中美規范在港口工程混凝土結構設計中的對比分析

孫 麗，閆曉璐

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

國際化的設計工程師要求設計者不僅熟悉行業的國內規范，更要掌握國外規范，了解國內外規范之間的差異。美國規范是國際通用的主流規范之一，在國外工程項目的應用十分廣泛。分析中美設計規范中存在的差異，有利于工程項目設計過程的順利進展。國內對港口工程鋼筋混凝土構件進行結構設計時，以參考《水運工程鋼筋混凝土結構設計規范》（JTS 151-2011）[1]為主，美國主要參考《Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary》（ACI 318-14）[2]。本文以高樁碼頭中常見的混凝土構件軌道梁為例，對中美規范水工鋼筋混凝土結構設計的差異進行對比分析，為類似設計提供一定參考。

1 鋼筋混凝土材料指標對比

1.1 混凝土指標

我國規范 JTS 151-2011規定混凝土強度等級按立方體抗壓強度標準值確定，即采用養護28 d的邊長為150 mm的立方體試件進行試驗，測得的具有95 %保證率的立方體抗壓強度fcu,k作為評定混凝土強度等級的標準。美國規范ACI 318-14采用養護28 d的?150 mm×300 mm（?6 inch×12 inch）的圓柱體試件進行試驗，測得的具有91 %保證率的抗壓強度的圓柱體抗壓強度 fc’作為設計中的混凝土強度值。

我國混凝土強度等級共有14個，分別為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80，其中 C50～C80 為高強度混凝土。美國混凝土的強度單位為 psi，1 psi=0.006895 MPa。美國混凝土強度代表性的等級包括 3 000 psi，4 000psi，5 000 psi，6 000 psi。

文獻[3]等均推導了 95 %保證率的立方體抗壓強度fcu,k與91 %保證率的圓柱體抗壓強度fc’之間的對應換算關系，本文將美國規范常用的混凝土型號的圓柱體抗壓強度與我國立方體強度換算關系列于表1。

表1 中美混凝土強度關系對應

由表1可以看出，5 000 psi混凝土與我國C40混凝土的強度接近。

國標規定混凝土受壓彈性模量與混凝土抗壓強度之間的關系為：

美標采用 45 %強度值的應力水平所確定割線模量作為彈性模量，普通砂石混凝土的彈性模量Ec與混凝土抗壓強度fc’之間的關系為：

不同水工混凝土等級對應的彈性模量 Ec如表2、表3所示。

表2 JTS 151-2011混凝土彈性模量Ec

表3 ACI 318-14混凝土彈性模量Ec

1.2 鋼筋指標

我國規范JTS 151-2011規定普通混凝土結構鋼筋宜采用 HRB400、HRB500級鋼筋，也可采用HPB300、HRB335、RRB400級鋼筋。美國規范ASTM A615根據屈服強度對變形和光圓碳素鋼筋做了分類，共四個強度等級：40 000 ps（i280 MPa）、60 000 psi（420 MPa）、75 000 psi（520 MPa）和80 000 psi（550 MPa）。屈服強度為280 MPa和420 MPa的鋼筋在價格差別不大，因此在混凝土結構設計時，更常選用60 000 psi（420 MPa）等級的鋼筋。

在構件計算時，我國規范采用鋼筋抗拉強度設計值進行結構設計，美國規范采用鋼筋屈服強度值進行結構設計。我國規范在計算構件的裂縫時，需要用到鋼筋的彈性模量Es，美國規范由于不計算構件裂縫，因此計算時不使用鋼筋的彈性模量。

我國鋼筋的規格采用直徑表示，單位為mm。美國鋼筋的規格用鋼筋號表示，一個鋼筋號為1/8 in（1 in=25.4 mm），有 3、4、5、6、7、8、9、10、11、14、18共計11種規格的鋼筋。

2 鋼筋混凝土結構設計對比

2.1 荷載組合

美國規范將荷載分為三類：恒荷載、活荷載和環境荷載。恒荷載相當于我國規范中的永久荷載，主要指結構的自重。我國規范荷載組合采用荷載規范值乘以組合系數的方法，美國規范荷載組合方法與我國相似，但荷載的取值、組合系數與中國規范存在差異。

2.2 保護層厚度

JTS 151-2011規定受力鋼筋混凝土保護層厚度取值考慮混凝土構件所在部位、水質環境、地理位置及箍筋直徑等因素，例如處在南方海水環境浪濺區的混凝土構件，箍筋直徑超過6 mm時，保護層厚度不小于70 mm。ACI 318-14規定，暴露在海水、地下水等含有氯化物的環境中的混凝土構件的保護層厚度不小于2 in（50.8 mm），墻和板的混凝土保護層厚度不應小于2.5 in（63.5 mm），預制混凝土構件的混凝土保護層厚度不小于 1.5 in（38.1 mm），預制墻和板的混凝土保護層厚度不小于2 in（50.8 mm）。需要注意的是，JTS 151-2011規定的保護層厚度為受力主筋的外側至混凝土表面，ACI 318-14指從最外層鋼筋外側至混凝土表面。

2.3 極限狀態設計

我國及美國規范均采用概率理論為基礎的極限狀態設計法。對于承載能力極限狀態，JTS 151-2011要求按下式進行設計：

γ0Sd≤R

式中：

γ0為重要性系數，安全等級為一級、二級、三級的結構構件分別取1.1、1.0、0.9；

Sd為承載能力極限狀態的作用效應組合的設計值；

R為結構構件的承載力設計值。

對于正常使用極限狀態，JTS 151-2011要求按下式進行設計：

Sd≤C

式中：

Sd為正常使用極限狀態的作用效應組合設計值；

C為結構構件達到正常使用要求所規定的限值。

美國ACI 318對構件的承載能力極限狀態要求滿足：

?Sn≥Ur

式中：

Φ為強度折減系數，彎矩計算時取0.65～0.90，剪力計算時取0.75；

Sn為名義承載力；

Ur為結構構件的承載能力極限狀態荷載效應組合值。

ACI 318對構件的正常使用極限狀態要求滿足：

Ur≤C

式中：

Ur為結構構件的正常使用極限狀態荷載效應組合值；

C為結構構件達到正常使用要求所規定的限值。

2.4 鋼筋最小配筋率

JTS 151-2011要求的普通梁縱向受彎鋼筋最小配筋率為0.2和45ft/fy中的較大值，ACI 318-14要求非預應力梁受彎鋼筋的最小配筋率ρ應大于如下二者中的較大值：

ACI 318-14還規定，當梁的各個截面的實際配筋面積均大于計算所得最小配筋面積的1/3時，可以不滿足上式計算所得的最小配筋率。

ACI 318-14要求非預應力梁受剪箍筋的最小配筋面積Av應大于如下二者中的較大值：

式中：

fyt為橫向鋼筋的屈服強度；

bw為矩型梁的寬度及T型梁的腹板寬度；

s為箍筋間距。

2.5 裂縫控制

我國規范JTS 151-2011通過公式計算得出鋼筋混凝土結構產生的最大裂縫寬度，并要求計算裂縫寬度值不超過允許裂縫限值。美國規范ACI 318-14對構件的裂縫寬度不進行計算，而是通過控制鋼筋最大間距來限制混凝土的裂縫。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

某碼頭為高樁梁板式結構，排架間距8 m，排架下方布設鋼管樁。碼頭的預制軌道梁安放在現澆鋼筋混凝土樁帽上，并在所有預制構件現場安裝好后現澆接頭，形成整體結構后現澆面板接頭混凝土及面層。預制軌道梁為寬度1.0 m，高度1.1 m的矩形斷面，現澆部分寬度0.94 m，高度0.45 m。使用期軌道梁的計算按照疊合連續梁考慮，軌道梁斷面如圖1所示。

圖1 使用期軌道梁斷面

計算中主要考慮的為荷載恒載（D），包括預制軌道梁自重（D1）及現澆部分自重（D2），均載（U），流動機械荷載（M）。鋼筋混凝土材料重度取24.5 kN/m3。使用期碼頭面均布荷載為20 kPa，軌道梁兩側1.5 m范圍內不考慮均載。流動機械輪壓為24 t，輪系布置如圖2。

圖2 登船橋軌道布置

根據軌道梁的施工過程，內力計算分三種工況：

1）施工期第一階段，安裝預制軌道梁，此時軌道梁計算按照簡支梁考慮，作用力為預制軌道梁自重；

2）施工期第二階段，預制軌道梁現澆接頭完成，形成連續梁，此時作用力為軌道梁自重及其上方的現澆混凝土自重；

3）使用期，按彈性支撐連續梁計算，梁上荷載為面層自重，均載及流動機械荷載。本算例主要對使用期的計算結果進行分析。

軌道梁的內力采用有限元軟件進行計算，配筋計算分別參考JTS 151-2011及ACI 318-14規范規定的公式進行配筋計算，計算中具體參數對比結果見表4。

表4 計算參數對比

3.2 計算結果分析

軌道梁使用期內力的計算結果見表5。

由于我國規范中活荷載的分項系數小于美國規范，因此計算所得內力偏大。采用上表中的計算結果對軌道梁進行配筋計算，鋼筋表見表6。

表5 使用期內力計算結果

表6 鋼筋表

4 結 語

以高樁碼頭軌道梁為實例，從材料性質、荷載組合、計算方法、裂縫控制等方面分析了中美規范在港口工程混凝土構件結構設計中的差異之處，得出結論：

1）中美兩國規范在鋼筋和混凝土材料的強度、規格、型號等方面都有較大的差異，因此在比較計算的過程中，選擇中美兩國具有相近指標的鋼筋和混凝土進行對比設計的結果更為準確。

2）采用美國規范計算所得的內力結果大于中國規范的計算結果，這主要是由于美國規范中部分荷載的分項系數大于我國規范。美國規范中恒載的分項系數與我國相同，但活荷載的分項系數偏大。

3）相同荷載作用下，采用ACI 318-14規范進行梁的正截面受彎承載力計算所需縱筋的配筋量小于JTS 151-2011計算所需配筋量，而斜截面承載力計算時，ACI 318-14計算所需箍筋量大于JTS 151-2011。