中美規范鋼筋混凝土梁設計差異分析

樊琨，趙敏

（1.華陸工程科技有限責任公司，西安 710065；2.西安建工大唐灞柳建設項目開發有限責任公司，西安 710000）

1 引言

美標作為世界主流標準之一，已應用在越來越多的國家。國內外現行主流鋼筋混凝土設計規范雖然都采用了分項系數設計方法，但在很多方面都存在差異，進而導致在相同工況下，用中美規范進行設計計算的結果存在差異。本文就中美規范對鋼筋混凝土梁設計的差異進行對比分析。

2 荷載組合

2.1 國標荷載組合

GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》[1]規定，在一般情況下，計算鋼筋混凝土框架結構的承載能力極限狀態，國標中的計算公式如式（1）所示。

當作用與作用效應按線性關系考慮時，基本組合的效應設計值按式（1）中最不利值計算：

式中，γGi為第i個永久作用的分項系數；SGik為第i個永久作用標準值的效應；γp為預應力作用的分項系數；Sp為預應力作用有關代表值的效應；γQ1為第1 個可變作用的分項系數；γL1為第1 個考慮結構設計使用年限的荷載調整系數；SQ1k為第1個可變作用標準值的效應；ψcj為第j個可變作用的組合值系數；γLj為第j個考慮結構設計使用年限的荷載調整系數；SQjk為第j個可變作用標準值的效應。

2.2 美標荷載組合

ACI 318—05Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary（美國房屋建筑混凝土結構規范及條文說明）（以下簡稱“美標”）[2]中的設計理念依然按照其指定的荷載大小（就相當于國標中的荷載標準值，但其值的大小有差異），同時乘以相應的分項系數，并考慮荷載組合（組合系數以及組合方式和國標存在差異）。按美標中規定，有8 種基本組 合：（1）1.4D；（2）1.2D+1.6L+0.5Lr；（3）1.2D+1.6Lr+1.0L；（4）1.2D+1.6Lr+0.8W；（5）1.2D+1.6W+1.0L+0.5Lr；（6）1.2D+1.0E+1.0L；（7）0.9D+1.6W；（8）0.9D+1.0E。上述組合中字母含義分別為：D為不變荷載，kN/m2；L為可變荷載，kN/m2；Lr為屋面荷載，kN/m2；W為風荷載，kN/m2；E為地震作用，kN。

3 設計表達式

3.1 國標設計表達式

GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）（以下簡稱“國標”）[3]規定的設計方法見式（2）：

式中，γ0為重要性系數；S為作用組合的效應設計值，kN·m；R為結構構件的抗力設計值，kN·m；fc、fy分別為混凝土、鋼筋的強度設計值，MPa；ak為幾何參數，mm。

3.2 美標設計表達式

美標中將各種材料的抗力標準值得出的“名義強度”與降低系數相乘進而得出設計強度。見式（3）：

式中，U為所需強度（荷載作用效應），kN·m；Sn為結構抗力的標準值，kN·m。

4 材料強度換算

美國材料與試驗協會ASTM 規定，選用直徑150 mm，高300 mm 圓柱體試件28 d 的抗壓強度，連續隨機3 組試件的平均值不小于設計取值才算符合要求，同時所有試件的試驗值大于設計強度的3.45 N/mm2，并且具有98%的保證率?？箟簭姸扔嬎阋娛剑?）：

式中，fc′為美標中的抗壓強度，N/mm2；fcu,k為混凝土標準試件的平均抗壓強度，N/mm2；δc為混凝土試件軸心抗壓強度變異系數。

國標采用150 mm×150 mm 立方體試件28 d 的抗壓強度，其混凝土強度保證率為95%，平均抗壓強度計算見式（5）：

針對中美規范中標準試件的差異，取美國混凝土規范標準試件與中國混凝土規范標準試件強度比值為1.25 計算。即：

據此可以建立中美規范不同強度等級下的強度對照表，見表1。

表1 中美規范混凝土級別強度對照表N/mm2

5 算例

已知鋼筋混凝土梁計算跨度l0=6m，截面尺寸（寬×高）b×h=300 mm×600 mm，恒荷載標準值gk=20 kN/m，活荷載，混凝土強度等級采用C30，縱筋采用HRB400，保護層厚度c=25mm，箍筋采用HPB300，分別按照國標及美標計算梁縱向鋼筋面積。計算各參數按各規范要求選取，美標中選最不利荷載組合進行計算，即1.2D+1.6L+0.5Lr。

經計算，國標中縱向受力鋼筋面積As=1 273mm2，美標縱向受力鋼筋面積A′s=1 486 mm2，(A′s-As)/As=(1 486-1 273)/ 1 273=16%，因此，按美標設計配筋，比按國標設計配筋多16%。

6 結語

基于上述分析可得以下結論：

1）從整體上來說，美標中鋼筋混凝土梁設計同我國規范比較類似，然而在設計荷載的取值、材料強度的取值以及可靠度的表達方式上與國標具有一定的差異。

2）同樣的荷載和同樣的材料采用中美規范進行混凝土梁設計時，縱向鋼筋配筋結果有16%的差異。