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1、混凝土构件极限状态设混凝土构件极限状态设计新旧规范对比计新旧规范对比北京 夏绪勇 张廷全随着新的 2010 系列建筑结构规范的发 布执行，必然会带来混凝土结构构件设计 结果的变化，新旧规范设计结果差异的原 因有多个方面，如地震影响系数与强柱弱 梁、强剪弱弯内力调整系数等方面修改引 起的设计内力的变化；构造配筋要求的修 改导致的配筋的变化；极限承载力计算公 式的修改引起的设计结果的变化等。 本文撇开设计内力调整、构造配筋等 方面规范修改的影响，从承载力极限状态 下的配筋设计、正常使用极限状态下的挠 度裂缝计算方面，讨论新的混凝土结构 设计规范 （GB50010-2010）的修改内容， 对比分析新
2、规范的修改对混凝土构件设计 的影响，作为设计人员应用新规范进行混 凝土结构设计的参考。 一、材料与强度一、材料与强度本次规范修订，倡导采用“高强度、 高性能”的材料，提高结构的安全度，节 约材料用量，达到“低碳”的目的。 对于混凝土材料，新规范建议在工程 中应用的混凝土强度等级宜适当提高，以 提高材料的利用效率。新规范对混凝土等 级、强度指标的取值有以下几点修改：1） C15 级的低强混凝土仅限用于素混凝土结 构；2）钢筋混凝土强度不应低于 C20，采 用强度级别 400MPa 及以上的钢筋时，混 凝土强度等级不应低于 C25；3）删除了 02 规范中关于受压小尺寸构件（截面的长边 或直径小于
3、 300mm）混凝土的强度设计值 应乘以 0.8 的规定。 钢筋材料新增了 500MPa 的高强度钢 筋，推广 400MPa、500MPa 级高强热轧带 肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋，限制 335MPa 级热轧带肋钢筋的应用。用 300MPa 级的光圆钢筋取代 235MPa 级的光 圆钢筋，在规范的过渡期及对既有结构进行设计时，235MPa 级光圆钢筋的设计值按 02 规范取值。钢筋强度取值修改点有：1） 删除了 02 规范中轴心受拉和小偏拉构件构 件，当钢筋强度300，按 300 取值的规定； 2）用作围箍约束混凝土的间接配筋，也就 是柱、剪力墙约束边缘构件体积配箍率计 算时，箍筋强度设计值
4、不受 360MPa 的限 制，按实际钢筋强度取值。二、正截面承载力计算二、正截面承载力计算钢筋混凝土的正截面承载力的计算， 新规范的基本假定与计算公式与 02 规范基 本一致。受弯构件的正截面承载力计算配 筋公式没有什么变化，相同条件下，新旧 规范计算配筋结果没有差别。轴压或偏压 构件正截面承载力计算公式也基本没有变 化，新规范仅对偏压构件轴压力局部二阶效应（效应）的计算方法进行了修P 改，对于柱构件配筋设计会有一定影响， 下面对这部分内容的修改对柱构件设计结 果的影响进行对比分析。1.轴压力二阶效应考虑方式比较02 规范对于混凝土柱的二阶效应考虑方式采用的是方法，通过计算偏心距0l方法系数，
5、放大偏心距来考虑轴压力二阶效应的aieee0影响。10 混凝土规范采用的是方法，nsmC该方法的基本思路与美国 ACI318-08 规范所用方法相同，计算挠曲构件中部产生二阶效应后控制截面弯矩设计值，计算公式见式（1） 。（1）2MCMnsm（2）213 . 07 . 0MMCm式中、分别为偏心受压构件两1M2M端截面按结构分析确定的对同一主轴的组合弯矩设计值，绝对值较大端为，绝2M对值较小端为，当构件单曲率弯曲时1M（两端弯矩作用同侧受压，如图 1 中的b、c） ，取正值，否则取负值（反21MM弯点在柱中，两端弯矩作用异侧受压，如图 1 中的 a） 。(a) (b) (c)图 1 柱轴压力二
6、阶效应控制弯矩从控制弯矩的计算公式可以看出，控制弯矩实际为较大端弯矩乘以增大系数。其中与 02 规范的偏心距增大nsmCns系数采用了同样的极限曲率计算方式，只是计算公式上略有调整，的计算结果ns与 02 规范的接近或稍有增大。与柱mC构件两端弯矩作用方向与大小有关，取值在 0.71.0 之间，图 1 中 a 反弯点在柱间情况，；图 1 中 b 两端弯矩差异7 . 0mC较大时，；只有上下端弯矩同侧0 . 1mC受压，数值相等或相近时（如图 1 中 c） ，取值才等于或接近 1.0。综合与mCnsmC02 规范的偏心距增大系数取值进行比较，对于图 1 中的 a、b 弯矩图，新规范控制弯矩较 0
7、2 规范要小，而且 02 规范偏心距增大系数对初始偏心距与附加偏心距都0eae进行了放大，10 规范的只用于初始nsmC偏心距的计算，对附加偏心距不再放大。0e图 1 中的 c 弯矩图，新规范控制弯矩较 02规范有可能增大。实际工程中，框架柱多数反弯点在柱中，也就是说对于多数框架柱，10 规范计算出的二阶效应的影响较 02规范要小。2.偏压构件设计算例比较算例一 普通框架柱柱截面,纵向钢筋合力点至500400截面近边缘距离 as=40mm,计算长度l0x=5500mm,混凝土强度等级 C30,纵向钢筋强度设计值 fy=360Mpa,截面设计压力N=400kN,下端设计弯矩 M=240kNm，上
8、端弯矩设计值 M=-200kNm。新旧规范设计比较结果见表 1。算例一，普通框架柱计算比较 表 1偏心距增大系数ei+0.5h-asei+0.5h-as计算钢筋面积sA02规范=1.06869mm1189.83mm210规范Cmns=0.75 1.0, 取1.0830mm1084.66mm2算例二 某工程中细高柱柱截面,纵向钢筋合力点至500600截面近边缘距离 as=42.5mm,计算长度l0=15500mm,混凝土强度等级 C30,纵向钢筋强度设计值 fy=300Mpa,四级抗震,非地震组合,截面设计压力 N=885kN,下端设计弯矩M=264kNm，上端弯矩设计值 M=0kNm新旧规范设
9、计比较结果见表 2。算例二，细高柱计算比较 表 2偏心距增大系数ei+0.5h-asei+0.5h-as计算钢筋面积sA02规范=1.83789.6mm2726.51mm210规范Cm=0.70，ns=2.06，Cmns=1.44658.18mm1792.3mm2从上面两个算例比较可以看出，对于普通框架柱，当反弯点在柱中时，相同设计内力情况下，新规范计算配筋会有所减小。对于这类柱，02 规范计算的偏心距增大系数一般都不大，通常在 1.2 以内，按新规范设计配筋变化的幅度不大。但是对于算例二中的细长柱，02 规范计算出的偏心距增大系数较大，对于这类柱，新旧规范配筋结果有可能差异较大。三、斜截面承
10、载力计算三、斜截面承载力计算斜截面承载力计算 10 规范主要修改点 如下：1.统一了箍筋受剪承载力系数 02 规范中，承受均布荷载的普通梁，箍筋对抗剪承载力的贡献为，025. 1hsAfsv yv而 10 规范统一为。一般框架梁0hsAfsv yv都是按承受均布荷载作用的梁计算配箍的， 对于这类梁，按 10 规范计算，如果是计算 配箍控制，在相同条件下，箍筋计算面积 将增加 25%。构造配筋时，箍筋面积基本 没有变化。2.增加了轴拉力作用下的剪、扭计 算002 . 0175. 15 . 1hsAfNbhfVsv yvtt （3）（4 sAAfWANWfTcorst yvtttt12 . 12
11、. 035. 0 ） 完善了拉、弯、剪、扭共同作用下的 斜截面计算。四、正常使用极限状态计算四、正常使用极限状态计算1.裂缝宽度的计算 10 混凝土规范关于裂缝宽度的计算公 式与 02 规范相同，但是对于荷载作用与计 算参数的取值有两项影响较大的修改：1） 对于三级裂缝控制等级的非预应力混凝土 构件，最大裂缝宽度可按荷载准永久组合并考虑长期作用影响的效应计算（02 规范 为标准组合） ；2）对于非预应力的受弯或偏心受压构件，构件受力特征系数，由cr02 规范的 2.1 修改为 1.9。 这两项修改，对于普通非预应力混凝 土构件的裂缝宽度计算，在相同的截面、 荷载与配筋的情况下，10 混凝土规范
12、较 02 混凝土规范计算结果裂缝宽度有比较大的 减小，减小幅度大概在 20%30%。算例三 裂缝宽度计算6 米单跨次梁，恒：13.75kN/m（含梁自重） ，活 6 kN/m（准永久系数 0.4） ，截面250X500，C30，配筋 425 级钢。新旧规范裂缝宽度比较结果见表 3。算例三，裂缝宽度计算比较 表 3最大裂缝宽度02 规范0.084mm10 规范0.055mm2.挠度的计算 挠度的计算修改对应于裂缝宽度的计 算：1）对应于裂缝宽度的计算相应的荷载 组合，也就是对于非预应力混凝土构件， 挠度计算按荷载准永久组合计算（02 规范 为标准组合） ；2）增加了准永久组合时的 长期刚度的计算
13、，见式（5） 。（5）sBB 根据上面的修改内容，在相同的截面、 荷载与配筋的情况下，10 混凝土规范较 02 混凝土规范挠度计算结果有所减小，减小 幅度大概在 10%20%。算例四 挠度计算算例情况同算例三。新旧规范挠度计算比较结果见表 4。算例四，挠度计算比较 表 4挠度02 规范12.26mm10 规范10.42mm从算例三、算例四比较结果可以看 出，10 混凝土规范对于非预应力钢筋混凝 土构件的裂缝、挠度计算值有比较大幅度 的降低，这主要出于以下目的：一方面 02 规范对裂缝宽度、挠度的控制偏严；另一 方面，为高强度钢筋的推广应用铺平道路。四、结语四、结语（1）新规范倡导采用“高强度、高性 能”的材料，提高材料的利用效率，达到 “低碳”的目的。 （2）偏压构件轴压力局部二阶效应计 算方式的修改，柱配筋有一定的变化，相 同设计内力下，多数框架柱计算配筋面积 减小，但变化幅度不大，对于细长柱可能 有较大变化。 （3）承受均布荷载的框架梁，相同设 计内力情况下，计算配箍面积增大 25%。 （4）对于非预应力构件的裂缝宽度、 挠度，按新规范计算，计算值有较大幅度 的减小，在相同截面、配筋与荷载作用下， 裂缝宽度计算值减小幅度达 20%30%， 有利于高强度钢筋的应用。
