中美规范混凝土及钢筋主要力学性能的对比

李渊

（1.山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大学，山西 太原 030024）

中美规范混凝土及钢筋主要力学性能的对比

李渊

（1.山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大学，山西 太原 030024）

随着全球一体化进程的深入以及美国规范的影响力，美国规范成为许多国外水利工程项目的选择。材料的物理力学性能决定着结构构件的力学性能，材料的合理选择是进行结构设计的一个重要基础和前提。本文着重研究中美规范关于结构设计常用材料（混凝土、钢筋）主要力学性能的规定，并对中美规范的相关规定进行了对比，为我们今后的国内外项目水利工程结构设计提供借鉴和参考。

抗压强度；抗拉强度和抗折强度；屈服强度和抗拉强度

随着全球一体化进程的深入，中国与国际接轨的步伐越来越快，中国水利工程行业涉外项目越来越多，进入国际市场的份额也越来越大。由于美国规范在全球的影响力，许多国外项目都选择采用美国规范作为设计标准，因此，非常有必要对美国规范进行详尽的学习和研究。

材料是构成结构构件的最基本元素，材料的主要力学性能决定着结构构件的力学性能，进而决定结构的力学性能。材料的合理选择是进行结构设计的一个重要基础和前提。因此，对结构常用材料的主要力学性能进行研究具有非常重要的意义。

钢筋混凝土结构是结构常用形式，其材料为混凝土和钢筋。不同国家混凝土及钢筋材料的组成基本相同，然而其材料力学性能指标试验方法又各不相同。本文着重研究中美规范关于混凝土及钢筋主要力学性能的规定，并对中美规范的相关力学性能规定进行了对比，为我们今后的国内外水利工程项目结构设计提供借鉴和参考。

1 混凝土

1.1 抗压强度

1.1.1 中国规范

中国规范GB50010-2010规定，混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值（fcu,k）系指按标准方法制作、养护的边长为150 mm的立方体试件，在28d或设计规定龄期以标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度值。强度等级C40表示：按标准方法制作、养护、试验的标准混凝土试件具有95%保证率的抗压强度值为40MPa。

混凝土立方体抗压强度标准值计算是按混凝土强度总体分布的平均值减去1.645倍标准差的原则确定：

式中：fcm——立方体试件抗压强度平均值；

δfcu——立方体抗压强度的变异系数，一定组数的混凝土强度计算出的标准差（样本标准差）除以该批混凝土强度的平均值再乘以100%。不同强度等级对应的变异系数见表1。

表1 中国规范混凝土的强度等级和变异系数

根据中国规范（GB50010-2010）条文说明，轴心抗压强度标准值（fck）与立方体抗压强度标准值（fcu,k）计算关系如下：

式中：αc1——棱柱强度与立方强度的比值：C50及以下混凝土取0.76，对C80取0.82，中间线性插值；

αc2——脆性折减系数：C40取1.0，C80取0.87，中间线性插值，C40以下不考虑。

1.1.2 美国规范

美国规范采用圆柱体强度作为设计的主要力学性能指标，设计中采用的规定强度（f'c）指的是采用直径150mm，高度为300mm的圆柱体试件养护28d测得的具有91%保证率的抗压强度。在概念上与中国规范的强度标准值相近。

表2 轴心抗压强度标准值（fck）与立方体抗压强度标准值（fcu，k）

试验表明，圆柱体强度是立方体抗压强度的0.8倍，考虑到中美规范混凝土强度保证率的影响，由此确定出中国规范的立方体抗压强度标准值（fcu,k）与美国规范的混凝土强度（f'c）关系：

取δfcu=0.12，则：

美国的混凝土强度等级及其与中国规范混凝土强度的大致对应关系如表3所示。

表3 中美规范混凝土强度换算

美国混凝土强度等级分为：3000psi（20.7MPa）、4000psi（27.6MPa）、5000psi（34.5MPa）、6000psi（41.4MPa）等。

1.2 抗拉强度和抗折强度

1.2.1 中国规范

混凝土抗拉强度用来反映混凝土的抗裂性能。中国规范用轴心抗拉强度反映混凝土的抗拉强度，作为混凝土设计的力学指标。试验中采用100mm×100 mm×550mm的棱柱体试件测定混凝土轴心抗拉强度。

抗折强度是混凝土在弯折作用下的强度指标，主要用于钢筋混凝土构件的抗裂验算。中国规范采用150mm×150mm×600mm的小梁试件测定抗折强度。

1.2.2 美国规范

美国采用抗折强度而不直接采用抗拉强度指标进行混凝土受拉计算。抗折强度也称断裂模量，试验中采用圆柱体试件测定混凝土的断裂模量。

2 钢筋

2.1 钢筋牌号和规格

2.1.1 中国规范

中国规范（GB50010-2010）提及的钢筋混凝土结构常用钢筋有三种：热轧光圆钢筋、热轧带肋钢筋和热轧余热处理钢筋。每种钢筋考虑强度等级（屈服强度特征值）、生产控制状态或可焊性等因素把钢筋分为以下十几种牌号。

表5 中国规范混凝土结构采用的钢筋牌号分类

中国规范GB50010-2010列出了HPB300、HRB335、HRB400、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500、RRB400共8种牌号供混凝土结构设计进行钢筋选择。其中，HPB300的直径为6～22mm，其他牌号的直径为6～50mm。

2.1.2 美国规范

美国规范ASTMA615/A615M-2013根据屈服强度对变形和光圆碳素钢筋做了分类，共有四种级别：40级（280MPa）、60级（420MPa）、75级（520MPa）和80级（550MPa）。ASTMA706/A706M-06a根据屈服强度对低合金变形和光圆钢筋作了规定，只有60级（420MPa）一种级别。

美国规范中，钢筋的规格用钢筋号而不是直径来表示，一个钢筋号约为1/8英寸（3.175mm）。共有3、4、5、6、7、8、9、10、11、14、18共11种规格。

2.2 屈服强度和抗拉强度

2.2.1 中国规范

对于具有明显流幅的钢筋，中国规范将屈服点对应的强度定义为钢筋的屈服强度（fy），应力—应变曲线上对应于最大强度的点为极限抗拉强度。对于没有明显流幅的钢筋，取应力—应变曲线上残余应变的0.2%对应的应力为屈服应力，称为条件屈服强度，曲线上对应于最大强度的点为极限抗拉强度。一般来说，条件屈服强度约为极限抗拉强度的85%。

2.2.2 美国规范

美国规范ASTMA615/A615M-2013和ASTM A706/A706M-06a规定，当有明显的屈服点时，变形和光圆钢筋的屈服强度按屈服应力确定；当没有明显屈服点时，采用应力—应变曲线上对应于0.35%应变的点为最小屈服强度。

3 结论

第一，混凝土抗压强度。中国规范规定混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定，而设计的力学指标则采用棱柱体试件确定的轴心抗压强度；美国规范采用圆柱体试件确定的抗压强度作为设计的主要力学性能指标。

第二，混凝土抗拉强度。中国规范采用棱柱体试件确定的混凝土抗拉强度作为混凝土设计的力学性能指标；美国规范则采用抗折强度进行混凝土受拉计算。

第三，钢筋牌号和规格。中国规范按产品名称+屈服强度特征值确定钢筋牌号，规格上采用钢筋直径表示；美国规范钢筋牌号以钢筋屈服强度确定，规格上使用钢筋号表示。

第四，钢筋屈服强度和抗拉强度：对于具有明显流幅的钢筋，中国规范将屈服点对应的的强度定义为钢筋的屈服强度（fy），应力—应变曲线上对应于最大强度的点为极限抗拉强度。对于没有明显流幅的钢筋，取应力—应变曲线上残余应变的0.2%对应的应力为屈服应力，称为条件屈服强度，曲线上对应于最大强度的点为极限抗拉强度；美国规范规定，当有明显的屈服点时，钢筋的屈服强度按屈服应力确定；当没有明显屈服点时，采用应力—应变曲线上对应于0.35%应变的点为最小屈服强度。

TU375

C

1004-7042（2017）08-0023-03

李渊（1981-），男，2002年毕业于太原理工大学建筑工程专业，工程师。

2017-06-20；

2017-07-28