混凝土规范变革对老旧管涵安全性评估影响分析*

2018-03-30徐震杨青坡徐春蕾施琦

特种结构 2018年1期

徐震杨青坡徐春蕾施琦

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092）

引言

目前，我国很多钢筋混凝土管涵结构已进入或接近设计年限中期，由于运行工况较为恶劣，一些管涵（尤其是特大箱涵）内壁和顶板内侧已出现混凝土腐蚀、钢筋锈断的结构性损伤的问题，一些区段发生过坍塌，管道本身安全隐患突出。因此，有必要对原有特大排水管涵展开结构安全性评估。

从20世纪70年代至今，《钢筋混凝土结构设计规范》主要经历了TJ 10－74（以下简称74版）、GBJ 10－89（以下简称89版）及GB 50010－2010（以下简称10版）三个版本。不同年代的管涵结构设计遵循不同时期的规范。

部分管涵建成年代久远，其建成过程按照老标准规范进行设计，老规范设计方法、计算系数、材料等均不同于现行规范。总体而言，设计要求低于现行标准规范，直接采用现行规范去分析老旧排水箱涵承载力会得出不适当的结论。因此有必要分析规范修订对管涵结构设计的影响。

1 规范设计方法变化对比

在《钢筋混凝土结构设计规范》（TJ 10－74）中，采用单一安全系数法进行结构设计，将影响结构设计的诸因素取为定值，用一个经验判定的安全系数来考虑设计诸因素变异的影响。该法设计简单，但不能从定量上度量结构的可靠度，更不能使各类结构的可靠度达到同一水准。

按照《建筑结构设计统一标准》（GBJ 68－84）的规定，自《混凝土结构设计规范》（GBJ 10－89）开始，之后的各版本混凝土结构设计规范开始采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠度指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。

2 计算内容（公式）的变化比较

2.1 正截面受弯承载力计算

对于钢筋混凝土构件正截面受弯承载力的计算，10版规范基本假定及计算公式基本沿用了89版规范，主要变化有：

（1）混凝土采用轴心抗压强度fc，而89版规范采用弯曲抗压强度fcm，强度降低约10%［1］；

（2）增加了有关高强混凝土材料计算的规定，受压区混凝土应力采用等效的矩形应力图时，受压区高度与中和轴高度的比值取为β1（β1＝0.74～0.80），应力值取 α1fc（α1＝1.0～0.94），89版规范和应力值分别取定值0.8和定值

10版混凝土结构设计规范和74版的差异主要体现在以下两个方面：

（1）89版和10版正截面受弯承载力计算过程中减去了预应力筋的作用，即（σ′p0－f′py）A′p（h0－a′p）；

（2）89版和10版的受弯承载力公式中的M都是弯矩设计值，在荷载组合过程中已经考虑了分项系数，而74版的弯矩值为标准值，还需乘以安全系数K。

2.2 正截面受压承载力计算

对于钢筋混凝土构件正截面受压承载力的计算，10版规范基本沿用89版规范，主要变化是轴心受压构件抗力乘上了折减系数0.9，而与74版规范的差异和正截面受弯承载力计算的差异一样，74版规范需乘以安全系数K。

在10版混凝土规范中，偏心受压构件附加偏心距ea取值为20mm和偏心方向截面最大尺寸的1／30两者中的较大值，即最小附加偏心ea＝20mm；在89版混凝土规范中，当e0≥0.3h0时取 ea＝0［1］。

3 材料（参数、构造要求）的演变分析

3.1 混凝土强度设计值

对比三版混凝土规范中的混凝土强度设计值，在74版中单位为kg／cm2，89版后开始使用N／mm2。74版规范混凝土标号为75～600对应89版规范混凝土强度等级为C7.5～C60（见表1），在10版混凝土规范中，取消了C7.5和C10级的混凝土，增加了 C65、C70、C75、C80级。原因是低强度混凝土目前在建设工程中已很少应用；水泥强度等级提高以后，太低强度等级混凝土的配置也比较困难；此外，低强度本身相对成本高，也不经济。取消了74版及89版规范的弯曲抗压强度fcm＝1.1fc，而以轴心抗压强度α1fc代替fcm。当混凝土强度等级≤C50时，α1＝1.0；当混凝土强度等级为C80时，α1＝0.94；当混凝土强度等级C50～C80时，按线性内插法确定其值［2］。

表1 不同规范混凝土强度种类对应关系Tab.1 Different specifications of concrete strength

对比三版规范混凝土轴心抗压强度设计值，由图1可知，相同强度等级的混凝土，74版规范的混凝土轴心抗压强度设计值比10版混凝土轴心抗压强度设计值大20%左右；而89版规范的值与10版较为接近，差值在－4%～5%。当混凝土强度等级不过超C50时，89版混凝土轴心抗压强度设计值大于10版混凝土轴心抗压强度设计值，当大于C50时，其值小于10版规范设计值。

图1 不同规范混凝土轴心抗压强度设计值对比Fig.1 Comparison of design values of concrete axial compression stregth

对比三版规范混凝土轴心抗拉强度设计值，由图2可知，相同强度等级的混凝土，74版规范的混凝土轴心抗拉强度设计值比10版混凝土轴心抗压强度设计值大15%～30%，强度等级越高两者差值越大；89版规范的值与10版较为接近，差值在－1%～7%。混凝土强度等级为C15时，89版混凝土轴心抗压强度设计值小于10版混凝土轴心抗压强度设计值，其余强度等级的混凝土抗拉强度设计值都是89版规范相对较大。

图2 不同规范混凝土轴心抗拉强度设计值对比Fig.2 Comparison of design values of concrete axial tensile strength

3.2 钢筋强度设计值

旧规范中使用钢筋等级较低造成配筋率增加，不仅经济效益降低，还造成配筋密集难以设计、施工的困难；10版混凝土规范以HRB400为主导钢筋，以HRB335为辅助钢筋。

对比三版混凝土规范钢筋的抗拉强度设计值与抗压强度设计值，由图3、图4可知，74版规范除了Ⅳ级钢筋，其他钢筋抗拉及抗压强度设计值整体偏大。10版混凝土规范Ⅰ级钢筋的抗拉及抗压强度设计值相比旧规范较大，其原因是在10版规范中，以300MPa级光圆钢筋取代了235MPa级钢筋作为Ⅰ级钢筋。

图3不同规范钢筋抗拉强度设计值对比Fig.3 Comparison of design values of steel bars tensile strength

图4 不同规范钢筋抗压强度设计值对比Fig.4 Comparison of design values of steel bars compression strength

3.3 结构构造要求

在10版混凝土规范中，对于钢筋保护层厚度是指最外层钢筋（包括箍筋）外边缘至混凝土表面的距离。而旧规范对于保护层厚度的定义是受力钢筋外边缘至混凝土表面的距离。

三版规范中，混凝土保护层最小厚度的确定主要与结构构件的类型（梁、柱，板、墙、壳）、所处环境类别、所采用的混凝土强度等级有关。在10版混凝土规范中，根据结构所处耐久性环境类别的划分，将不同环境下的混凝土保护层厚度数值进行调整。对一般情况下混凝土结构的保护层厚度稍有增加，而对恶劣环境下的保护层厚度增幅较大。

在74及89版规范中，纵向受力钢筋的最小配筋百分率与构件受力形式及混凝土强度等级有关。相同受力形式下，74版规范根据混凝土标号，区分为200号及以下、250～400、500～600三种情况，在89版规范中，将混凝土强度等级区分为C35以下和C40～C60。而在10版混凝土规范中，纵向受力钢筋的最小配筋率主要与构件的受力形式有关，仅当构件为受压构件时，最小配筋率才与钢筋强度等级相关。

4 实际工程计算分析

分别采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010－2010）、《钢筋混凝土结构设计规范》（TJ 10－74）分析某实际箱涵工程（建于20世纪70年代）在实际配筋量的情况下结构承载能力的差异。

计算模型顶部覆土1.2m，外包尺寸（宽×高）为3.2m×2.6m，内净尺寸（宽×高）为2.7m×2.1m，顶板及侧壁设计厚度250mm。其计算结果见图5。

图5 荷载组合值情况下弯矩包络图（单位：kN·m）Fig.5 Envelope diagram of bendingmoment under load combination（unit：kN·m）

根据实际配筋（原设计图纸中的底板下部配筋为φ14／12＠100），分析结构在正常使用极限状态（最大允许裂缝0.200mm）下，三版规范计算的承载余量见表2。其中荷载标准值计算结果为39.64kN·m。混凝土抗裂强度设计值Rf（原材料参数（74版规范）：C25为1.9N／mm2；新材料参数（10版规范）：C25为1.78N／mm2）；钢筋弹性模量及表面特征系数（B钢均为2×105N／mm2、0.7）。