混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)探討

摘要：針對GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂的主要技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行探討，通過與GB50010—2002

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對比分析，詳細(xì)闡述其修訂或刪減的主要依據(jù)，并對新版規(guī)范的修訂內(nèi)容作了較為全面的總結(jié)，提出混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程在教學(xué)方法上的新要求。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；教學(xué)方法；設(shè)計(jì)規(guī)范；修訂內(nèi)容；技術(shù)要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：G6420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2013）02-0053-05

中國建筑科學(xué)領(lǐng)域的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（或標(biāo)準(zhǔn)）大約每10年修訂一次，2002版《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》^[1]自頒布實(shí)施至今已有10余年，尤其是2008年“5.12”汶川地震和2010年“4.14”青海玉樹地震發(fā)生之后，2002版規(guī)范中關(guān)于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、工程結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施以及工程結(jié)構(gòu)抗震理論存在的不足更加突顯。同時(shí)，中國工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究水平的不斷提高，新材料的不斷出現(xiàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，也縮短了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂周期。2011年7月，正式頒布實(shí)施GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》^[2]。新規(guī)范根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，同時(shí)考慮與國際其他發(fā)達(dá)國家混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)接軌，貫徹國家“四節(jié)一環(huán)保（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)）”政策編制而成。新規(guī)范的編制標(biāo)志著中國混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)水平有了新的提高；同時(shí)也對高等學(xué)校土建類專業(yè)學(xué)生如何結(jié)合新版規(guī)范進(jìn)行快速知識(shí)更新，高校教師如何及時(shí)改進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)課程教學(xué)方法提出了新要求^[3-6]。

一、新版規(guī)范關(guān)于結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的修訂

（一）混凝土強(qiáng)度的修訂

新版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范刪除了2002版規(guī)范4.1.4條中注1和注2的相關(guān)規(guī)定，即關(guān)于受壓構(gòu)件尺寸效應(yīng)（現(xiàn)澆鋼筋混凝土軸心受壓及偏心受壓構(gòu)件，如截面的長邊或直徑小于300 mm，則混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以系數(shù)0.8）和離心混凝土的有關(guān)規(guī)定。2002版規(guī)范源于前蘇聯(lián)規(guī)范，最近俄羅斯規(guī)范關(guān)于此條的規(guī)定已被取消，而離心混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按專門的標(biāo)準(zhǔn)取用，不再列

入，故新版混凝土規(guī)范將此項(xiàng)內(nèi)容刪除。另外，新版混凝土規(guī)范刪除了2002版規(guī)范4.1.6條中關(guān)于混凝土軸心抗壓、軸心抗拉疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，以及當(dāng)蒸養(yǎng)溫度超過60℃時(shí)，計(jì)算混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)提高20%的規(guī)定，因?yàn)楦邷卣麴B(yǎng)引起的主要問題是裂縫，而非提高設(shè)計(jì)強(qiáng)度所能解決。

（二）鋼筋強(qiáng)度的修訂

新版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范4.2.2條增加了強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為500 MPa的HRB500、HRBF500級高強(qiáng)鋼筋，并規(guī)定其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（fy=435MPa）與抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（f′y=410MPa）分別取不同數(shù)值。加入靠控溫軋制而具有一定延性、可焊性、機(jī)械連接性能及施工適應(yīng)性的HRBF系列細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋，限制并準(zhǔn)備淘汰強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為335 MPa級熱軋帶肋鋼筋的應(yīng)用，立即淘汰強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為235 MPa的HPB235級光圓鋼筋的應(yīng)用，以HPB300級光圓鋼筋取代之。同時(shí)，規(guī)定了過渡方法，要求在規(guī)范的過渡期及對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，235 MPa級光圓鋼筋的設(shè)計(jì)值仍按原規(guī)范取值；同時(shí)，推廣強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值400 MPa、500 MPa級高強(qiáng)鋼筋作為受力的主導(dǎo)鋼筋。對預(yù)應(yīng)力鋼筋，為了補(bǔ)充中強(qiáng)空擋，增加了強(qiáng)度等級為1 960 MPa和大直徑21.6 mm的鋼絞線，補(bǔ)充了預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋及中強(qiáng)鋼絲的有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，并淘汰了錨固性能差的刻痕鋼絲，刪除了不常用的預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度等級和直徑。

二、新版規(guī)范關(guān)于基本設(shè)計(jì)規(guī)定的修訂

為了進(jìn)一步完善2002版規(guī)范，保證結(jié)構(gòu)的安全，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)固性，提高混凝土結(jié)構(gòu)抗偶然作用的能力，新版混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)原則從以構(gòu)件設(shè)計(jì)為主擴(kuò)展到整個(gè)結(jié)構(gòu)體系，補(bǔ)充了3.2條“結(jié)構(gòu)方案”和3.6條“結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)原則”，增加了3.7條“既有結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)原則”的規(guī)定，指出結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)對建筑物安全性有著決定性影響，鑒于結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)的難度和代價(jià)較大，一般結(jié)構(gòu)只須進(jìn)行防連續(xù)倒塌的概念設(shè)計(jì)，以定性設(shè)計(jì)的方法增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)固性；同時(shí)新版規(guī)范3.4.4條對構(gòu)件撓度、裂縫寬度計(jì)算采用的荷載組合進(jìn)行了調(diào)整，新增鋼筋混凝土構(gòu)件采用荷載準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用的影響，完善了承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)容，增加以構(gòu)件分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行應(yīng)力設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。另外，新版混凝土規(guī)范3.4.1條第4款及3.4.6條還增加了樓蓋舒適度的要求，并規(guī)定樓蓋豎向自振頻率的限值。

三、新版規(guī)范關(guān)于承載能力極限狀態(tài)計(jì)算的調(diào)整修訂

（一）正截面承載力計(jì)算的修訂

新版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對受彎構(gòu)件正截面承載力的計(jì)算未作改動(dòng)，但對受壓構(gòu)件正截面承載力的計(jì)算改動(dòng)較大，主要是針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的二階效應(yīng)問題。2002版混凝土規(guī)范在考慮P-δ效應(yīng)時(shí)^[7-8]，對引起結(jié)構(gòu)側(cè)移的荷載或作用所產(chǎn)生的一階彎矩Ms和不引起結(jié)構(gòu)側(cè)移的荷載產(chǎn)生的一階彎矩Mns不加區(qū)別，全部乘以增大系數(shù)ηs，即考慮P-δ效應(yīng)時(shí)結(jié)構(gòu)的彎矩為M=（Mns+Ms）ηs。新版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在考慮P-δ效應(yīng)時(shí)，對除排架結(jié)構(gòu)以外的框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)及筒體結(jié)構(gòu)只增大引起結(jié)構(gòu)側(cè)移的荷載或作用所產(chǎn)生的一階彎矩Ms，不增加不引起結(jié)構(gòu)側(cè)移的荷載產(chǎn)生的一階彎矩Mns，即結(jié)構(gòu)中的彎矩為M=Mns+ηsMs。另外，對于P-δ效應(yīng)，2002版規(guī)范通過初始偏心距增大系數(shù)η來考慮P-δ效應(yīng)，而新版混凝土規(guī)范6.2.3條規(guī)定偏心壓力構(gòu)件通過調(diào)整構(gòu)件控制截面的彎矩設(shè)計(jì)值M來考慮P-δ效應(yīng)（彎矩作用平面內(nèi)截面對稱的偏心受壓構(gòu)件，當(dāng)同一主軸方向的桿端彎矩比不大于0.9且軸壓比不大于0.9，同時(shí)構(gòu)件的長細(xì)比滿足的偏心受壓構(gòu)件時(shí)不用考慮P-δ效應(yīng)），取消了軸向力偏心距增大系數(shù)η對二階效應(yīng)的影響。關(guān)于軸向壓力在撓曲桿件中產(chǎn)生的P-δ效應(yīng)新舊規(guī)范具體的變化如表1（以非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件為例）。

（二）斜截面承載力計(jì)算的修訂

2002版混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范關(guān)于受彎構(gòu)件斜截面承載力計(jì)算公式，經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：當(dāng)集中荷載對支座截面或節(jié)點(diǎn)邊緣產(chǎn)生的剪力值占總剪力的75%時(shí)，分別按均布荷載和集中荷載兩種情況計(jì)算的箍筋差異很大，即造成配箍不連續(xù)。因此，為了克服上述不足，新版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范6.3.4條統(tǒng)一了一般受彎構(gòu)件與集中荷載作用下梁的斜截面受剪承載力計(jì)算公式，并調(diào)整了斜截面受剪承載力計(jì)算公式中箍筋抗力項(xiàng)的系數(shù)，適當(dāng)增加斜截面受剪承載力的安全儲(chǔ)備，新舊規(guī)范關(guān)于受彎構(gòu)件斜截面受剪承載力的計(jì)算公式如表2（以非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土受彎構(gòu)件為例）。同理，將考慮地震作用的框架梁其斜截面受剪承載力計(jì)算公式也作了相應(yīng)修改。

四、新版規(guī)范關(guān)于正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算的調(diào)整修訂

（一）裂縫控制驗(yàn)算的修訂

新版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范3.4.4條保留了2002版混凝土規(guī)范有關(guān)裂縫控制等級劃分的規(guī)定，但對受力裂縫的控制進(jìn)行了適當(dāng)放松（詳見新版混凝土規(guī)范第3.4.4及7.1.1條規(guī)定）。另外，在進(jìn)行最大裂縫寬度wmax計(jì)算時(shí)，新版混凝土規(guī)范7.1.2條調(diào)整了計(jì)算中鋼筋應(yīng)力σs的計(jì)算方法，以及表7.1.2-1中關(guān)于鋼筋混凝土受彎、偏心受壓構(gòu)件受力特征系數(shù)αcr的取值，將wmax的公式計(jì)算值適當(dāng)減小。

（二）撓度驗(yàn)算的修訂

在進(jìn)行受彎構(gòu)件撓度驗(yàn)算時(shí)，新版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范7.2.2條在受彎構(gòu)件短期剛度Bs的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充提出了考慮荷載準(zhǔn)永久組合和荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的長期作用對撓度增大的影響，給出了剛度計(jì)算公式B=Bs/θ。另外，根據(jù)國內(nèi)研究成果，在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件短期剛度Bs計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋等效面積折減系數(shù)α1，適當(dāng)調(diào)整值ρ，就可將原公式用于無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的短期剛度計(jì)算（詳見新版混凝土規(guī)范第7.2.3條規(guī)定^[1]）。

五、新版規(guī)范關(guān)于構(gòu)造規(guī)定的調(diào)整修訂

（一）混凝土保護(hù)層厚度規(guī)定的修訂

新版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范8.2.1條調(diào)整了鋼筋保護(hù)層厚度的規(guī)定，從混凝土碳化、脫鈍和鋼筋銹蝕的耐久性角度考慮，不再以縱向受力鋼筋的外緣計(jì)算，而以最外層鋼筋（包括箍筋、構(gòu)造筋、分布筋等）的外緣計(jì)算混凝土保護(hù)層厚度。修訂后的保護(hù)層厚度實(shí)際上比原規(guī)范的規(guī)定有所增加，一般情況下略有增加，而惡劣環(huán)境下增加的幅度較大，新舊規(guī)范關(guān)于混凝土保護(hù)層最小厚度c的對比如表3。從表3可以看出，新版規(guī)范中關(guān)于混凝土保護(hù)層的厚度無論從數(shù)值上還是具體計(jì)算規(guī)定上都明顯增大，充分考慮了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求，新增設(shè)計(jì)使用年限100年的結(jié)構(gòu)，其保護(hù)層厚度取相應(yīng)類別使用年限為50年的1.4倍，同時(shí)細(xì)化環(huán)境類別，將原規(guī)范中的環(huán)境三類細(xì)化為三a、三b兩個(gè)子類，并進(jìn)一步加大惡劣環(huán)境下混凝土保護(hù)層厚度的取值。

（二）關(guān)于鋼筋錨固長度規(guī)定的修訂

新版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范8.3.1條對基本錨固長度的計(jì)算公式未作改動(dòng)，但明確了鋼筋的錨固長度la=ξalab，其中修正系數(shù)ξa根據(jù)錨固條件取用，同時(shí)在計(jì)算基本錨固長度lab時(shí)，刪除了原規(guī)范中錨固性能較差的刻痕鋼絲。由于2002版規(guī)范中關(guān)于混凝土強(qiáng)度最高等級取C40偏于保守，故新版規(guī)范將混凝土最高強(qiáng)度等級提高到C60，以提高錨固的性能。

六、新版規(guī)范在混凝土課程教學(xué)過程中的新要求

新版混凝土規(guī)范自2011年7月頒布實(shí)施以來，已經(jīng)有近一年，而目前中國高校所使用的教材多數(shù)是在2002版規(guī)范基礎(chǔ)之上編寫而成，如何將教學(xué)內(nèi)容與新規(guī)范相結(jié)合是目前混凝土任課教師亟待解決的問題，筆者認(rèn)為在教學(xué)的過程中將重點(diǎn)從如下幾個(gè)方面入手。

一是，改變以教材為主要參考資料而較少閱讀和學(xué)習(xí)《規(guī)范》的傳統(tǒng)教學(xué)方法，提高學(xué)生解決結(jié)構(gòu)實(shí)際問題的綜合能力。強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，包括到施工現(xiàn)場參觀的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)及綜合技能訓(xùn)練等。在混凝土結(jié)構(gòu)課程開課前，讓學(xué)生對梁、板、柱等常見的混凝土基本構(gòu)件以及框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等常見的混凝土結(jié)構(gòu)形式形成初步感性認(rèn)識(shí)，并借以引發(fā)和提高學(xué)生學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)課程的興趣。

二是，改變以往授課過程中只重視單個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，輕視整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的教學(xué)思想，補(bǔ)充“結(jié)構(gòu)方案”和“結(jié)構(gòu)抗倒塌”設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容。使學(xué)生了解和掌握結(jié)構(gòu)系統(tǒng)概念，了解課程的主要層次關(guān)系，從全局把握學(xué)習(xí)重點(diǎn)，理清學(xué)習(xí)思路，建立結(jié)構(gòu)整體系統(tǒng)概念，理清各部分之間的關(guān)系，為課程學(xué)習(xí)建立總體框架。

三是，注意新舊規(guī)范關(guān)于混凝土和鋼筋兩種材料在強(qiáng)度和級別方面的修訂和增補(bǔ)原因。目前，由于規(guī)范處于過渡階段，故應(yīng)重點(diǎn)向?qū)W生講明混凝土和鋼筋兩種材料的級別調(diào)整和增補(bǔ)原因，糾正以往對鋼筋等級（例如Ⅰ級鋼、Ⅱ級鋼、Ⅲ級鋼等）的提法，而應(yīng)以規(guī)范規(guī)定的提法為準(zhǔn)，同時(shí)提醒學(xué)生關(guān)于兩種材料強(qiáng)度的調(diào)整規(guī)定。

四是，關(guān)于單個(gè)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)中受彎構(gòu)件斜截面受剪承載力和偏心受壓構(gòu)件正截面承載力計(jì)算新舊規(guī)范的對比，以及新規(guī)范修改的原因，在授課時(shí)引用《規(guī)范》中的條文進(jìn)行講解。這樣可以讓學(xué)生在理解課堂教學(xué)知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)一步熟悉《規(guī)范》規(guī)定的原因以及依據(jù)。

五是，注意鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度和撓度驗(yàn)算的變動(dòng)；授課過程中應(yīng)注重鋼筋混凝土構(gòu)造和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如板、梁、柱）有關(guān)內(nèi)容的變化。構(gòu)造措施是人們在長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)而成的，是防止因計(jì)算考慮不周全而造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂、破壞，或者是保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用和施工上的需要而采用的，構(gòu)造措施在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要，大多數(shù)抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)問題都是通過構(gòu)造措施得以

保證，因此一定要引起足夠重視。

七、結(jié)語

混凝土結(jié)構(gòu)是中國工業(yè)與民用建筑采用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是目前高校土木工程專業(yè)非常重要的一門專業(yè)課程。新版混凝土規(guī)范在高強(qiáng)高性能材料的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)分析內(nèi)容的擴(kuò)展以及實(shí)現(xiàn)與國際接軌等方面都有了很大進(jìn)步，同時(shí)新規(guī)范更加側(cè)重房屋、鐵路、公路、港口和水利水電工程混凝土結(jié)構(gòu)共性技術(shù)問題設(shè)計(jì)方法的統(tǒng)一，這與“大土木”專業(yè)設(shè)置要求和土木工程專業(yè)“寬基礎(chǔ)、多出口”的培養(yǎng)目標(biāo)更加吻合。筆者僅介紹了規(guī)范與本科教學(xué)有關(guān)的主要修訂內(nèi)容，并以此提出教學(xué)新要求，以期拋磚引玉，共同推進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)的改革。

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Teaching of concrete structure design course

LI Fengchen1，2， ZHANG Lina1，2， XU Chi2， YI Pinghua1

（ 1.College of Civil Engineering and Architecture， East China Institute of Technology， Nanchang 330013， P. R. China；

2. Fuzhou Institute of Exploring and Architectural Design， Fuzhou 344000， P. R. China）

Abstract：According to the new code for design concrete structures （GB50010-2010）， compared with the old code for design concrete structures （GB50010-2002）， the paper elaborated the main basis for revision， summarized the revision contents of new code comprehensively， and put forward the new requirements of concrete structure design course on the teaching method. Meanwhile the paper offered reference to engineers and technicians in order to help them understand and master the new code.

Keywords：concrete structures； teaching method； design code； revision content； technical point