受弯构件正截面设计行业标准对比分析

胡珅榕，李予忱，涂 晶

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

我国工程建设项目的设计工作，在满足国家标准的基础上，还要根据具体行业领域和工程性质的不同而采用不同的行业标准，尤其是必须执行相应的强制性行业标准。不同行业的标准之间，也往往存在着或大或小的差异，在工程建设中一些相近行业的交叉和融合项目越来越多，此时工程人员就面临着对不同行业标准的理解和选择。以往的研究多着重于我国国家标准与国外标准的对比分析[1-2]，或者我国国家标准的新旧版本之间的对比研究[3]，而对于国内的不同行业标准之间的对比分析则较少。

本文以钢筋混凝土受弯构件的正截面设计为研究对象，对水运行业标准和水利行业标准进行对比和分析，水运行业标准中主要用到《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS151-2011）[4]（以下简称“水运标准”），而水利行业标准中主要用到《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）[5]（以下简称“水利标准”）。主要从材料指标选用、承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计、其他构造要求等方面展开分析，并以某临海水闸工程为例进行计算结果对比，为类似的行业交叉领域工程项目设计提供参考。

1 材料指标选用

钢筋混凝土构件涉及的材料主要分为钢筋和混凝土两种。对于受弯构件计算，主要涉及参数为材料的强度指标和弹性模量。

对于钢筋的选用，两个行业中均常用“三级钢筋”（热轧钢筋HRB400）作为受力钢筋，其各项指标在水运、水利标准中保持一致。需要注意的是，工程中用作构造钢筋的“一级钢筋”，在水运标准中为热轧钢筋HPB300，而在水利标准中为热轧钢筋HPB235，前者强度高于后者。

对于混凝土的强度分级和详细参数，两种行业标准保持一致。但是强度等级的选用涉及到构件所处的环境条件，两种标准的规定略有不同。水运标准中分为海水环境和淡水环境两大类，海水环境中根据结构所处区域的波浪掩护条件、设计水位、波浪高度等不同而分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区；淡水环境中主要根据设计水位分为水上区、水位变动区、水下区。水利标准中对于海水环境中有掩护条件下的分区与水运标准相同，但是并不涉及海水环境中无掩护条件下的判别，反而增加了对于室内室外的判别、化学腐蚀性程度的判别等，这与行业标准的应用领域有关。水运标准根据环境分区不同直接选择混凝土强度等级；水利标准根据分区及其他判别条件进一步归类为五个环境类别，根据环境类别选择混凝土等级。

2 承载能力极限状态设计

2.1 设计表达式

水运标准中，采用以下表达式：

γ0为重要性系数，安全等级一到三级时分别取为1.1、1.0、0.9；Sd为作用效应组合的设计值；R为结构的承载力设计值。

水利标准中，采用以下表达式：

为承载力安全系数，取值如表1 所示；其余参数与水运标准相同（为方便表示，忽略符号差异，下同）。

表1 水利标准承载力安全系数

显然，从以上表达式可以看出，两种标准的系数存在明显差异，水利标准的承载力安全系数 普遍大于水运标准的重要性系数γ0。

2.2 效应组合的设计值

水运标准中，作用效应组合的设计值按照下式计算：

持久组合：

短暂组合：

γGi为第i个永久作用的分项系数；SGik为第i个永久作用标准值的效应；γP为预应力的分项系数；SP为预应力有关代表值的效应；γQ1、γQj分别为主导可变作用和第j个可变作用的分项系数（短暂组合中则不区分是否主导，下同）；SQ1、S Qj分别为主导可变作用和第j个可变作用标准值的效应；ψ cj为可变作用的组合系数，可取0.7，对于有界作用且常以界值出现时，可取1.0。

水运标准针对可能涉及的20 种荷载，分别给出了分项系数的取值，一般介于1.05～1.5 之间，具体设计过程中只需要查表即可[4]。但是需要注意3点补充说明：当永久荷载对结构起有利作用时，其分项系数不应大于1.0；结构自重、固定设备重力、土重等为主时，分项系数不应小于1.3；短暂组合时，荷载分项系数可减小0.1。

水利标准中，作用效应组合的设计值按照下式计算：

基本组合（当永久荷载对结构起不利作用时）：

基本组合（当永久荷载对结构起有利作用时）：

短暂组合：

SG1k为自重、设备等永久荷载标准值的效应；SG2k为土压力、淤沙压力及围岩压力等永久荷载标准值的效应；SQ1k为一般可变荷载标准值的效应；SQ2为可控制其不超过规定界值的可变荷载标准值的效应；SAk为偶然荷载标准值的效应。

水利标准中的上述公式，直接给出了荷载的分项系数，但对于荷载并未细化，而是笼统地归为5类。通过对比，水运标准中的各类荷载分项系数普遍大于水利标准；而且，水运标准中将可变作用分为主导作用和非主导作用，针对非主导可变作用增加了组合系数，用于进一步细化荷载的作用情况。

2.3 承载力设计值

受弯构件的正截面受弯承载力设计值的计算中，两种标准从计算原理、基本假定到简化计算表达式均基本一致。但是，在水运标准中，该计算采用的混凝土轴心抗压强度设计值fc会先乘以系数α1。当混凝土强度等级不大于C50 时，该系数取1.0；当混凝土强度等级为C80 时，该系数取0.94；在C50 至C80 之间，按照线性内插计算。因此，水运标准中增加的这个系数主要针对C50以上的高强度混凝土。由水利标准的条文说明[5]可知，其计算公式适用于混凝土强度等级不超过C60 的构件。在实际工程中，普通混凝土构件的混凝土强度等级一般不超过C50，此时水运、水利两种标准的计算并无区别。

2.4 超筋破坏的判别

水运、水利标准均通过混凝土受压区高度 来判断是否会达到超筋破坏，但是后者更严格一些。在水运标准中，混凝土受压区高度须满足x≤ξbh0（ξb为相对界限受压区高度，h0为截面有效高度），这与我国其他类似标准的规定相同；而在水利标准中，须满足x≤ 0. 85ξbh0，比水运标准增加了一个系数0.85，这是为了更有效地避免超筋破坏的发生，这一改动对于普通构件无影响，只有针对因截面尺寸受限而须配置受压钢筋的双筋梁板构件，会导致用钢量增加约0.7%[5]。

3 正常使用极限状态的设计

3.1 设计表达式

水运、水利标准中，正常使用极限状态的设计表达式相同，均为下式：

Sd为作用效应组合的设计值；C为正常使用要求所规定的结构变形、应力或裂缝宽度等限值。

但在两种标准中，效应组合设计值及正常使用限值的规定有所不同。

3.2 效应组合的设计值

水运标准中，按照不同的设计要求，作用效应组合的设计值分为4 种情况计算：持久状况标准组合、持久状况频遇组合、持久状况准永久组合、短暂状况。其中，可变作用的组合系数、频遇值系数、准永久系数，可分别取0.7、0.7、0.6，对于经常以界值出现的有界作用，组合系数和准永久系数可取1.0。

而对于水利标准而言，正常使用极限状态均按照作用效应的标准组合进行计算。

3.3 裂缝宽度计算公式

对于普通的钢筋混凝土受弯构件，正常使用极限状态的设计主要是裂缝宽度的验算。对于水运、水利两种标准，其裂缝宽度的计算原理基本相同，但是公式拟合的具体形式及参数设置略有不同。

水运标准中，对于截面形状为矩形、T 形、倒T 形和圆形的构件，其最大裂缝宽度计算公式如下：

α1为反映构件受力特征的系数，受弯取1.0，大偏心受压取0.95，偏心受拉取1.1，轴心受拉取1.2；α2为反映钢筋表面形状的系数，光面钢筋取1.4，带肋钢筋取1.0；α3为反映效应组合情况的系数，考虑准永久组合或重复荷载影响时取1.5，考虑短暂状况时取1.0～1.2，而施工期可取1.0；σ S为纵向受拉钢筋的应力；ES为钢筋弹性模量；c为最外排纵向受拉钢筋的保护层厚度，当c大于50 mm时取50 mm；d为钢筋直径；ρ te为纵向受拉钢筋的有效配筋率，当ρte小于0.01 时取0.01，当其大于0.1 时取0.1。

水利标准中，对于截面形状为矩形、T 形、倒T 形的构件，其最大裂缝宽度计算公式如下：

α为反映构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数，受弯或偏心受压取2.1，偏心受拉取2.4，轴心受拉取2.7；c为最外排纵向受拉钢筋的保护层厚度，当c大于65 mm 时取65 mm；ρte为纵向受拉钢筋的有效配筋率，当ρte小于0.03 时取0.03；其余参数与水运标准相同。

对比两种行业标准可知，主要存在4 点不同。首先，水运标准的裂缝宽度一般采用作用的准永久组合进行计算，而水利标准则采用了作用的标准组合。其次，水运标准在系数设置上针对采用光面钢筋或者某些荷载的短暂组合等情况分别直接给出系数加以处理，考虑更为细化；而水利标准针对类似情况，则是在备注或者条文说明中给出了类似的解释和处理。另外，在保护层厚度和有效配筋率的限值上，两种标准略有不同，这与不同行业的实际工程经验有关。比如，水运标准裂缝计算时的保护层厚度最大值取50 mm，小于水利标准规定的最大值65 mm，直接影响裂缝计算结果。最后，水运标准增加了圆形截面的计算方法，适用范围更广。

3.4 最大裂缝宽度的限值

水运、水利标准针对最大裂缝宽度均有明确限值，取值相近，但是判别标准稍有不同。与混凝土强度等级的选择类似，水运标准中最大裂缝宽度限值由构件所处位置的环境分区决定，对于普通钢筋混凝土构件，介于0.2～0.4 mm；而水利标准中则取决于构件所处位置的环境类别，对于普通钢筋混凝土构件，介于0.15～0.4 mm。两种标准的具体对比如下所示：

表2 水运标准最大裂缝宽度限值规定

表3 水利标准最大裂缝宽度限值规定

4 其他构造规定

4.1 纵向受力钢筋最小配筋率的限值

水运标准中，普通钢筋混凝土受弯构件的纵向受力钢筋最小配筋率采用“双控”方式，采用0.2 %和（4 5ft/fy）%中的较大值，其中ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，fy为钢筋抗拉强度设计值。

水利标准中，纵向受力钢筋最小配筋率采用“单控”方式，但是针对不同钢筋种类和构件类别，给出了不同限值。例如，普通钢筋混凝土构件的受力钢筋采用HRB400，针对HRB400 钢筋，受弯构件为梁时最小配筋率取0.2 %，受弯构件为板时取0.15 %。

对比两种标准，水运标准更为严格，而且考虑了混凝土和钢筋的材料强度的影响；而水利标准则对构件类型的考虑更为全面。

4.2 受力钢筋的混凝土保护层最小厚度的限值

水运、水利标准针对受力钢筋的混凝土保护层最小厚度也均有明确限值，取值相近，但判别标准稍有不同。与混凝土强度等级的选择以及最大裂缝宽度限值的确定相似，水运标准中保护层最小厚度由构件所处位置的环境分区决定，与构件类型无关；而水利标准中不仅取决于构件所处位置的环境类别，另外还根据工程经验，针对构件类型进行细分，同等条件下保护层最小厚度限值：板、墙<梁、柱、墩<截面厚度不小于2.5 m 的底板、墩墙。

5 算 例

中国北方某水闸工程，与某海堤相衔接。其闸室为开敞式，分2 孔过流。闸室于闸墩中间分缝，两侧对称，单孔两侧闸墩的中心距为23.85 m。闸室底板采用整体式，厚2.2 m。闸室基础为混凝土灌注桩，垂直水流方向间距3.15 m 均布8 根，顺水流方向间距3 m 均布。

分别采用水运、水利标准，针对闸室底板进行正截面设计计算。该底板所受荷载有：自重、桩基支撑力、施工均载、水重、扬压力。具体设计工况及其对应的外力标准值由整体稳定性计算得出，共分为36 种工况，本文直接取用其作为底板计算的设计条件。考虑闸室底板可简化为两端固定的单向板，因此取沿闸室横断面方向的一条混凝土“板带”进行计算，宽度3 m，长度取为两侧闸墩的中心距23.85 m。底板下部桩基支撑力均简化为集中力，施加到该梁上；其余荷载均取3 m 宽参与计算。简化计算简图如下所示。

图1 算例计算简图

结合两种行业标准的判定及工程需要，两种计算中，该底板均采用C35 混凝土和HRB400 钢筋进行正截面设计；结合工程实际情况，上层钢筋实际保护层取65 mm，下层钢筋实际保护层取130 mm；上层混凝土裂缝宽度限值0.2 mm，下层混凝土裂缝宽度限值0.25 mm。分为4 个部位进行配筋计算，两种行业标准的结果分别汇总如下。

表4 水运标准计算结果（γ0=1.1）

表5 水利标准计算结果（K-.1.4）

在本算例中，由上表可以看出：

1）满足承载力的最小配筋面积，水运标准普遍大于水利标准，其原因主要有两点。其一，两种行业标准的效应组合中，系数取值不同，导致在多种荷载同时施加时的总荷载分布不同，且不同部位的差异有大有小；其二，两种标准考虑的重要性系数/安全系数取值不同，导致最终参与配筋的效应设计值不同。

2）水运标准的最小配筋率大于水利标准，因此构造性要求更为严格。

3）水运标准的计算裂缝宽度普遍稍大于水利标准，但是差异较小。差异原因在于计算公式及其参数取值的差异。

6 结语

1）研究结论：

①不同行业标准均基于国家标准，并针对本行业的具体情况提出更详细的规定，其各自侧重点有所不同。

②通过对比分析，在钢筋混凝土受弯构件正截面设计的全流程中，水运标准和水利标准在材料选用、构造性要求、效应组合设计值计算、承载力计算、裂缝宽度计算等步骤中各自考虑的安全度不同，而最终的计算结果是全流程的安全度的综合体现。

③在同一套设计计算中，应该全流程均采用同一行业标准，切勿在不同步骤混用不同的行业标准。

2）其他类似工程可借鉴的经验及设计建议：

对于工程建设中相近行业的交叉和融合项目，比如临海交叉地带水利设施工程，涉及水运、水利两种不同行业标准，建议针对不同行业标准均进行完整的计算复核，从而能够综合考虑两个行业的工程经验。