中美規范下預應力混凝土結構設計方法的比較

楊大平

（華藍設計（集團）有限公司廣西南寧市530011）

中美規范下預應力混凝土結構設計方法的比較

楊大平

（華藍設計（集團）有限公司廣西南寧市530011）

通過具體案例經過材料弧度換算和控制驗算指標，對中美規范下預應力混凝土正截面受彎承載力的設計成果進行了比較，使我們大致了解了兩國規范在設計步驟和相應的計算結果方面的差異。

中美規范；預應力混凝土；設計方

1　引言

我國混凝土結構設計最初采用的是前蘇聯的規范，幾十年來一直努力不斷改善和修正該規范，已經建成了相當可行的規范，我國本土的規范與世界發達國家的規范相比，我國的規范要經濟一些。

2　在中美規范下預應力混凝土受彎構件正截面受彎承載力的設計方法比較

中國現行的《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）一般選擇條件屈服強度作預應力筋應力，將正截面受彎的承載力大小和混凝土在受壓區域的高值建立方程進行聯立求解，最終求出預應力筋的橫截面積，再通過設計預應力筋求出偏心距，再然后驗算正截面抗裂和檢測施工階段可行性。

美國通用的ACI318-05規范是先假設一截面尺寸數值，計算需要的預張力。偏心距和預應力筋的截面積，再驗算在各階段期間混凝土應力與受彎承載力。中美兩國的規范在材料強度。材料種類。抗力值大小和建造方法等方面存在較大的差異，較難進行詳細對比。

本研究假設使用相同受荷條件，且具有相同內力的預應力梁，以本國的材料強度為規范，以相應規范規定的材料強度作為輸入條件對設計正截面下受彎承載力得出的配筋量進行對比。

3　按中國的GS50010-02規范進行設計

3.1計算的條件

跨中段截面的彎矩標準值，矩形截面的后張預應力簡支梁，恒載所產生的M=422.35kN·m，自重M0=101.251kN·m，活荷載達到M1=127.2kN·m。規定混凝土強度為100%時再進行張拉預應力筋，預應力損失ó=308.6N/mm2。

3.2選用的材料

C40型號的混凝土，Fck=26.8N/mm2；鋼絞線f=1860N/mm2。

3.3預應力筋的計算與布置

假設截面300mm×750mm，有效預應力和張拉控制應力為1046N/mm2和1395N/mm2，取跨中截面的偏心距c=275mm。截面面積A=2.25×105，W=2.8×107mm4。預應力筋的截面積經過計算為：

選用2×6束φ15.2規格的鋼絞線，總截面積為12×139= 1668mm2，遵照二次拋物線的形狀進行布筋。

按標準構造配置非預應力筋，受拉區5φ2，A=565mm2；受壓區4φ2，A=452mm2。

3.4正截面抗彎承載力計算

由公式a1×fc×bx=fy×As-fy′As′+fρyAρ可計算受壓區高度，x= 19.1×300x=300×（565-452）+1320×1668=390mm，由公式M=a1×fc× bx可計算正截面受彎承載力M=19.1× 300×390×（690-0.5×390）+300×452×（690-35）=1195kN·m。

3.5正截面抗裂驗算

因為25.3>20.2，所以滿足抗裂要求。

3.6施工階段檢驗

4　按美國A01318-05規范驗算

4.1材料強度的取值

4.1.1強度標準值差異

ACI規范使用的是強度標準值，測算方法和中國標準規范也有所差別。

在美國，混凝土規范使用的圓柱體的強度是其抗壓強度的代表值，混凝土的強度標準數值相關的規定有：三個繼起的強度試驗的結果平均值大于等于所需設計強度，任意單個強度的試驗結果也要大于等于所需設計強度數值500psi（SI制為3.4475MPa）。則平均強度和設計強度之間公式為u=f+2.33ó-3.4475。標準值的公式是f=u-2.33ó+3.4475。

中國混凝土規范規定的強度保證率為95%，標準值表達式為Fck=u-1645ó。對C40混凝土，變異系數取值設為0.12，則強度平均值為33.39N/mm2，將其換算為圓柱體強度0.79×33.39= 26.38N/mm2。再將其折算成美國規范下的強度標準值，代入得22.45N/mm2。

4.1.2鋼筋強度標準值

美國規范要求測得的鋼筋強度標準值最小值要大于等于所要求的強度值，標準值表達式為f=u-3.00ó。

在中國，混凝土的規范規定鋼筋的強度保證率為95%，標準值公式為Fck=u-1645ó。對鋼絞線取變異系數設為0.08，則強度平均值計算得2141.87N/mm2，折算成美國規范下的強度標準值得1627.82N/mm2。

4.2受彎承載力驗算

在預應力筋的應力計算方面取y值=0.4，B=0.85，p=0.618，則代入數值計算得f=1284.5MPa。理論受彎承載力計算，其中a= 374mm。

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

受彎設計承載力為M=0.90×1377.7=1239.9kN·m，彎矩設計值為：M=1.2D+1.6L=1.2×523.6+1.6×127.2=831.84kN·m，因此滿足承載力要求。

5　對比分析

5.1預應力筋的截面面積比較

通過GB50010-02規范計算得到的面積是1558mm2，而AC1318-05計算出來的面積是l533mm2，因此兩種規范計算出來的結果沒有什么差別。

5.2混凝土截面尺寸比較

GB50010-02事先假設截面尺寸為300mm×750mm，然后在這個假設基礎上驗算并布置預應力鋼筋，然后核算混凝土抗裂要求和進行施工階段的驗算；ACl318-05是在混凝土容許應力的基礎上計算截面模量，并根據模量選擇截面尺寸為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安全儲備比較

GB50010-02彎矩設計值是806.4kN·m，正截面的受彎承載力為1194.8kN·m，安全儲備達到149%；ACl318-05彎矩設計值為831.84kN·m，正截面受彎承載力1239.9kN·m，安全儲備為150%，兩者結果幾乎沒有差異。

5.4驗算目的的對比

GB50010-02規范是在開裂驗算方面對混凝土應力在常規應用階段的檢驗，另外按規定還實施了施工階段的檢驗；ACl318-05是分別驗算在應力傳遞后即刻的容許壓應力和拉應力，還有在全部損失削除后在使用荷載下的容許壓應力和拉應力，這兩者檢驗的控制指標有明顯的差異。

6　結束語

中美兩國的規范在材料強度取值和設置控制目標方面有明顯差異，在比較時要作相應的轉換才能得出比較真實的結果。本文通過算例直觀反映了中美兩國在預應力混凝土受彎構件設計中的一些差異，上述對比結果還與所受荷載情況及材料強度等級等有關，實際工程中應具體問題具體分析。

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[3]馮星華.預應力混凝土耐久性及其影響因素和技術措施[J].中國水運，2007，5（12）：112～115.

TU318

A

1673-0038（2015）14-0021-02

2015-2-4

楊大平（1979-），男，山東泗水人，工程師，工學碩士學位，主要從事工程結構相關工作。