试谈中国中国混凝土结构设计策略

中国建筑科学研究院建筑结构研究所《钢筋混凝土结构设计规范》管理组组织全国有关高等院校、科研、设计、施工单位，针对当时规范存在的问题和工程建设中存在的带有普遍意义的新技术、新材

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料、新结构问题，有计划地开展了三批钢筋混凝土结构设计规范课题的研究。对研究成果进行了分级鉴定和审议，出版了《钢筋混凝土结构研究报告选集》，一些研究成果同时发表在国内的相关刊物上。通过这三批课题的研究，获得了大量的试验数据和理论成果，为规范的修订提供了依据。《混凝土结构设计规范》（GBJ10一89）于1989年颁布。修订主要体现在如下几个方面：

1.结构可靠度设计体系

美国、加拿大、英国、德国、澳大利亚等国家在这方面做了很多工作，经过大量的荷载调查、材料性能实测和理论研究，我国于1984年颁布了《建筑结构设计统一标准》（GBJ68—84）。所以，修订组在《统一标准》规定的分项系数设计表达式的基础上，在荷载分项系数、荷载组合系数已由《建筑结构荷载规范》规定的前提下，根据《统一标准》对各类构件可靠指标的要求，首先对轴心受拉构件进行可靠度分析，确定钢材强度分项系数，然后对轴心受压构件按已知作可靠度分析，再确定混凝土强度分项系数。最后，在钢材强度分项系数和混凝土强度分项系数都确定的情况下，分析计算公式的不定性，确定构件承载力计算公式中的系数，从而建立了GBJ10一89规范的可靠度设计体系。

2.正截面承载力计算

TJ10一74规范的受弯和受压（包括大小偏心受压）承载力计算公式基本是根据对试验结果的分析建立的。对于复杂的情况（如腹部配筋、双向受弯、双向受压及任意截面），则不能外推。GBJ10一89规范通过引入平截面检测定，并给出理想化的钢筋和混凝土的应力一应变曲线，对常遇的截面形状和配筋形式给出了简化的实用计算公式，给出了按平截面检测定确定的受弯构件超筋界限和大、小偏心受压界限条件。引入平截面检测定使钢筋混凝土构件正截面承载力的计算建立在科学的体系之上。
此外，GBJ10一89规范以截面极限曲率为基础修改了TJ10一74规范中长柱偏心距增大系数的计算方法；增加了考虑配置高强钢丝类的预应力混凝土受弯构件中，钢丝应力进入强化段后对正截面承载力提高作用的计算公式，从而可以节约钢材。

3.受剪承载力计算

TJ10一74规范的受剪承载力计算只适用于无轴向力的情况，对于工程中实际存在的大量偏心受压、偏心受拉构件的受剪承载力则无法计算，而预应力混凝土构件中预应力对受剪承载力的有利作用也不能考虑。GBJ10一89规范包括了轴向压力、轴向拉力、预应力作用下的受剪承载力计算，填补了这方面的空白。

4.受扭及弯剪扭承载力计算

GBJ10一89规范以变角空间桁架的概念为基础，适当考虑混凝土的抗扭作用，建立了受扭承载力计算公式。TJ10一74规范的受扭承载力计算只适用于钢筋混凝土矩形截面构件，GBJ10—89规范扩展到预应力混凝土构件、I形、T形截面构件，提出了I形、T形截面分块计算的原则和方法。
TJ10一74规范只有纯扭构件承载力的计算方法，没有复杂受力情况下构件承载力的计算方法。对工程上经常遇到的受弯剪扭共同作用的构件，GBJ10一89规范给出了考虑剪扭之间相关关系的计算方法。对剪扭构件的受剪承载力及受扭承载力分别引入承载力降低系数，以考虑扭矩使混凝土受剪承载力的降低，以及剪力使混凝土受扭承载力的降低。

5.冲切和局部受压

TJ10一74规范冲切承载力的计算过于保守，GBJ10—89规范将冲切计算的系数调低约10%。增加了配置箍筋或弯起钢筋板的冲切承载力的计算方法。
对于局部受压，修改了混凝土底面积的计算方法。GBJ10一89规范采用“同心对称”的原则，要求计算底面积与局压面积具有相同的重心位置且对称，因此，当构件处于边部或角部局部受压时，局部受压处的混凝土强度不再提高。

6.预应力混凝土

建立了预应力钢筋合力点处混凝土法向应力为零时预应力钢筋应力及相应合力 的概念，从而使预应力混凝土和钢筋混凝土结构计算协调起来。将预应力混凝土和钢筋混凝土结构的计算放在同一个公式中，增加了预应力混凝土构件受扭计算和裂缝宽度眼神的内容，改进了受剪计算和刚度验算方法。调整了预应力损失值，提高了高强钢丝的张拉控制应力允许值。在预应力混凝土构件的疲劳计算方面也作了较大修改。

7.正常使用极限状态

对于严格要求不出现裂缝的构件，给出了在荷载短期效应组合下不出现拉应力的验算公式；对一般要求不出现裂缝的构件，给出了在荷载长期效应组合下不出现拉应力、在短期效应组合下出现拉应力但不超过允许值的验算公式。
对预应力混凝土构件的受拉钢筋建立了“等效应力”的概念，等效应力与计算钢筋混凝土构件裂缝宽度时受拉钢筋的应力等效，即将预应力钢筋的等效应力代人钢筋混凝土构件裂缝宽度的计算公式，即可计算预应力混凝土构件的裂缝宽度。
8.构件
对于柱的计算长度，除单层厂房外，TJ10—74规范实际上仅对无侧移框架作出了规定。GBJ10-89规范分无侧移、有侧移但有较少约束、有侧移且基本上无侧向约束三种情况分别规定了柱的计算长度。
TJ10—74规范对叠合构件的规定过于简单，不能满足设计需要，GBJ10一89规范作了修订。在受弯承载力方面，根据叠合构件受拉钢筋应力超前现象，规定了控制条件，以防止受拉钢筋在使用阶段达到屈服强度；在受剪承载力方面，给出了叠合面受剪承载力公式，当配箍率低时，斜截面受剪控制箍筋用量，当配箍率高时，叠合面受剪控制箍筋用量；在正常使用极限状态方面，根据叠合构件分两个阶段受力的特点，给出了刚度和裂缝宽度计算公式。
TJ10一74规范没有深梁设计的条文，而鉴于工业建筑、高层、地下建筑等结构中深梁的应用越来越广泛，GBJ10一89规范根据大量的试验研究，提出了承载力的计算公式和构造措施。
GBJ10—89规范从预埋件纯剪、纯弯、纯拉时的承载力出发，认为剪拉线性相关，弯拉线性相关，剪弯半线性相关，给出剪弯拉复合作用下的计算公式，考虑到压力的有利作用，相应给出剪弯压的计算公式。
9.结构分析
增加了“结构分析”基本原则的内容，包括对荷载效应最不利组合的要求；结构整体效应分析及特殊受力部位局部分析的要求；计算简图的确定原则；结构分析基本条件（力学平衡、变形协调及材料本构关系）的要求等。提出了线弹性分析方法、考虑塑性内力重分布的分析方法、塑性极限分析方法、非线性分析方法及试验分析方法等混凝土结构的结构分析方法，并对各种方法的应用条件及计算原则作出了规定。同时，对结构分析的电算程序提出了要求。给出了混凝土在多轴（二轴、三轴）应力状态下的强度破坏准则及混凝土在受拉、受压状态下的本构（应力一应变）关系。
对于混凝土结构和构件的二阶效应，规范只考虑有侧移的情况，美国和欧洲规范按无侧移和有侧移两种情况考虑。美国和欧洲规范规定可直接通过考虑结构几何非线性效应的分析方法计算，也可在一阶分析的基础上，考虑弯矩增大系数近似计算。在弯矩增大系数法中，我过规范的计算方法比较简便，美国和欧洲规范的计算方法比较复杂，计算中与钢筋的面积有关。所以按美国和欧洲规范计算偏心受压构件的配筋时，要先鉴定钢筋面积，再验算承载力。