水工混凝土“78規(guī)范”與“96規(guī)范”安全度對比

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簡介： 該文從規(guī)范采用的設計準則和混凝土強度保證率入手，分別對SDJ20?78和SL/T?96兩個水工鋼筋混凝土結構設計規(guī)范有效版本的安全度進行了分析，并以軸心受壓桿件和受彎桿件為例，量化了兩本規(guī)范的安全度對比情況以及對工程量的影響程度。
關鍵字：水工混凝土 設計規(guī)范 安全度 對比

1 問題的提出

在南水北調中線總干渠水工設計中，先后采用了《水工鋼筋混凝土結構設計規(guī)范 SDJ20—78》（簡稱“78規(guī)范”）和《水工鋼筋混凝土結構設計規(guī)范 SL/T 191—96》（簡稱“96規(guī)范”），目前這兩本規(guī)范都為有效版本。但在實際工作中發(fā)現，以前用“78規(guī)范”設計的工程，現在用“96規(guī)范”復核,一些指標不滿足要求；相反按“96規(guī)范”設計的工程，再用“78規(guī)范”復核，一些指標也不滿足要求。因此在設計人員的思想上產生了混亂，人們迫切需要弄清兩本規(guī)范的安全度對比情況和對工程量的影響程度。然而，兩本規(guī)范的設計理論不同，不能直接進行比較。為此，筆者結合實際工作，采用從材料強度、荷載取值、計算公式等方面逐項累計的方式，進行了兩本規(guī)范的安全度對比。

2 混凝土強度對比

在“78規(guī)范”中，混凝土標號試件為邊長200 mm立方體，其強度保證率為90％。在“96規(guī)范”中，混凝土強度等級試件為邊長150 mm的立方體，其強度保證率為95％。

試件尺寸由200 mm立方體改為150mm立方體的尺寸效應影響系數為0.95，即“96規(guī)范”的混凝土強度等級乘0.95折算為“78規(guī)范”混凝土標號。另外，“96規(guī)范”的混凝土強度等級保證率由95％換算為90％，須乘系數A：

A= （1－1.270δfcu）/(1－1.645δfcu)

δfcu—混凝土立方體（邊長150 mm）抗壓強度的變異系數。

為了便于說明問題，將“78規(guī)范”的混凝土標號R200、R250、R300、R400對應于“96規(guī)范”的混凝土強度等級C20、C25、C30、C40，并以“78規(guī)范”為基礎進行比較。經過單位換算并計入試件尺寸效應和保證率影響系數后，“78規(guī)范”和“96規(guī)范”的混凝土強度對比見表1。

3 設計理論及工況參數對比

3.1 “78規(guī)范”設計理論

“78規(guī)范”采用極限狀態(tài)設計原則，以綜合安全系數表達式進行設計。強度計算和抗裂驗算設計表達式如下：

KMq≤MP 　　（強度計算狀態(tài)） 

KfMs≤Mf ?。沽羊炈銧顟B(tài)）

式中：K為強度安全系數； Mq為使用期內構件截面可能出現的最大內力；MP為相應截面在破壞時所能承擔的最大內力；Kf為抗裂安全系數；Ms為基本荷載作用下構件截面可能出現的最大內力；Mf為該截面即將開裂時所能承擔的內力。

3.2 “96規(guī)范”設計理論

“96規(guī)范”采用概率極限狀態(tài)設計原則，以分項系數表達式進行設計。強度計算和抗裂驗算設計表達式如下：

γdγ0Ψ（γGSGK＋γQSQK）≤ R (強度計算狀態(tài))

γ0(LGK＋ρLQK)≤αctf tk (抗裂驗算狀態(tài))

式中：γ0為結構重要性系數，對于安全等級為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的建筑物分別取1.1，1.0，0.9；γd為結構系數，取1.2；ψ為設計狀況系數，對于持久、短暫、偶然狀況分別取1.0，0.95，0.9；γG為永久荷載分項系數，取1.05；γQ為可變荷載分項系數；SGK為永久荷載標準值的作用效應；SQK為可變荷載標準值的作用效應；R為相應截面在破壞時所能承擔的最大內力；LGK永久荷載標準值作用下結構受拉邊緣的拉應力效應；LQK為可變荷載標準值作用下結構受拉邊緣的拉應力效應；ρ為可變荷載標準值的長期組合系數；αct為混凝土拉應力限制系數，長期組合取0.7；ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值。

3.3 荷載組合及參數對比

對于強度計算狀態(tài)，按照《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（DL5077—1997）規(guī)定，持久設計狀況和短暫設計狀況均采用基本荷載組合，偶然設計狀況采用偶然組合。因此可以認為，在強度計算中，“96規(guī)范”的持久設計狀況和短暫設計狀況均對應于“78規(guī)范”的基本荷載組合；“96規(guī)范”的偶然設計狀況對應于“78規(guī)范”的特殊組合。

對于抗裂驗算狀態(tài)，按照《水利水電工程結構可靠度設計統一標準》（GB50199—94）規(guī)定，一般應按持久設計狀況的長期組合和短期組合設計。因此可以認為，在抗裂驗算中，“96規(guī)范”持久設計狀況的長期組合和短期組合均對應于“78規(guī)范”的基本荷載組合。

對于荷載分項系數，按照DL5077—1997的規(guī)定，自重永久荷載分項系數一般采用1.05，靜水壓力可變荷載分項系數采用1.0。當進行抗裂驗算時，荷載分項系數均采用1.0。在“78規(guī)范”中，荷載安全系數未單獨列出，包含在了綜合安全系數K中。

4 構件安全度對比

為了定量比較“78規(guī)范”和“96規(guī)范”的安全度，下面以渡槽為例，就構件在基本荷載組合下的強度和抗裂安全度進行比較。

在渡槽工程中，自重和槽內靜水壓力是主要荷載，風荷載、人群荷載等其它可變荷載均為次要荷載。因此就安全度對比而言，可僅考慮主要荷載，不計次要荷載。根據南水北調中線渡槽設計情況，考慮自重永久荷載占總荷載的1/3，靜水壓力可變荷載占總荷載的2/3。

4.1 軸心受壓構件承載能力安全度對比

“78規(guī)范”表達式：KN≤Ra

“96規(guī)范”表達式：1.2×γ0N（1.05×1/3＋1.0×2/3）≤f c

按上述表達式，鋼筋混凝土軸心受壓構件基本荷載組合情況下的承載能力安全度對比（表2）。

4.2 受彎構件承載能力安全度對比 

以矩形截面為例，在不計受壓鋼筋情況下：

“78規(guī)范”表達式：KM≤RWbx1(h0－x1/2)

“96規(guī)范”表達式：1.2×γ0M（1.05×1/3＋1.0×2/3）≤ fcbx 2(h0－x2/2)

根據力的平衡條件,有RWbx1 =f cbx 2， x 2=1.42x1，則

“96規(guī)范”表達式改寫為：1.22γ0M≤f cbx 2(h0－0.71x 1)

由此可以看出，受彎構件的安全度不僅與截面尺寸及混凝土強度有關，而且還與混凝土受壓區(qū)高度有關。綜合考慮上述因素后,矩形截面受彎構件承載能力安全度對比（表3）。

4.3 受彎構件抗裂安全度對比

根據南水北調中線總干渠的設計運用原則和DL5077—1997的規(guī)定，渡槽的設計水壓力與永久荷載組合為長期組合，長期組合系數ρ取1.0。于是有下述受彎構件抗裂驗算表達式。

“78規(guī)范”表達式：KfM≤γRfW0

“96規(guī)范”表達式：γ0M≤0.7γf tk W0

按上述表達式，長期荷載組合效應下的鋼筋混凝土受彎構件抗裂安全度對比（表4）。

5 結　論

（1）從設計理念方面來看，“96規(guī)范”比“78規(guī)范”更具有科學性和條理性。

（2）從混凝土設計強度取值方面來看，“96規(guī)范”的保證率為98.93％～99.99％，“78規(guī)范”為97.72％。因此，“96規(guī)范”的混凝土設計強度具有更高的可靠性，而且可靠性與混凝土強度等級成正比。 

（3）從構件強度計算方面來看，對于承受靜水壓力為主的軸心受壓及小偏心受壓構件，“96規(guī)范”的綜合安全度比“78規(guī)范”低10％左右；對于受彎及大偏心受壓構件，“96規(guī)范”的綜合安全度比“78規(guī)范”低5％～15％左右，降低幅度與受壓區(qū)高度成反比。因此，以強度為控制條件的軸心受壓及小偏心受壓構件，采用“96規(guī)范”比“78規(guī)范”可減少混凝土用量約10％；受彎及大偏心受壓構件可減少混凝土用量5％～15％。

（4）從構件抗裂驗算方面來看，對于1級建筑物長期荷載組合情況下的受彎構件，“96規(guī)范”的正截面抗裂綜合安全度比“78規(guī)范”高42％。因此，以抗裂為控制條件的受彎構件，進行構件截面抵抗矩換算后，采用“96規(guī)范”比“78規(guī)范”增加混凝土用量19％。

（5）從抗裂驗算范圍方面來看，“96規(guī)范”僅對承受水壓的軸心受拉和小偏心受拉構件以及發(fā)生裂縫后會引起嚴重滲漏的其它構件（如渡槽槽身等）提出抗裂要求，其余構件都可按裂縫寬度控制。因此，“96規(guī)范”的驗算范圍比“78規(guī)范”小得多。但由于“96規(guī)范”要求的抗裂安全度比“78規(guī)范”高得多，因此從經濟方面考慮，對于有抗裂要求的構件，最好采用預應力鋼筋混凝土結構。

The Safety Comparison Between Edition SDJ20?78 and SL/T?96 of Design Code for Hydraulic Concrete Structures

LI Ju?xing

(The Second Design and Research Institute of Water Conservancyand Hydropower of Hebei Province,Shijia?zhuang,050021 China )

Abstract: Based on design criteria and concrete bearing capacity , the paper analyzed the safety of edition SDJ20?78 and SL/T?96 of design code for hydraulic concrete structure.Using the vertical load in shaft centre and shaft curve with load as examples, the paper took a investment between two editiaons.

Keyword: hydraulic concrete structure; design code; safety comparison

作者簡介：李聚興(1952?)，男，河北省水利水電第二勘測設計研究院南水北調中線工程設計總工程師。