载 y Q :1 3 ; S c k 永久荷载标准值 的 效应值 ; 5 。 第 个可变荷载标准值的效应值; 组合值系数, = 0 9 , 当只有一个可变荷载 时 =1 0 。 1 2美国规范 美国规范荷载抗力设计法也是以规范规定 的 荷载取值 ( 其含义与我国荷载标准值类似 , 但各项 荷载的取值有 区别 ) 为依 据 , 并 将其乘 以荷 载 系 数 , 同时考虑荷载组合( 荷载系数与荷载组合原则 与我国规范不完全相同) 。该法荷载 8种基本组 合为 : 1 )1 4 D; 2 ) 1 2 D+1 6 L+ 0 5 L r ; 3 ) 1 2 D+
6、1 6 L r +1 0 L ; 4 ) 1 2 D+1 6 L r+ 0 8 ; 5) 1 2 D+ 1 6 W+1 O L+0 5 L r ; 6 ) 1 2 D+1 0 E+1 0 L ; 7) 0 9 D +1 6 W; 8 ) 0 9 D +1 0 E。 以上各式 中: D 恒载 ; 活 载; 屋 面 载 ; 一风载; E 地震荷载。 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 8 0 7 。 作者简介: 张维秀, 男, 1 9 8 9年毕业于南京水利科学研 究院岩土工程专业, 工学硕士, 副总工程师, 一级注册 结构师 , 注册岩土工程师 , 教授 级 高级 工程 师, 一直从 事土建设计
7、工作。联 系电话 : 0 4 3 26 3 9 5 9 4 0 2 ; E m a i l : j l y _ z w x 0 2 4 7 p e t r o c h i n a t o m 2 0 1 3年第 2期( 第 3 O卷) 张维秀等 中关规范钢筋混凝土梁纵筋和箍筋对比分析 1 1 2 设计表达式 2 1 中国规范 中国混凝土结构设计规 范采用极限状态设计 法 , 设计表达式 : S ( ,f y , 0 k , ) ( 2 ) 式中 : y 。 结构重要性系数 ; 混凝 土轴 心抗 压强度、 钢筋抗拉强度设计值 ( N ra m ) ; 口 几何参数标准值 ( mm) 。 2 2美
8、国规范 美国规范的荷载抗力设计法在 “ 抗 力” 一侧 , 用各类材料的标准值计算 出的“ 名义强度 ” ( n o m i n a l s t r e n g t h ) 乘以一个各类构件取值不同的强度降 低系数 来获得设计强度。设计表达式 : ( 3 ) 式 中: 需要 强度 ( 荷载作 用效应 ) ; 强 度折减 系 数 ( 考 虑 材料 , 延 性 , 构 件 重要 性 的 系 数 ) , 所起的作用类似于我国通过材料分项系数 将各类材料的标准值降低为材料的设计值。强度 折减系数 按表 1 规定取值; R 结构抗力标 准值。 表 1 荷载抗力设计 法强度折减系数 p I 受 压 I 构
9、 件 类 型 又 I 配 螺 旋 筋l 配 其 他 筋l 、 局 压 0 9 0 1 0 7 0 J 0 6 5 1 0 7 5 0 6 5 3 梁纵筋计算公式的推导 3 1中国规范 基本假定 : 1 ) 截面应变保持平面 ; 2 ) 不考虑混 凝土的抗拉强 度 ( =0 ) ; 3) 砼应 力 图简化原 则 ( 见图 1 ) : 砼应力 ( 分布在 卢 ( 。为按平 截面假定计算 出的中和轴高度 ) 。砼 强度 等级不 超过 C 5 0时 , = 0 8 , =1 0砼强度等级为 C 8 0 时 , = 0 7 4, = 0 9 4其 间线性 内插 。 、 l l l A 图 1 梁纵筋(
10、中国和美国规范) 计算示意 A: = 卢l 0 ; B: a 0 8 ( 中国 美国) 根据以上假定 , 由力的平衡条件 : = A ( 4 ) M = b x ( h 0 一 x 2 ) ( 5 ) M = A ( h 。 一 x 2 ) ( 6 ) 以上各式 中: 弯矩设计值 ( k N Il 1 ) ; 纵 向受拉钢筋截 面面积 ( m m ) ; 等效 应力图形的换算受压 区高度 ( m m) ; h o 截 面有 效高度 ( m m) 。 若将 = 。 代人 , 则( 4 )( 6 ) 式变为 : 6 孔。 = A ( 7 ) M = b h 。 ( 1 一C2 ) ( 8 ) M=
11、 A h 。 ( 1 一 C2 ) ( 9 ) 解之 : =1 一 1 2 M ( b h 。 ) b ( 1 0 ) A = b h 。 = b h 。 1一 12 M ( b h 0 ) f , ( 1 1 ) 式中: 相对界限受压区高度 ; 相对受压 区高度。 3 2美国规范 基本假定 : 1 ) 混凝土最外边缘处受压纤维 的 最大应变 =0 0 0 3 ; 2 ) 不考 虑混凝土 的抗拉 强 度 ; 3 ) 砼应力 图简化原则( 图 1 ) : 砼应力 0 8 分 布在 1 0 范围内 2 8 MP a时 , =0 8 5 2 8 M P a , 每超过 7 MP a , 卢 。 减少
12、 0 0 5; 且 。 10 6 5 。 根据以上假定 , 由力的平衡条件 : 0 8 5 Lb x= A ( 1 2 ) M = = 0 8 b x ( h 0 一 x 2 ) ( 1 3 ) 式中: 弯矩设计值( k N m) ; 强度折 减系数 , 由表 1 知 = 0 9 0 。 解公式( 1 2 ) 、 ( 1 3 ) 得 : = h 。_ h o 2 M ( 0 8 5 b ) = h 。_ h 。 M ( 0 4 2 5 6 ) ( 1 4 ) A =0 8 b x =0 & 6 h o 一 h o 一 ( 0 4 2 5 铊 6 ) f , ( 1 5) 4 梁箍筋计算公式的推
13、导 4 1 中国规范 中国混凝 土结构规范第 6 3 4条规定 , 一 般仅配箍筋的矩形混凝土梁斜截面受剪承载力按 下式确定 : 1 2 石 油 化 工 设 计 2 0 1 3 年第 2 期( 第 3 0 卷) , v c = O f , b h 。 + h 。 A s ( 1 6 ) 式中: 名义抗剪强度 ( k N) 。 A s =( O l f , b h 。 ) ( h 。 ) ( 1 7 ) 按美国规范第 1 1 3 1 1和 1 1 5 7 2条 : 式 中: 剪力设计值( k N) ; 混凝土 =0 1 b h 。 + A J y h 。 s ( 2 2 ) 和箍筋受剪承载力设计
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