水工混凝土“78規(guī)范”與“96規(guī)范”安全度對(duì)比

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簡(jiǎn)介： 該文從規(guī)范采用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和混凝土強(qiáng)度保證率入手，分別對(duì)SDJ20?78和SL/T?96兩個(gè)水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范有效版本的安全度進(jìn)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(duì)比情況以及對(duì)工程量的影響程度。
關(guān)鍵字：水工混凝土 設(shè)計(jì)規(guī)范 安全度 對(duì)比

1 問(wèn)題的提出

在南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠水工設(shè)計(jì)中，先后采用了《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 SDJ20—78》（簡(jiǎn)稱(chēng)“78規(guī)范”）和《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 SL/T 191—96》（簡(jiǎn)稱(chēng)“96規(guī)范”），目前這兩本規(guī)范都為有效版本。但在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，以前用“78規(guī)范”設(shè)計(jì)的工程，現(xiàn)在用“96規(guī)范”復(fù)核,一些指標(biāo)不滿(mǎn)足要求；相反按“96規(guī)范”設(shè)計(jì)的工程，再用“78規(guī)范”復(fù)核，一些指標(biāo)也不滿(mǎn)足要求。因此在設(shè)計(jì)人員的思想上產(chǎn)生了混亂，人們迫切需要弄清兩本規(guī)范的安全度對(duì)比情況和對(duì)工程量的影響程度。然而，兩本規(guī)范的設(shè)計(jì)理論不同，不能直接進(jìn)行比較。為此，筆者結(jié)合實(shí)際工作，采用從材料強(qiáng)度、荷載取值、計(jì)算公式等方面逐項(xiàng)累計(jì)的方式，進(jìn)行了兩本規(guī)范的安全度對(duì)比。

2 混凝土強(qiáng)度對(duì)比

在“78規(guī)范”中，混凝土標(biāo)號(hào)試件為邊長(zhǎng)200 mm立方體，其強(qiáng)度保證率為90％。在“96規(guī)范”中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)試件為邊長(zhǎng)150 mm的立方體，其強(qiáng)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(yīng)影響系數(shù)為0.95，即“96規(guī)范”的混凝土強(qiáng)度等級(jí)乘0.95折算為“78規(guī)范”混凝土標(biāo)號(hào)。另外，“96規(guī)范”的混凝土強(qiáng)度等級(jí)保證率由95％換算為90％，須乘系數(shù)A：

A= （1－1.270δfcu）/(1－1.645δfcu)

δfcu—混凝土立方體（邊長(zhǎng)150 mm）抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)。

為了便于說(shuō)明問(wèn)題，將“78規(guī)范”的混凝土標(biāo)號(hào)R200、R250、R300、R400對(duì)應(yīng)于“96規(guī)范”的混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20、C25、C30、C40，并以“78規(guī)范”為基礎(chǔ)進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)單位換算并計(jì)入試件尺寸效應(yīng)和保證率影響系數(shù)后，“78規(guī)范”和“96規(guī)范”的混凝土強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表1。

3 設(shè)計(jì)理論及工況參數(shù)對(duì)比

3.1 “78規(guī)范”設(shè)計(jì)理論

“78規(guī)范”采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，以綜合安全系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。強(qiáng)度計(jì)算和抗裂驗(yàn)算設(shè)計(jì)表達(dá)式如下：

KMq≤MP 　?。◤?qiáng)度計(jì)算狀態(tài)） 

KfMs≤Mf ?。沽羊?yàn)算狀態(tài)）

式中：K為強(qiáng)度安全系數(shù)； Mq為使用期內(nèi)構(gòu)件截面可能出現(xiàn)的最大內(nèi)力；MP為相應(yīng)截面在破壞時(shí)所能承擔(dān)的最大內(nèi)力；Kf為抗裂安全系數(shù)；Ms為基本荷載作用下構(gòu)件截面可能出現(xiàn)的最大內(nèi)力；Mf為該截面即將開(kāi)裂時(shí)所能承擔(dān)的內(nèi)力。

3.2 “96規(guī)范”設(shè)計(jì)理論

“96規(guī)范”采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。強(qiáng)度計(jì)算和抗裂驗(yàn)算設(shè)計(jì)表達(dá)式如下：

γdγ0Ψ（γGSGK＋γQSQK）≤ R (強(qiáng)度計(jì)算狀態(tài))

γ0(LGK＋ρLQK)≤αctf tk (抗裂驗(yàn)算狀態(tài))

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)于安全等級(jí)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)的建筑物分別取1.1，1.0，0.9；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.2；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，對(duì)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(xiàng)系數(shù)，取1.05；γQ為可變荷載分項(xiàng)系數(shù)；SGK為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的作用效應(yīng)；SQK為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的作用效應(yīng)；R為相應(yīng)截面在破壞時(shí)所能承擔(dān)的最大內(nèi)力；LGK永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下結(jié)構(gòu)受拉邊緣的拉應(yīng)力效應(yīng)；LQK為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下結(jié)構(gòu)受拉邊緣的拉應(yīng)力效應(yīng)；ρ為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的長(zhǎng)期組合系數(shù)；αct為混凝土拉應(yīng)力限制系數(shù)，長(zhǎng)期組合取0.7；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

3.3 荷載組合及參數(shù)對(duì)比

對(duì)于強(qiáng)度計(jì)算狀態(tài)，按照《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5077—1997）規(guī)定，持久設(shè)計(jì)狀況和短暫設(shè)計(jì)狀況均采用基本荷載組合，偶然設(shè)計(jì)狀況采用偶然組合。因此可以認(rèn)為，在強(qiáng)度計(jì)算中，“96規(guī)范”的持久設(shè)計(jì)狀況和短暫設(shè)計(jì)狀況均對(duì)應(yīng)于“78規(guī)范”的基本荷載組合；“96規(guī)范”的偶然設(shè)計(jì)狀況對(duì)應(yīng)于“78規(guī)范”的特殊組合。

對(duì)于抗裂驗(yàn)算狀態(tài)，按照《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50199—94）規(guī)定，一般應(yīng)按持久設(shè)計(jì)狀況的長(zhǎng)期組合和短期組合設(shè)計(jì)。因此可以認(rèn)為，在抗裂驗(yàn)算中，“96規(guī)范”持久設(shè)計(jì)狀況的長(zhǎng)期組合和短期組合均對(duì)應(yīng)于“78規(guī)范”的基本荷載組合。

對(duì)于荷載分項(xiàng)系數(shù)，按照DL5077—1997的規(guī)定，自重永久荷載分項(xiàng)系數(shù)一般采用1.05，靜水壓力可變荷載分項(xiàng)系數(shù)采用1.0。當(dāng)進(jìn)行抗裂驗(yàn)算時(shí)，荷載分項(xiàng)系數(shù)均采用1.0。在“78規(guī)范”中，荷載安全系數(shù)未單獨(dú)列出，包含在了綜合安全系數(shù)K中。

4 構(gòu)件安全度對(duì)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(gòu)件在基本荷載組合下的強(qiáng)度和抗裂安全度進(jìn)行比較。

在渡槽工程中，自重和槽內(nèi)靜水壓力是主要荷載，風(fēng)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(duì)比而言，可僅考慮主要荷載，不計(jì)次要荷載。根據(jù)南水北調(diào)中線(xiàn)渡槽設(shè)計(jì)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(gòu)件承載能力安全度對(duì)比

“78規(guī)范”表達(dá)式：KN≤Ra

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

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

4.2 受彎構(gòu)件承載能力安全度對(duì)比 

以矩形截面為例，在不計(jì)受壓鋼筋情況下：

“78規(guī)范”表達(dá)式：KM≤RWbx1(h0－x1/2)

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

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

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

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

4.3 受彎構(gòu)件抗裂安全度對(duì)比

根據(jù)南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠的設(shè)計(jì)運(yùn)用原則和DL5077—1997的規(guī)定，渡槽的設(shè)計(jì)水壓力與永久荷載組合為長(zhǎng)期組合，長(zhǎng)期組合系數(shù)ρ取1.0。于是有下述受彎構(gòu)件抗裂驗(yàn)算表達(dá)式。

“78規(guī)范”表達(dá)式：KfM≤γRfW0

“96規(guī)范”表達(dá)式：γ0M≤0.7γf tk W0

按上述表達(dá)式，長(zhǎng)期荷載組合效應(yīng)下的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件抗裂安全度對(duì)比（表4）。

5 結(jié)　論

（1）從設(shè)計(jì)理念方面來(lái)看，“96規(guī)范”比“78規(guī)范”更具有科學(xué)性和條理性。

（2）從混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值方面來(lái)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(shè)計(jì)強(qiáng)度具有更高的可靠性，而且可靠性與混凝土強(qiáng)度等級(jí)成正比。 

（3）從構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算方面來(lái)看，對(duì)于承受靜水壓力為主的軸心受壓及小偏心受壓構(gòu)件，“96規(guī)范”的綜合安全度比“78規(guī)范”低10％左右；對(duì)于受彎及大偏心受壓構(gòu)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(qiáng)度為控制條件的軸心受壓及小偏心受壓構(gòu)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(gòu)件可減少混凝土用量5％～15％。

（4）從構(gòu)件抗裂驗(yàn)算方面來(lái)看，對(duì)于1級(jí)建筑物長(zhǎng)期荷載組合情況下的受彎構(gòu)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(gòu)件，進(jìn)行構(gòu)件截面抵抗矩?fù)Q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(yàn)算范圍方面來(lái)看，“96規(guī)范”僅對(duì)承受水壓的軸心受拉和小偏心受拉構(gòu)件以及發(fā)生裂縫后會(huì)引起嚴(yán)重滲漏的其它構(gòu)件（如渡槽槽身等）提出抗裂要求，其余構(gòu)件都可按裂縫寬度控制。因此，“96規(guī)范”的驗(yàn)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(jīng)濟(jì)方面考慮，對(duì)于有抗裂要求的構(gòu)件，最好采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

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(jiǎn)介：李聚興(1952?)，男，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院南水北調(diào)中線(xiàn)工程設(shè)計(jì)總工程師。