中欧规范蒸压加气混凝土板设计对比研究_张国伟.pdf
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1、204Industrial Construction Vol.53,No.2,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期工程技术标准中欧规范蒸压加气混凝土板设计对比研究*张国伟1冯杨1秦昌安1卢清刚2刘华2(1北京建筑大学,工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心,北京100044;2北京市建筑设计研究院有限公司,北京100045)摘要:蒸压加气混凝土板作为一种轻质高强、保温隔热的构件,被广泛应用于多高层建筑围护结构中,研究此类板材的受力性能能够有效确保其结构的安全性。通过正截面承载力、斜截面承载力、抗弯刚度以及开裂荷载四个方面对中欧蒸压加气混凝土规范进行对比分析,结果表明:按照中国
2、规范 JGJ/T 172020 的正截面承载力和斜截面承载力设计值与试验值相比,其误差比欧洲标准 EN 12602 2016 低,斜截面承载力主要与混凝土自身强度有关;正常使用极限状态下,中国规范中挠度和开裂荷载设计值存在 1.52 倍的安全储备,而欧洲标准考虑了钢筋的黏结性能、蒸压加气混凝土蠕变和收缩的影响,其理论值与试验值比值分别在0.711.02 和 0.781.06 之间,拟合度较高,可作为该板材结构设计的依据。关键词:蒸压加气混凝土板;承载力;挠度;开裂荷载;结构设计DOI:10.13204/jgyjzG22041004Comparative Study on Autoclaved
3、Aerated Concrete Slab Design in Chineseand European CodesZHANG Guowei1FENG Yang1QIN Changan1LU Qinggang2LIU Hua2(1Beijing Higher Institution Engineering esearch Center of Civil Engineering Structure and enewable Material,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2
4、Beijing Institute of Architectural Design,Beijing 100045,China)Abstract:As a kind of lightweight and high-strength member,autoclaved aerated concrete slabs have been widelyused in multi-high-level building envelope structures,and the mechanical properties of such slabs can effectivelyensure the stru
5、cture safety The codes of autoclaved aerated concrete in China and Europe were comparatively analyzedfrom the four aspects of the positive section bearing capacity,oblique cross-section bearing capacity,and the crackedload The results showed that compared with the experimental values,the design valv
6、es of the bearing capacity ofnormal sechen and obliqhe section in JGJ/T 172020 had smaller error than those in EN 12602 2016,and theoblique section bearing capacity was mainly related to the strength of the concrete;under the limit state of normaluse,the deflection and crack load has a safety reserv
7、e of 1.5 to 2 times the design value The EN 12602 2016considered the bonding properties of steel bars,autoclaved aerated concrete creep and contraction,and this kind oftheoretical value ratio and test value ratio between 0.71 to 1.02 and 0.78 to 1.06,respectively,the degree of fitcould be used as a
8、basis for structureKeywords:autoclaved aerated concrete slab;bearing capacity;deflection;cracking load;structural design*市属高校基本科研业务项目(X20063);“十三五“国家重点研发计划(2016YFC0701903)。第一作者:张国伟,男,1979 年出生,博士,教授。通信作者:秦昌安,男,1992 年出生,博士,实验师,qina1992 126com。收稿日期:20220410蒸压加气混凝土作为一种新型墙体材料,是当前比较理想的节能材料之一,且此类墙板被广泛应用于多高
9、层建筑围护结构中。针对蒸压加气混凝土板的设计,国内外学者进行了大量的理论研究。基于配筋加气混凝土板系统研究,过镇海提出了承载力的计算公式1。在不同厚度的蒸压加气混凝土板试验下,王越按照 JGJ/T 172008 蒸压加气混凝土建筑应用技术规程 进行计算,发现开裂荷载和刚度公式均有较中欧规范蒸压加气混凝土板设计对比研究 张国伟,等205大的安全储备2。陈博珊对比分析了中国、欧洲和美国规范中的蒸压加气混凝土板抗剪承载力理论计算的区别3。采用混凝土理论的“”法,国外学者Gunkler 对加气混凝土板进行了挠度验算,得到了此方法的适用性 4;Ttl 等提出了加气混凝土抗拉强度与抗弯强度的换算关系,为欧
10、洲标准提供了理论依据 5。目前,我国加气混凝土板依据 JGJ/T 172020蒸压加气混凝土制品应用技术标准6 进行设计,该规范仅给出了正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力的计算公式,但没有明确开裂荷载的计算方法。欧洲标准 EN 1260220167 蒸压加气混凝土预制增强构件于 2016 年开始强制施行,此标准针对配筋加气混凝土预制构件的设计、构件以及材料的性能做了详细说明。通过整理国内现有文献试验数据23,814,对比分析上述两种规范计算方法的优缺点,得出中国规范 JGJ/T 172020 蒸压气混凝土极限承载力公式适用性较强,正常使用状态下的结构设计存在 1.52 倍的安全储备;挠度和开裂
11、荷载按照欧洲标准 EN126022016 计算吻合度更好,研究成果以期为蒸压加气混凝土板的设计提供参考。1蒸压加气混凝土板设计方法1.1正截面抗弯承载力确定1)JGJ/T 172020 中正截面承载力 M1计算公式由式(1)表示,配筋蒸压加气混凝土板开裂后,忽略蒸压加气混凝土的抗拉作用,以及受压侧钢筋对抗弯承载力的贡献。M1 1fcbx h0 x2()(1a)fcbx=fyAs(1b)式中:fc为蒸压加气混凝土抗压强度;b 为截面宽度;h0为截面有效高度;x 为受压区高度;As为受拉区钢筋面积;1为应力图形等效参数,考虑到蒸压加气混凝土自身强度低与钢筋线膨胀系数不一致以及拼装、运输过程中易损伤
12、等因素,取值 0.75。2)在 EN 126022016 中,蒸压加气混凝土本构关系采用双折线模型,如图 1 所示,应力应变曲线表达式7 如下:c=fckcc0()0 c 0fckc0 c cu(2)式中:为分项安全系数,取0.85;fck为抗压强度标准值;c为材料分项系数,塑性破坏为 1.44,脆性破坏为 1.73,极限状态取值为 1.0;cu为极限压应变;0为峰值应变;c为蒸压加气混凝土压应变。1理想曲线;2设计曲线。图 1受压应力应变曲线6 Fig1elations between compression stress and strain6 如图 2 所示,欧洲标准描述了蒸压加气混凝土
13、截面极限状态下应变变化的规律,涵盖了正截面所有可能的受力状态,轴心受压(拉)、偏心受压(拉)和纯弯。区域,中和轴下移,截面从轴心受拉向小偏心受拉状态过渡,下侧钢筋达到极限拉应变,拉力全部由受拉钢筋承担;区域,中和轴进入截面内,下侧钢筋保持极限拉应变,受压区混凝土边缘应力减小,截面进入大偏心受拉,或受压状态;区域,受压区边缘混凝土保持极限压应变,受拉钢筋拉应变经过屈服应变减小到零,截面由大偏心受压过渡到小偏心受压状态;区域,受拉钢筋进入受压区,中和轴下降到 1/3 h;区域,混凝土上边缘应变减小,下边缘应变增大,当全截面应变都达到0.002 时,截面处于受压极限状态。图 2极限状态下应变分布6
14、Fig2Strain distribution in limit state6 选取应变分布区域进行正截面承载力计算,计算简图如图 3 所示。受压区混凝土合力 C 的计算式为:C=xn0fckcc0()bdy=0.43fcbtc0nh0(3)式中:xn为受压区高度;为分项安全系数,取值为0.85;y 为任一纤维至中和轴截面距离;n为相对受压区高度;h0为截面有效高度;b 为截面宽度;tc为206工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期图 3正截面承载力计算简图6 Fig3Calculation diagram of normal section bearing capacity6 截面受压区
15、边缘加气混凝土的压应变。合力到受压区边缘的距离ycx1,xn的计算式为:yc=nh00.85fcbxn0c0ydy085fcbxn0c0dy=13nh0(4)正截面抗弯承载力由截面平衡条件可得:M2=0.64fcbxnh0 xn/3()(5)1.2斜截面抗剪承载力确定根据现有研究3,蒸压加气混凝土板在集中荷载作用下发生的是弯剪破坏。因此,必须验算试件的抗剪承载力是否满足要求。国内外蒸压加气混凝土板的配筋形式不同,我国蒸压加气混凝土板没有配置箍筋和弯起钢筋,板材的抗剪承载力主要由混凝土自身强度以及纵向钢筋承担。1)JGJ/T 172020 配筋蒸压加气混凝土板抗剪承载力计算公式为:V1=0.45
16、ftbh0(6)式中:ft为钢筋抗拉强度标准值;b 为截面宽度;h0为截面有效高度。2)欧洲标准 EN 12602 2016 蒸压加气混凝土板的配筋如图 4 所示,在进行斜截面抗剪承载力计算时,需要考虑抗剪钢筋的贡献,建议公式7 见式(7)。1受压区;2撑杆;3剪切钢筋;4受拉区;5箍筋。图 4欧洲规范蒸压加气混凝土板配筋7 Fig4European specification for reinforcement of autoclavedaerated concrete slabs7 V2=VA+VWVA=maxd1 0.83d1 000()(1+2401)bwd0.5fctk 0.05cb
17、wd(7)式中:d为基本抗剪强度,取0.063f0.5ck/c;fctk0.05为抗拉强度 5%分位数特征值,取 01fck;c为脆性破坏材料分项系数,取1.73;d 为截面有效高度;1为受拉钢筋配筋率;Vw为箍筋和弯起钢筋的抗剪承载力。由于我国蒸压加气混凝土板未配置箍筋和弯起钢筋,忽略式(7)中箍筋和弯起钢筋贡献的承载力,仅计算 VA部分。1.3短期挠度确定受弯构件的挠度主要与板材的刚度有关,JGJ/T172020 的抗弯刚度选取使用弯矩在60%左右的极限弯矩,对试验数据统计拟合而成,在换算截面的弹性刚度基础上乘以折减系数。由于蒸压加气混凝土板材在荷载短期作用下,一般不出现受弯裂缝,取 0.
18、85,故配筋蒸压加气混凝土板抗弯刚度按照式(8)计算。Bs=0.85EcI0(8)式中:Ec为蒸压加气混凝土的弹性模量;I0为换算截面的惯性矩。短期挠度的计算公式为:1=5ql4385B(9)式中:l 为蒸压加气混凝土板计算跨度;q 为达到最大承载力时受到的均布荷载(考虑板材自重)。如图 5 所示,EN 12602 2016 将挠度分成初始挠度和附加挠度两部分4。在永久荷载作用下,考虑蠕变、徐变以及钢筋滑移引起的附加挠度。对未开裂状态和完全开裂状态的截面进行曲率插值,计算简图如图 6 所示,用 表示裂缝截面的数量考虑开裂程度对抗弯刚度的影响,得到蒸压加气混凝土板跨中的最大挠度。一般情况下,跨中
19、最大挠度限值为 l/250,对于安装过程中造成相邻构件产生“主动”挠度的板材,最大挠度提高到 l/500。图 5挠度组成4 Fig5Deflection composition4 cot=1+2+3(10)式中:1为永久荷载作用下初始挠度;2为永久荷载作用下的附加挠度(蠕变和收缩);3为荷载组合作用下产生的附加挠度。未开裂截面曲率 I4:I=1r()I=MfEc,effI0(11a)开裂截面曲率 II4:中欧规范蒸压加气混凝土板设计对比研究 张国伟,等207图 6“平均曲率值”假定抛物线4 Fig6“Mean curvature value”assumed parabola4 II=1r()I
20、I=sIEs(h x)(11b)截面平均曲率 m7:m=II+(1)I(11c)板材跨中挠度 24:2=1r()permMdx=0.1ml2(11d)开裂影响分布系数 7:=1 0.4(Mcr/Mf)2(11e)有效弹性模量7:Ec,eff=Ec/(1+)(11f)式中:Mcr为开裂弯矩;Mf为极限弯矩;Es为钢筋弹性模量;sI为钢筋应力;x为受压区高度;为开裂影响分布系数;Ec,eff为有效弹性模量;为蠕变系数,当没有试验数据情况下,最终蠕变系数取值为 17;I0为换算截面惯性矩 I0=Ic+nIi。1.4开裂荷载确定1)由于蒸压加气混凝土与钢筋的线膨胀系数不同,板内的钢筋建立自应力,使得蒸
21、压加气混凝土板抗裂性能优于混凝土板。因此,中国规范 JGJ/T172020 未明确列出开裂弯矩公式。一般情况下,我国蒸压加气混凝土板的开裂弯矩按照混凝土规范GB 50010201017,由式(12)计算。Mcr1=12ftbh2h213h2()+sAs(h2as)(12)式中:ft为蒸压加气混凝土抗拉强度,取0.105fck3;b 为截面宽度;h 为截面高度;As为钢筋受拉区面积;s为钢筋应力。2)欧洲标准 EN 12602 2016 更加关注墙体的开裂,构造方面通过提高受拉区的最小配筋率和增设箍筋来限制板材裂缝的发展。在荷载长期作用下,开裂荷载的计算考虑蒸压加气混凝土自身的蠕变、收缩以及可能
22、消除应力的间接因素(温度)等对其的影响。Mcr2=Wfb(13a)W=2I0/h(13b)I0=bh312+bhe2+nAsh0h2 e()2+nAsh2 a+e()2(13c)式中:fb为加气混凝土抗弯强度,取018fck7;I0为换算截面惯性矩I0=Ic+nIi;W为换算截面抵抗矩;n为钢筋和加气混凝土弹性模量比值;e 为中和轴到截面中心距离;As、As为钢筋受压区和受拉区截面面积。2中欧规范结构设计理论值与试验值对比基于国内外研究成果,对正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力、短期挠度和开裂荷载四个方面的数据进行了整理,得到有效板材 47 片23,814,数据齐全有效,可做进一步分析。中欧规
23、范中蒸压加气混凝土的抗压强度均以100 mm 立方体试件测试得到,JGJ/T 172020 的抗压强度标准值取保证率为 95%,抗压变异系数不大于 0.1,按照公式(14)计算,材料分项系数为 1.4。EN 126022016 规定材料分项系数 c=k1k2k3,考虑了设计状态、破坏类型、模型不定性、几何变异性和安全度五个方面的影响,对于使用极限状态,取值为 1,对于塑性破坏类型,取值为 1.44,对于脆性破坏类型,取值为 1.73。将材料的标准值以及收集到的相关试验参数23,814 代入各计算公式,通过理论值与试验值的比值,衡量中欧规范计算公式应用于蒸压加气混凝土板的可靠性,为蒸压加气混凝土
24、板的设计进行公式推荐。fck=0.88 1.1 (fcu 1.645)(14)式中:fcu为混凝土抗压强度平均值;为标准差。图 7正截面承载力对比Fig7Comparisons of bearing capacity of normal sections2.1正截面抗弯承载力对比结果正截面抗弯承载力进行了 4 组论文数据的对比研究,将试验参数2,9,1314 和蒸压加气混凝土材料标准值代入公式(1)和公式(5),计算结果见表 1。由表 1 可知,JGJ/T 172020 的理论值与试验值比值在 0.710.90 之间,平均误差为 19%,主要原因是蒸压加气混凝土抗压强度标准值取保证率为 95%
25、,并考虑工程实际构件与试件强度的差异。由图 7 可知,EN 12602 2016 理论值整体小于 JGJ/T 17208工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期表 1正截面承载力计算Table 1Calculation of bearing capacity of normal section分组编号fck/MPafyk/MPaF/kNM/kN mM1/kN mM2/kNmM1/MM2/M数据来源第一组A-14.0545732.4213.9210.458.920.750.64文献 9B-14.0545725.4411.6210.458.920.900.77C-14.0545718.0311.
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