中美欧房屋建筑钢筋混凝土基本构件设计安全度比较.pdf
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1、第 42 卷 第 10 期2012 年 10 月建筑结构Building StructureVol 42 No 10Oct 2012中美欧房屋建筑钢筋混凝土基本构件设计安全度比较*史志华1,贡金鑫2,李云贵1,陈基发1(1 中国建筑科学研究院,北京 100013;2 大连理工大学,大连 116024)摘要安全是建筑结构设计的重大问题,规范规定是安全性的最低要求。对中国规范、美国规范和欧洲规范中钢筋混凝土基本构件的安全度水平进行了对比分析,提出了不同规范安全度水平比较的“设计值判则”和“安全度判值”。比较结果表明,中国规范的安全度水平总体上低于美国规范和欧洲规范,平均分别低 20%和 10%。关
2、键词建筑结构;钢筋混凝土构件;规范;安全度中图分类号:TU318.4文献标识码:A文章编号:1002-848X(2012)10-0087-11Comparison on safety level of reinforced concrete elementbased on Chinese,American and European codesShi Zhihua1,Gong Jinxin2,Li Yungui1,Chen Jifa1(1 China Academy of Building Research,Beijing 100013,China;2 Dalian University of
3、Technology,Dalian 116024,China)Abstract:Structural safety is an important issue in the design of building structures The provisions in structural designcodes provide structures with the lowest safety level Two valuable criterions,termed as design value criterion and safetycriterion,were developed to
4、 compare structural safety level in different codes Using these criterions,the safety levels oftypical structural members following the design codes of China,America and Europe were compared Comparison resultsindicate that the safety level of Chinese code is 20%lower than that of American code,and 1
5、0%lower than that ofEuropean codeKeywords:building structure;reinforced concrete element;code;safety*“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAJ01B06-06)。作者简介:史志华,研究员,Email:zhshi320 sohu com。0前言结构设计是按规范规定进行的,所以结构的安全水平与规范规定有关,但比较不同规范安全度设置水平的高低是一件十分重要又相当困难的事。目前,国内外一些主流混凝土设计规范都采用了分项系数设计方法,结构设计安全度水平的高低取决于各分项系数的取值、荷载和材料性能等各
6、种基本变量变异性的大小、代表值的取值及计算方法等多种因素,因此仅对其中一种或几种因素进行比较而不考虑所有的因素都难以得出正确的结论。为确定中国、美国和欧洲规范安全度水平的高低,本文采用设计值判则对建筑结构的钢筋混凝土轴心受拉、受弯、受剪、受扭、受冲切构件的安全度水平进行了比较。1结构安全度水平比较的设计值判则影响结构安全性的因素有很多,但均可归结为作用效应 S 和结构抗力 R 两个综合基本变量,采用“R-S 模型”进行描述,如图 1 所示。由图 1 可以看出,在极限状态设计方法中,提高作用效应设计值或降低结构抗力设计值,都可提高结构的安全性;相反,降低作用效应设计值或提高结构抗力设计值,都会降
7、低结构的安全性。就目前的设计方法来讲,可采用可靠指标 度量结构的安全性,因为可靠指标 与失效概率 pf存在一一对应关系。图 1极限状态设计结构的安全储备可靠指标 作为结构安全度的度量尺度,综合反映了各种因素的影响,理论上是合理的,但各国规范可靠度校准时所考虑的基本变量、计算模型、变量统计资料的处理方法、目标可靠指标确定原则等并不完全相同,所给出目标可靠指标的“含金量”是不同的,因此尚不能直接用于规范设计安全水平的比建筑结构2012 年较,为此本文提出另一种比较方法 设计值判则。不同于采用可靠指标方法,本文认为“作用效应”和“结构抗力”作为综合基本变量,其最终的设计取值综合反映了各种因素的影响,
8、并最终影响了结构安全度水平。各种规范的结构设计表达式可以归结为下式:Sd Rd(1)式中:Sd为作用效应设计值;Rd为结构抗力设计值。设有 A,B 两种结构设计规范,考虑设计极限状态,即:对于规范 A:Sd,A=Rd,A(2)对于规范 B:Sd,B=Rd,B(3)由式(2)和(3)可以得到:作用效应设计值的比值 Sd=Sd,A/Sd,B,结 构 抗 力 设 计 值 的 比 值 Rd=Rd,A/Rd,B。于是有 Sd,A=SdSd,B,Rd,A=RdRd,B。将此代入式(2)可得 SdSd,B=RdRd,B。记 d=Sd/Rd,则进一步得到:dSd,B=Rd,B(4)式(4)与规范 A 的式(2
9、)等价。对比规范 B 的式(3)和式(4)不难发现,当规范 A 涉及的各基本变量与规范 B 涉及的各相同基本变量的变异性相同(或相近)时(这种假定是可以接受的),一般可以通过 d之值来判定规范 A 和规范 B 设计安全度水平的高低。这种条件下可建立如下判则:对于规范 A和规范 B,若 d 1.0,则规范 A 的设计安全度水平高于规范 B,即 A B;若 d 1.0,则规范 A 的设计安全度水平低于规范 B,即 A B;若 d=1.0,则规范 A 的设计安全度水平等于规范 B,即 A=B。由于 d是依据不同设计规范的作用效应及结构抗力设计值计算确定的,称这一判定规则为设计值判则,d称为安全度判值
10、,d越大表明安全度设置水平越高。表 1 列出了根据设计值判则对不同规范的设计安全度水平进行比较时可能遇到的情况。下面根据本文提出的设计值判则对中美欧建筑混凝土结构设计规范的安全度水平进行比较。本文所指的中国规范包括建筑结构可靠度设计统一标准(GB 500682001)1、建 筑结构 荷 载 规 范(GB 500092001)2、混凝土结构设计规范(GB500102010)3;美国规范包括房屋建筑及其他结构最小设计荷载(ASCE 7-05)4、房屋建筑混凝土结构规范(ACI 318-05)5;欧洲规范包括结构设计基础(EN 1990:2002)6、结构上的作用(EN 1991)7和混凝土结构设计
11、(EN 1992-1-1:2004)8。规范 A 和规范 B 设计安全度水平比较的设计值判则表 1情况作用效应设计值比值Sd=Sd,A/Sd,B结构抗力设计值比值Rd=Rd,A/Rd,B安全度判值d=Sd/Rd设计安全度11.01.01.0AB(规范 A规范 B)21.01.031.01.0当 d1.0 时,AB(规范 A规范 B)当 d1.0 时,AB(规范 A规范 B)41.01.01.0AB(规范 A规范 B)2中美欧建筑规范作用效应设计值的比较2.1 中美欧规范作用标准值及作用分项系数的比较中美欧对结构永久荷载的规定基本一致,都是以结构自重为主。中美欧规范混凝土重度分别为24 25kN
12、/m3、23.6 kN/m3和 24 kN/m3,相差不大,在计算永久荷载时又以重力荷载为主,故可以忽略各国规范永久荷载的差异。表 2 为中美欧规范中住宅和办公楼楼面活荷载标准值的比较。由表可见,中国规范住宅楼面活荷载的标准值与美国规范和欧洲规范(建议值)基本一致,而办公楼楼面活荷载标准值与美国规范和欧洲规范(建议值)相比偏低。表 3 为中美欧规范作用系数的比较。由表可见,中国规范作用分项系数与美国规范、欧洲规范相比偏低,选取可变作用效应标准值与永久作用效应标准值之比为 0.5 作校准点,美国规范和欧洲规范作用的综合系数分别比中国规范高 5%和 10%。中美欧规范住宅和办公楼楼面活荷载标准值比
13、较 表 2规范住宅办公楼活荷载/kN/m2比值活荷载/kN/m2比值中国2.02.0美国1.920.962.41.20欧洲1.50.752.01.00欧洲(建议值)2.01.003.01.50注:比值均为与中国规范数据相比。中美欧规范规定的作用系数比较表 3规范分项系数永久作用比值可变作用比值综合系数比值中国 1.2(1.35)1.41.27美国1.2(1.4)1.01.61.141.331.05欧洲1.351.131.51.071.401.10注:1)比值均为与中国规范数据相比;2)括号内为永久作用控制时的值;3)综合系数是按可变作用效应标准值与永久作用效应标准值之比为 0.5 计算的。88
14、第 42 卷 第 10 期史志华,等 中美欧房屋建筑钢筋混凝土基本构件设计安全度比较2.2 中美欧规范作用效应设计值的比较表 4 列出了当仅考虑永久作用与一种可变作用组合时,中美欧规范规定的作用效应设计值 Sd的表达式,其中 S=SQk/SGk,表 5 为对作用效应设计值Sd的比较。中美欧规范作用效应设计值的表达式表 4规范作用效应设计值 Sd中国Sd,C=1 2SGk+1 4SQk(S 0.357),Sd,C=1 35SGk+1 4cSQk(c=0.7,S0.357)美国一般Sd,A=1 2SGk+1 6SQk(S 0.125),Sd,A=1 4SGk(S0.125)住宅Sd,A=1 2SG
15、k+1 6 0 96SQk(S 0.130),Sd,A=1 4SGk(S0.130)办公楼Sd,A=1 2SGk+1 6 1 20SQk(S 0.104),Sd,A=1 4SGk(S0.104)欧洲一般Sd,E=1 35SGk+1 5SQk住宅Sd,E=1 35SGk+1 5 0 75SQk办公楼Sd,E=1 35SGk+1 5 1 00SQk欧洲(建议值)一般Sd,E=1 35SGk+1 5SQk住宅Sd,E建=1 35SGk+1 5 1 00SQk办公楼Sd,E建=1 35SGk+1 5 1 50SQk注:1)Sd,C,Sd,A,Sd,E分别为中国、美国和欧洲规范作用效应的设计值;SGk为
16、永久作用效应的标准值;SQk为可变作用效应的标准值;c为组合值系数,对民用建筑楼面活荷载一般取 0.7。2)“一般”只用于考虑分项系数不同的比较,“住宅”和“办公楼”用于同时考虑分项系数和标准值不同的比较。中美欧规范作用效应设计值比较表 5S=SQk/SGk0.10.250.51.02.0平均Sd,C(中国)Sd,C=(1 35+1 4 0 7S)SGkSd,C=(1 2+1 4S)SGk1.448SGk1.595SGk1.90SGk2.60SGk4.00SGk2.31SGkSd=Sd,ASd,C(美/中)一般0.9671.0031.0531.0771.1001.04住宅0.9670.9931
17、.0361.0521.0681.02办公楼0.9671.0531.1371.2001.2601.12Sd=Sd,ESd,C(欧/中)一般1.0361.0821.1051.0961.0881.08住宅1.0101.0231.0070.9520.9000.98办公楼1.0361.0821.1051.0961.0881.08Sd=Sd,E建Sd,C(欧建/中)住宅1.0361.0821.1051.0961.0881.08办公楼1.0881.1991.3031.3851.4631.29由表 5 可见,除了由于欧洲规范规定的住宅楼面活荷载标准值偏低,使其作用效应设计值与中国规范相差不大外,中国规范的作用
18、效应设计值一般比美国和欧洲规范低 4%和 8%,这是中国规范的作用分项系数与美国和欧洲规范相比偏低所导致的;而随着欧洲规范建议将其住宅楼面活荷载标准值从1.5kN/m2提高到 2.0kN/m2,欧洲规范住宅的作用效应设计值偏低的情况也将会改变。3中美欧房屋建筑规范结构抗力设计值的比较3.1 轴心受拉构件抗力设计值的比较(1)中国规范Rd,C=fyAs=fyks,CAs(5)式中:Rd,C为中国规范规定的结构构件抗力设计值;fy为普通钢筋的抗拉强度设计值;fyk为普通钢筋的抗拉强度标准值;s,C为材料分项系数,取 1.10;As为受拉纵向普通钢筋的全部截面面积。(2)美国规范Rd,A=fyAs(
19、6)式中:Rd,A为美国规范规定的结构构件抗力设计值;为强度降低系数,轴心受拉构件取 0.9;fy为钢筋的规定屈服强度;As为非预应力纵向受拉钢筋的截面面积。(3)欧洲规范Rd,E=fydAs=fykAss,E(7)式中:Rd,E为欧洲规范规定的结构构件抗力设计值;fyd为普通钢筋的抗拉强度设计值;fyk为普通钢筋的抗拉强度特征值;s,E为材料分项系数,取 1.15;As为纵向普通钢筋的全部截面面积。中国和欧洲规范的钢筋强度设计值 fy和 fyd的意义相同,且均是以钢筋强度的标准值 fyk除以钢筋的材料分项系数 s得到的,美国规范与中国和欧洲规范不同,其钢筋强度设计值是用强度降低系数 乘以钢筋
20、的规定屈服强度 fy(fy相当于中国和欧洲规范的 fyk)得到的。为便于比较,将美国规范(式(6)中的钢筋规定屈服强度的符号用中国规范的符号代入,得到:Rd,A=fykAs(8)对于配置普通钢筋的强度和钢筋截面面积相同的轴心受拉构件,美国和欧洲规范规定的抗力设计值与中国规范规定的抗力设计值之比分别为:美/中:Rd=Rd,ARd,C=s=0.9 1.1=0.99欧/中:Rd=Rd,ERd,C=s,Cs,E=0.96可见,对于轴心受拉构件来说,中美欧规范的抗力设计值相差不大。3.2 轴心受压构件抗力设计值的比较(1)中国规范考虑长细比不大于 8 的钢筋混凝土轴心受压构件,其正截面受压承载力计算公式
21、:Rd,C=0.9 fc(A As)+fyAs(9)式中:fc为混凝土轴心抗压强度设计值;A 为构件截面面积;As为全部纵向钢筋的截面面积。(2)美国规范98建筑结构2012 年Rd,A=0 8 0 85fc(Ag Ast)+fyAst(10)式中:为强度降低系数,取 =0.65;fc为混凝土的规定抗压强度;Ag为混凝土毛截面面积;Ast为纵向钢筋的总截面面积。(3)欧洲规范Rd,E=fcdAc+fydAs(11)式中:fcd为混凝土抗压强度设计值;Ac为混凝土净截面面积;As为纵向钢筋的总截面面积;,为系数,当 fck50MPa 时,=0.8,=1.0。与钢筋强度的设计取值类似,中国和欧洲规
22、范的混凝土抗压强度设计值 fc和 fcd的意义相同,且均是以混凝土强度的标准值 fck除以混凝土的材料分项系数 c得到的,中国规范的 c为 1.4,欧洲规范的 c为 1.5,即:fc=fckc=fck1 4(中国),fcd=ccfckc=ccfck1 5(欧洲)(12)式中 cc为考虑抗压强度长期效应及加载方式不利影响的系数,取 0.8 1.0,由执行欧洲规范的国家附录确定,本文取其建议值为 1.0。与钢筋强度的设计取值类似,美国规范与中国和欧洲规范不同,其混凝土强度设计值是用强度降低系数 乘以混凝土的规定抗压强度 fc(fc相当于中国和欧洲规范的 fck)得到的。需要指出的是,中国规范的 f
23、c是棱柱体强度,而美国规范的 fc和欧洲规范的 fcd均是圆柱体强度,但一般可以忽略棱柱体强度和圆柱体强度的差异。表 6 分别列出了中欧规范根据其混凝土强度的分级所给出的混凝土抗压强度设计值 fc,fcd和美国规范混凝土的规定抗压强度 fc,其中 fc是根据美国规范 ACI 318-05 中 5.3.2.1 条的规定,用中国规范 C20 C60 规定质量混凝土强度分布进行推算的。为便于比较,将美国规范和欧洲规范公式(10)和(11)中的混凝土和钢筋截面面积以及美国规范中钢筋规定屈服强度的符号用中国规范的符号代入,再分别除以式(9)。对于配置普通钢筋强度和截面面积相同的轴心受压构件,可以得到美国
24、和欧洲规范规定的抗力设计值与中国规范规定的抗力设计值之比,分别为:美/中:Rd=Rd,ARd,C=0 80 85fcfc+1 1fyAsfc(A As)0 91+fyAsfc(A As)(13)欧/中:Rd=Rd,ERd,C=fcdfc+1 11 15fyAsfc(A As)0 91+fyAsfc(A As)(14)考虑钢筋承载力占全部承载力 10%,20%和30%三种情况,表 7 列出了根据式(13)和式(14)计算的美国规范、欧洲规范分别与中国规范轴心受压构件抗力设计值之比。表 7 表明,美国规范轴心受压构件的抗力设计值只有中国规范的 80%左右,而欧洲规范轴心受压构件的抗力设计值水平则与
25、中国规范基本相当。3.3 受弯构件抗力设计值的比较考虑矩形单筋截面钢筋混凝土受弯构件。(1)中国规范抗力设计值为:Rd,C=1fcbx h0 x()2(15)式中:1为系数;b 为矩形截面的宽度;h0为截面有效高度;x 为混凝土受压区高度,按照下式确定:混凝土抗压强度设计值(中欧)和规定抗压强度(美国)表 6混凝土强度等级C20C25C30C35C40C45C50C55C60备注中国fck/N/mm213.416.720.123.426.829.632.435.538.5注 2)fc/N/mm29.611.914.316.719.121.123.125.327.5式(12)棱柱体强度美国fcu
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