中美规范钢筋混凝土大偏压柱配筋比较.pdf

设计渡米 石油化工设计 Pet m chem i cal Des咖 中 美 规 范 钢 筋 混 凝 土 大 偏 压 柱 配 筋 比 较 张维秀1，张元琦1，孟桂萍2 (1中国石油集团东北炼化工程有限公司，辽宁沈阳110000； 2中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司，河北任丘062552) 摘要：中关规范均采用以可靠度理论为基础的极限状态设计法，但抗力项中国规范采用的是设计强 度，美国规范采用的是名义强度，然后乘以强度折减系数后获得设计强度。同时荷栽项中荷栽分项系数 和组合不同也不同。通过美国房屋建筑混凝土结构规范与中国混凝土结构设计规范的基本假定，分别推 导出钢筋混凝土大偏压柱的配筋计算公式，分析比较中、美规范钢筋混凝土大偏压柱在设计方法、设计参 数取值上的不同，最后通过计算实例比较中、美规范钢筋混凝土大偏压柱纵筋计算结果的差异。 关键词：中国规范美国规范大偏压柱配筋比较 结构设计遵循的原则是本国本行的规范规 定，结构安全水平与规范密切相关，比较不同国家 规范安全水平是十分必要又相当复杂的工作。中 美规范均采用以可靠度理论为基础的极限状态设 计法，荷载项均采用规范取值，但荷载分项系数和 组合不同；抗力项中国规范采用材料强度设计值 计算设计强度，美国规范采用材料强度标准值计 算名义强度，然后乘以强度折减系数后获得设计强 度。笔者曾对中美规范材料强度指标进行过换 算，采用这些指标对钢筋砼矩形截面大偏压短柱 在各自的计算假定条件和混凝土受压应力图形的 简化原则下，推导出两规范的配筋计算公式，并以 实例说明采用中国常用混凝土和钢筋制成的大偏 压柱，利用中国和美国规范计算结果的配筋差异。 1材料强度换算 中国砼结构设计规范旧1采用150150 150m m 3标准立方体试抉抗压强度标准值( N m m 2)作为砼强度等级，并考虑一系列的系数后 求出砼抗压强度设计值，具有95的保证率。 美国规范采用直径150m m 、高度为300m m 的 圆柱体试件的抗压强度，并规定砼试件合格标 准为任意连续3组试件平均值大于设计取值， 任一单个试件测试不低于设计强度的345N m m 2，具有98的保证率 4J。考虑标准试件 与中国规范立方体试件不同，一般取强度等级 比值为08用于计算J。考虑以上因素后，计 算出常用中国砼和钢筋按美国规范强度取值详 见表1和表2。 表1常用中国砼按美国规范的抗压强度取值 项目 C15C20 C25 C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80 工“ 1520253035 40 455055 60 65707580 e 7209601190 1430167019102110231025302750297031803380 3590 6。 O 2l018016O 14013012O 1201l01l010010O 10O 10010 五“ 2292284l3393389844524984560761056715718l7780837889779575 f： 128l16652048244624833192359l4036“3948965304571261206528 表2常用中国钢筋砼按美国规范的抗拉强度取值 钢筋等级 H PB 300H R B335H RB 400H RB 500 厶 300 335 400500 一 ，yk 34516385774606257577 6y 008008 008 O 08 厂yk 26205292883497043713 收稿日期：20130929。 作者简介：张维秀，男，1989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 建设计工作。联系电话：[phone]；Em ai l ：j l y zr =247 oetr ochi nacom 2014年第l 期(第3l 卷)张维秀等中美规范钢筋混凝土大偏压柱配筋比较 表中坑 。中国标准立方体试块抗压强度标准 值(Nm m 2)； 疋中国砼抗压强度设计值(Nm m 2)； 6，砼试件轴心抗压强度变异系数； 工“砼试件的平均抗压强度(N m m 2)； 厂。美国规范砼的抗压强度(N m m 2)； 工。中国钢筋屈服强度标准值( N m m 2) ； 工。钢筋抗拉强度平均值(Nm m 2)； 6。钢筋抗拉强度变异系数； 厂，。美国规范钢筋抗拉强度标准值(N m m 2)。 2荷载和荷载组合 21 中国规范 建筑结构荷载规范基本组合效应设计值为。6J： sd=圣y G j Scjk+善7Qi7Li沙“| s吼 (1) 式中：s。基本组合效应设计值；y。i第，个 永久荷载的分项系数，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7。=12，由永久 荷载效应控制的组合y。=135；y0i 第i 个可 变荷载分项系数。一般yoi =14，对标准值大于4 kNm 2的活荷载yol =13；yLi 第i 个可变荷载 考虑设计使用年限的调整系数；SG i 。第歹个永 久荷载的荷载效应值；Soi k第i 个可变荷载的 荷载效应值；沙d第i个可变荷载的组合值系 数，当由一个可变荷载7。起控制作用时，砂。= 10；m 永久荷载数；n可变荷载数。 22美国规范 美国规范旧1以规定荷载乘以荷载系数，同时考 虑荷载组合。其组合为：1)14D ；2)12D +16L+ 05Lr；3)12D +16IJr+10L；4)12D +16Lr+ 08W ；5)12D +16W +10L+05IJr；6)12D + 10E+10L；7)09D +16W ；8)09D +10E。式 中 ：D 恒 载 ；I一 活 载 ；Ir屋 面 载 ；W 风载；E地震荷载。 3设计表达式 31 中国规范 中国砼结构设计规范采用极限状态设计法： s尺(丘Z，口) (2) 式中：y。结构重要性系数；工正砼轴心抗 压强度、钢筋抗拉强度设计值(N m m 2)；o。几 何参数标准值(m m ) 。 32美国规范 美国规范在“抗力”一侧，用材料的标准值计 算出的“名义强度”乘以一个各类构件取值不同的 强度降低系数p以获得设计强度： U 9尺。(3) 式 中 ： _需 要 强 度(荷 载作 用 效 应)； 妒 强 度 折减系数(考虑材料，延性，构件重要性的系数)。 强度折减系数妒按表3规定取值；尺。结构抗力 标准值。 表3荷载抗力设计法强度折减系数p 受压 构件类型受拉受剪、受扭 局压 配螺旋筋配其他筋 妒 O 90O 70065O 75O 65 4柱配筋公式的推导( 图1) 41 中国规范 如图1(a)所示。中国规范基本假定【2J：1)截 面应变保持平面；2)不考虑混凝土的抗拉强度(f =0)；3)混凝土应力图简化原则：混凝土应力0c。疋 分布在卢。(为按平截面假定计算出的中和轴 高度)。混凝土强度等级不超过C50时，届=O 8， a。=10；混凝土强度等级为C 80时，卢。=074，a。 =094，其间线性内插。4)当截面受压区高度满足 戈20。时，受压钢筋A7。在构件破坏时能达到抗压 强度设计值。5) 大偏压构件受拉钢筋应力在破坏 时达到抗拉设计强度。 叼e， l l n， 址虬J上 ( a)中国规范 ( b)美国规范 图l 中国和美国规范柱计算比较 五 口 按力的平衡条件及对受拉钢筋取矩的公式有： J)、r。=a正6戈+厂，A。一工A。(4) J7、7台。e=a正6戈(o一戈2+厂，A 。(oo。)(5) e=叼ei +2一口。 公式(4)、( 5) 适用条件：戈2口。；有3个未知数戈、 A 。、A 。，需补充条件才能求解。为使A。+A 。最小， 亭=fb=zbo=卢l占。(s。+s。)=卢l1+工(占。 E。)(6) 式中：亭相对受压区高度；亭。相对界限受压 区高度；占。砼极限压应变，占。=00033； E。钢筋弹性模量，对H PB300钢筋，E。=21 105 N m m 2，其余钢筋，E。=2105N m m 2。亭b计 充分利用砼承受压力，令： 算结果见表4。 表4中国规范界限受压区高度 砼强度等级 C50C60 C70C80 钢筋等级 H PB 235H R B 335H RB 400H PB 235 H R B335H RB 400H PB 235H R B 335H RB 400H PB 235H RB 335H R B400 乳 O 614055005180594053l0499O 575O 512O 48l 0555O 493O 463 对大偏压构件(f亭。)，将x=孝。带人式 ( 4) 、(5) 并求解： A。=J7、7aa正6；f。(1一o5孝b)厂，(。一o。) (7) A 。=(d正亭b6ho+厂，A 。一)疋 (8) 当A。28M Pa，每 超过7M Pa时卢l 减少005；且卢I O65) ，即： 卢。=085。28M P。) 届l=O 85一O05( 厂。一28)7065(厂。28M Pa) 同样根据力的平衡条件及对受拉钢筋取矩公式： 。妒(O 85厂。如+A7，kA s厂，k)(9) 。e妒08鞔6戈(o一2)+A 。鼻k( oA 。7) (10) 式中：。柱轴向力(kN )；e轴力对受拉钢 筋的距离(m m )；妒强度折减系数，由表3，妒= 090；并等效矩形应力图的高度( m m )；6 构件截面宽度(m m )；截面高度(m m )； k受压边缘纤维至受压钢筋重心的距离 (m m )；A 。受拉钢筋面积(m m 2)；A 。受压 钢筋面积(m m 2)；厂，。美国规范规定的钢筋受 拉强度和抗压强度(N m m 2)。详见表5。 表5 中国常用砼和钢筋按美国标准规定取值及界限受压区高度 砼强度等级 C15C20C30C40 钢筋等级 H PB 235H RB 335 H RB 400H PB 235H R B335H RB 400H PB 235H R B 335H RB 400H PB235H RB 335 H RB 400 正uk 151515202020303030404040 c 727272969696143143143191191191 l 。 128l128l1281166516651665244624462446319231923192 厶 205452928834970 205452928834970205452928834970205452928834970 卢l O 85O 85085085O 85O 85 085O 85085082208220822 孝b O 6332057lO 537O 633O 5710537O 633O 57l0537O 612O 552O 519 砼强度等级 c50C60c70C80 钢筋等级 H PB235H R B 335H RB 400H PB 235H R B335H RB 400H PB 235H R B 335H RB 400H PB 235H R B335H RB 400 uk 505050606060707070808080 e 231231 231275275275318318318359359359 。 4036403640364896489648965712 57125712 65286528 6528 厶 20545292883497020545292883497020545 2928834970205452928834970 口l 0762O 762O 762O 70007000700065O 65065O 65065065 fb O 568O 512048l052lO 470O 442O 484O 437041lO 484O 437O 4l l 令亭=孝b=算bo=卢l 占。( s。+s。)=卢l1+ 工(s。E。)；f。计算结果见表5。 解式(9)、(10)得： A。=J7、e一妒o85，。鳝。危；(1一o5亭。)铊厂，k ( o一。) (11) A 。=妒(085厂。孝b6o+厂，kA7。)一(铊厂，k)(12) 2014年第1期(第3l 卷)张维秀等中美规范钢筋混凝土大偏压柱配筋比较 13 5构造要求 1)中国规范。柱单侧纵筋最小配筋面积： 瓜。i 。=m a)( 04轼饭，02)她 (13) 2)美国规范。根据AC I318M 一05第1051 条，柱纵筋最小配筋面积： A s。i。=0256正n5矿vk146k，k(14) 6算例 某短柱Zo65，她=400500m m ，D 。=口7。= 40 m m ，承受压力：c=350kN ，J7vo=250kN ，弯矩 M G =230kN m ，M o=180kNm 。采用C 30砼， H RB 400钢筋。工=143Nm m 2，工=厂，=360 N m m 2，危n=460m m 。 =35012+25014=770kNM =230 12+18014=528 kN m ，查表6，孝b=0518。 eo=彤=686m m ，ei 03矗o=138m m ，按大偏压 计算： e=Pi +2一口。=896m m ；A7。=e一 仪正6；亭b(1一o5亭b)厂，(。一o；)=1 490 m m 2p。j 。6=400m m 2；A。=a正手b6o+厂，A7。一 组=3 137 m m 2；A ；+A。=4 627 m m 2，p7=( A。 +A。)( 6矗)=23l3。 查表1和表2，中国C30砼和H RB400钢筋按 美国规范换算的强度指标为：厂。=2446N m m 2， 厂，k=3497N m m 2，孝b=0537。 M =23012+18016=564kN m = 35012+25016=820kN 。 en=朋r=688m m ，e：688+25040=898 矿，。(h。一。)=864m m 2；A。=妒(O8驴。孝。6矗。 +厂，kA 。)一(铊尸，k)=4 133 m m 2；A。+A7。= 4997m m 2。 因此按美国规范进行设计，配筋比按中国规 范设计多配筋：(49974627) 4627=8。 7结语 美国砼结构设计采用的可靠度表达方式与 中国规范有一定的相似之处，但在设计用荷载 和设计用材料强度取值水准以及可靠度的表达 方式上与中国规范有不可忽视的区别，导致最 终配筋量和安全度存在较大的差异。本文通过 两本规范各自的基本假定出发，推导出钢筋砼 大偏压柱纵筋计算公式。对本文给出的算例而 言，按美国规范进行设计柱纵筋将增加8。 可见，在同样的荷载和同样的材料用中国规范 和美国规范进行设计，配筋结果差距是很大的， 应引起设计人员的重视。 参考文献： 1张维秀中美规范钢筋和砼强度指标换算J PK PM 新天 地2013 2GB 500102010砼结构设计规范(s)北京：中国建筑工业 出版社，2010 3 A cl318M 一05 B ui l di ng code R equir em ent s f orst ct uralcon cr et eandCom m ent ar y( S) A m ecanC oncret eI nst i t ute，2005 4庄小亭中国与美国规范配筋量对比计算J四川建筑科 学研究，2006：32(1) 5史志华美欧房屋建筑钢筋砼基本构件设计安全度比较 j ，建筑结构，2012：42( 10) 6 G B500092叭2建筑结构荷载规范(s)北京：中国建筑工 A7。=e一妒o8曼厂。6fb矗j (1一o5亭b) 业出版社，2012 藩他寒线。 中国石化首个地热节能减排创新项目正式投运 2014年2月10日，在两台掺水锅炉和l 台原油外输锅炉停用之后，下二门联合站的l 台原油脱水锅炉也正式关停， 下二门油矿的386口油井井口的掺水温度达到67。这标志着中国石化集团公司首个将采油污水用于生产系统节能减 排的创新项目河南油田下二门联合站污水余热利用工程正式投入运行并且满足了原油外输和掺水伴热的生产需要， 具有示范作用。 河南油田每年产出的采油污水达到2000万m 3，平均温度超过50，提供了可利用的热能资源。下二门联合站每天 回注污水流量为13万m 3，回注温度为46，如果按回收温差10考虑，这些回注水的余热量达6 300 kw，污水余热回 收潜力巨大。 下二门联合站污水余热利用工程( 目前每天运行10h，在平、谷电价时段，每天提取11万t处理水中的热量)是河南 油田与薪星公司合作，按照合同能源管理式建设的地热利用项目，主要是利用高效节能的蓄能式热泵系统代替原有的 4台天然气加热锅炉，使难以利用的低品位采油污水余热转化为能够满足原油外输和掺水的热源。 (中国石化新闻网)2014一02一11