水工混凝土“78规范”与“96规范”安全度对比

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简介： 该文从规范采用的设计准则和混凝土强度保证率入手，分别对SDJ20?78和SL/T?96两个水工钢筋混凝土结构设计规范有效版本的安全度进行了分析，并以轴心受压杆件和受弯杆件为例，量化了两本规范的安全度对比情况以及对工程量的影响程度。
关键字：水工混凝土 设计规范 安全度 对比

1 问题的提出

在南水北调中线总干渠水工设计中，先后采用了《水工钢筋混凝土结构设计规范 SDJ20—78》（简称“78规范”）和《水工钢筋混凝土结构设计规范 SL/T 191—96》（简称“96规范”），目前这两本规范都为有效版本。但在实际工作中发现，以前用“78规范”设计的工程，现在用“96规范”复核,一些指标不满足要求；相反按“96规范”设计的工程，再用“78规范”复核，一些指标也不满足要求。因此在设计人员的思想上产生了混乱，人们迫切需要弄清两本规范的安全度对比情况和对工程量的影响程度。然而，两本规范的设计理论不同，不能直接进行比较。为此，笔者结合实际工作，采用从材料强度、荷载取值、计算公式等方面逐项累计的方式，进行了两本规范的安全度对比。

2 混凝土强度对比

在“78规范”中，混凝土标号试件为边长200 mm立方体，其强度保证率为90％。在“96规范”中，混凝土强度等级试件为边长150 mm的立方体，其强度保证率为95％。

试件尺寸由200 mm立方体改为150mm立方体的尺寸效应影响系数为0.95，即“96规范”的混凝土强度等级乘0.95折算为“78规范”混凝土标号。另外，“96规范”的混凝土强度等级保证率由95％换算为90％，须乘系数A：

A= （1－1.270δfcu）/(1－1.645δfcu)

δfcu—混凝土立方体（边长150 mm）抗压强度的变异系数。

为了便于说明问题，将“78规范”的混凝土标号R200、R250、R300、R400对应于“96规范”的混凝土强度等级C20、C25、C30、C40，并以“78规范”为基础进行比较。经过单位换算并计入试件尺寸效应和保证率影响系数后，“78规范”和“96规范”的混凝土强度对比见表1。

3 设计理论及工况参数对比

3.1 “78规范”设计理论

“78规范”采用极限状态设计原则，以综合安全系数表达式进行设计。强度计算和抗裂验算设计表达式如下：

KMq≤MP 　　（强度计算状态） 

KfMs≤Mf 　（抗裂验算状态）

式中：K为强度安全系数； Mq为使用期内构件截面可能出现的最大内力；MP为相应截面在破坏时所能承担的最大内力；Kf为抗裂安全系数；Ms为基本荷载作用下构件截面可能出现的最大内力；Mf为该截面即将开裂时所能承担的内力。

3.2 “96规范”设计理论

“96规范”采用概率极限状态设计原则，以分项系数表达式进行设计。强度计算和抗裂验算设计表达式如下：

γdγ0Ψ（γGSGK＋γQSQK）≤ R (强度计算状态)

γ0(LGK＋ρLQK)≤αctf tk (抗裂验算状态)

式中：γ0为结构重要性系数，对于安全等级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的建筑物分别取1.1，1.0，0.9；γd为结构系数，取1.2；ψ为设计状况系数，对于持久、短暂、偶然状况分别取1.0，0.95，0.9；γG为永久荷载分项系数，取1.05；γQ为可变荷载分项系数；SGK为永久荷载标准值的作用效应；SQK为可变荷载标准值的作用效应；R为相应截面在破坏时所能承担的最大内力；LGK永久荷载标准值作用下结构受拉边缘的拉应力效应；LQK为可变荷载标准值作用下结构受拉边缘的拉应力效应；ρ为可变荷载标准值的长期组合系数；αct为混凝土拉应力限制系数，长期组合取0.7；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值。

3.3 荷载组合及参数对比

对于强度计算状态，按照《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077—1997）规定，持久设计状况和短暂设计状况均采用基本荷载组合，偶然设计状况采用偶然组合。因此可以认为，在强度计算中，“96规范”的持久设计状况和短暂设计状况均对应于“78规范”的基本荷载组合；“96规范”的偶然设计状况对应于“78规范”的特殊组合。

对于抗裂验算状态，按照《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB50199—94）规定，一般应按持久设计状况的长期组合和短期组合设计。因此可以认为，在抗裂验算中，“96规范”持久设计状况的长期组合和短期组合均对应于“78规范”的基本荷载组合。

对于荷载分项系数，按照DL5077—1997的规定，自重永久荷载分项系数一般采用1.05，静水压力可变荷载分项系数采用1.0。当进行抗裂验算时，荷载分项系数均采用1.0。在“78规范”中，荷载安全系数未单独列出，包含在了综合安全系数K中。

4 构件安全度对比

为了定量比较“78规范”和“96规范”的安全度，下面以渡槽为例，就构件在基本荷载组合下的强度和抗裂安全度进行比较。

在渡槽工程中，自重和槽内静水压力是主要荷载，风荷载、人群荷载等其它可变荷载均为次要荷载。因此就安全度对比而言，可仅考虑主要荷载，不计次要荷载。根据南水北调中线渡槽设计情况，考虑自重永久荷载占总荷载的1/3，静水压力可变荷载占总荷载的2/3。

4.1 轴心受压构件承载能力安全度对比

“78规范”表达式：KN≤Ra

“96规范”表达式：1.2×γ0N（1.05×1/3＋1.0×2/3）≤f c

按上述表达式，钢筋混凝土轴心受压构件基本荷载组合情况下的承载能力安全度对比（表2）。

4.2 受弯构件承载能力安全度对比 

以矩形截面为例，在不计受压钢筋情况下：

“78规范”表达式：KM≤RWbx1(h0－x1/2)

“96规范”表达式：1.2×γ0M（1.05×1/3＋1.0×2/3）≤ fcbx 2(h0－x2/2)

根据力的平衡条件,有RWbx1 =f cbx 2， x 2=1.42x1，则

“96规范”表达式改写为：1.22γ0M≤f cbx 2(h0－0.71x 1)

由此可以看出，受弯构件的安全度不仅与截面尺寸及混凝土强度有关，而且还与混凝土受压区高度有关。综合考虑上述因素后,矩形截面受弯构件承载能力安全度对比（表3）。

4.3 受弯构件抗裂安全度对比

根据南水北调中线总干渠的设计运用原则和DL5077—1997的规定，渡槽的设计水压力与永久荷载组合为长期组合，长期组合系数ρ取1.0。于是有下述受弯构件抗裂验算表达式。

“78规范”表达式：KfM≤γRfW0

“96规范”表达式：γ0M≤0.7γf tk W0

按上述表达式，长期荷载组合效应下的钢筋混凝土受弯构件抗裂安全度对比（表4）。

5 结　论

（1）从设计理念方面来看，“96规范”比“78规范”更具有科学性和条理性。

（2）从混凝土设计强度取值方面来看，“96规范”的保证率为98.93％～99.99％，“78规范”为97.72％。因此，“96规范”的混凝土设计强度具有更高的可靠性，而且可靠性与混凝土强度等级成正比。 

（3）从构件强度计算方面来看，对于承受静水压力为主的轴心受压及小偏心受压构件，“96规范”的综合安全度比“78规范”低10％左右；对于受弯及大偏心受压构件，“96规范”的综合安全度比“78规范”低5％～15％左右，降低幅度与受压区高度成反比。因此，以强度为控制条件的轴心受压及小偏心受压构件，采用“96规范”比“78规范”可减少混凝土用量约10％；受弯及大偏心受压构件可减少混凝土用量5％～15％。

（4）从构件抗裂验算方面来看，对于1级建筑物长期荷载组合情况下的受弯构件，“96规范”的正截面抗裂综合安全度比“78规范”高42％。因此，以抗裂为控制条件的受弯构件，进行构件截面抵抗矩换算后，采用“96规范”比“78规范”增加混凝土用量19％。

（5）从抗裂验算范围方面来看，“96规范”仅对承受水压的轴心受拉和小偏心受拉构件以及发生裂缝后会引起严重渗漏的其它构件（如渡槽槽身等）提出抗裂要求，其余构件都可按裂缝宽度控制。因此，“96规范”的验算范围比“78规范”小得多。但由于“96规范”要求的抗裂安全度比“78规范”高得多，因此从经济方面考虑，对于有抗裂要求的构件，最好采用预应力钢筋混凝土结构。

The Safety Comparison Between Edition SDJ20?78 and SL/T?96 of Design Code for Hydraulic Concrete Structures

LI Ju?xing

(The Second Design and Research Institute of Water Conservancyand Hydropower of Hebei Province,Shijia?zhuang,050021 China )

Abstract: Based on design criteria and concrete bearing capacity , the paper analyzed the safety of edition SDJ20?78 and SL/T?96 of design code for hydraulic concrete structure.Using the vertical load in shaft centre and shaft curve with load as examples, the paper took a investment between two editiaons.

Keyword: hydraulic concrete structure; design code; safety comparison

作者简介：李聚兴(1952?)，男，河北省水利水电第二勘测设计研究院南水北调中线工程设计总工程师。