《混凝土结构设计规范》GB50010-2010修订概况.ppt
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1、混凝土结构设计规范GB50010-2010修订概况,郑州大学土木工程学院 刘立新 2010年11月,一.修订的背景和原则 混凝土结构是我国工程建设中应用最广泛的结构形式之一,据不完全统计,目前我国钢材年产量已达5亿吨,每年混凝土用量已达到25亿m3,混凝土结构钢筋用量接近1亿吨,连续多年居世界第一。但我国混凝土结构目前所应用的钢筋和混凝土强度比西方发达国家普遍要低1-2个等级。 我国工程建设中低强钢材、低等级水泥以及低等级混凝土比例过大,消费结构不合理,消耗了过多的资源和能源,不利于可持续发展。 高强钢筋和高性能混凝土应用于各类工程建设,带来的不仅仅是强度的提高,更重要的是降低钢材、水泥、砂、
2、石的消费量,节约资源和能源,提高了结构的耐久性。如我国能将这些主要建筑材料提高12个强度等级,其节约资源和能源、宏观经济效益将是十分明显的。, 适当提高安全储备,保证结构安全;适当提高抗禦灾害的能力,落实以人为本的原则(汶川地震及其他自然或人为灾害的教训); 完善耐久性设计(延长建筑物使用年限),采用高强高性能材料,提高材料利用效率(节约资源),保障可持续发展的需要; 加强与相关规范的合理分工及协调,反映最新科研成果和工程经验,参考国际标准,促进建筑技术的进步及产业化进程。 2007年1月成立修订组,2008年3月资料收集整理分析及补充试验,2008年4月形成规范初稿,2008年8月完成规范讨
3、论稿,2009年6月进行修订问题研究,2009年7月完成规范征求意见稿,2009年10月完成规范试设计,2009年11月完成规范送审稿,2009年12月规范审查,2010年6月规范报批。2010年8月18日住房和城乡建设部发布公告,国家标准混凝土结构设计规范GB50010-2010,自2011年7月1日起实施。,二.规范修订的主要技术要点 补充了“结构方案”和“结构抗倒塌”的设计原则(使规范逐步从构件规定向结构整体规定过渡); 增加了既有结构改造设计的原则的规定(配合既有建筑的改造利用的需要); 修改了钢筋混凝土和预应力混凝土构件正常使用极限状态设计的有关规定(裂缝宽度、挠度验算); 增加了楼
4、盖舒适度的设计要求(对大跨度混凝土楼盖结构应进行竖向自振频率验算); 修改了环境等级划分,完善了耐久性设计要求(包括环境类别、材料质量、保护层厚度、技术措施、防护措施、维护要求等); 6. 新增500MPa级高强钢筋(HRB500级、HRBF500级),淘汰HP235MPa级低强钢筋(非预应力钢筋以400和500级钢筋为主,光面钢筋为HPB300级,将逐步取消HRB335级);,提出了并筋(钢筋束)的配筋方式(方便钢筋密集构件施工,并与国外规范一致); 对结构侧移的二阶效应(P -效应),提出有限元分析方法及增大系数的简化考虑方法;统一了一般受弯构件与集中荷载作用下的梁的斜截面受剪承载力计算公
5、式(腹筋作用项); 补充了拉、弯、剪、扭复合受力钢筋混凝土矩形截面框架柱设计的相关规定; 修改了受冲切承载力计算公式; 适当调整了钢筋的保护层厚度规定(保护层厚度从最外层钢筋(箍筋)算起,与耐久性规范协调并适当简化); 12. 修改了钢筋锚固长度的有关规定(规定了基本锚固长度lab、受拉锚固长度la和锚固长度修正系数za,增加了机械锚固的内容);,13. 调整了混凝土结构构件纵向受力钢筋最小配筋率要求(最小配筋率与钢筋强度等级相联系,对采用400和500MPa级钢筋的板类受弯构件最小配筋率适当减少,有利于推广高强钢筋); 14. 补充了双向受剪钢筋混凝土柱的抗震设计相关规定; 15. 调整了混
6、凝土柱轴压比限值,增加了四级抗震等级的轴压比要求; 补充筒体及剪力墙洞口连梁的受弯承载力及小跨高比连 梁、特殊配筋连梁的设计规定; 修改了剪力墙边缘构件的有关设计要求,增加了三级抗震等级剪力墙的相关规定; 18. 增加了冲切及板柱节点抗震设计的相关规定; 补充了预应力混凝土构件抗震设计的相关要求。,三.有关章节修订的主要内容 (一)基本设计规定 1.混凝土结构设计的内容: (1) 结构方案设计,包括结构选型、传力途径和构件布置; (2)作用及作用效应分析; (3) 结构构件截面配筋计算或验算; (4)结构及构件的构造、连接措施; (5)对耐久性及施工的要求; (6)满足特殊要求结构的专门性能设
7、计。 设计应明确结构的用途,在设计使用年限内未经技术鉴定或设计许可,不得改变结构的用途和使用环境。,2.承载能力极限状态计算 对持久设计状况、暂短设计状况和地震设计状况,当用内力的形式表达时,结构构件应采用下列承载能力极限状态设计表达式: gRd结构构件的抗力模型不定性系数:对静力设计,一般结构构件取1.0,重要结构构件或不确定性较大的结构构件根据具体情况取大于1.0的数值;对抗震设计,采用承载力抗震调整系数gRE代替gRd的表达形式;,结构的设计状况 设计状况是代表一定时段内实际情况的一组设计条件,设计应做到在该组条件下结构不超越有关的极限状态。工程结构可靠性设计统一标准GB50153-20
8、08规定工程结构设计时应区分下列设计状况: (1)持久设计状况。是指在结构使用过程中一定出现,且持续期很长的设计状况,其持续期一般与设计使用年限为同一数量级。持久设计状况适用于结构使用时的正常情况。 (2)短暂设计状况。是指在结构施工和使用过程中出现概率较大,而与设计使用年限相比,其持续期很短的设计状况。短暂设计状况适用于结构出现的临时情况,包括结构施工和维修时的情况等。,(3)偶然设计状况。是指在结构使用过程中出现概率较小,且持续期很短的设计状况。偶然设计状况适用于结构出现的异常情况,包括结构遭受火灾、爆炸、撞击时的情况等。 (4)地震设计状况。是指结构遭受地震时的设计状况。地震设计状况适用
9、于结构遭受地震时的情况,在抗震设防地区必须考虑地震设计状况。 工程结构可靠性设计统一标准规定,对工程结构的上述四种设计状况均应进行承载能力极限状态设计,对持久设计状况尚应进行正常使用极限状态设计,对短暂设计状况和地震设计状况可根据需要进行正常使用极限状态设计,对偶然设计状况可不进行正常使用极限状态设计。,3.正常使用极限状态验算 混凝土结构构件正常使用极限状态的验算应包括下列内容: (1)对需要控制变形的构件,应进行变形验算; (2)对使用上限制出现裂缝的构件,应进行混凝土拉应力 验算; (3)对允许出现裂缝的构件,应进行受力裂缝宽度验算; (4)对有舒适度要求的楼盖结构,应进行竖向自振频率验
10、算。 S-正常使用极限状态的荷载组合效应值 (分别按荷载的准 永久组合、标准组合、准永久组合并考虑长期作用的影响或标准组合并考虑长期作用的影响计算 )。,对大跨度混凝土楼盖结构应进行竖向自振频率验算,其自振频率宜符合下列要求: (1)住宅和公寓不宜低于5Hz; (2)办公楼和旅馆不宜低于4Hz; (3)大跨度公共建筑不宜3Hz; (4)工业建筑及有特殊要求的建筑应根据使用功能提出要求。 4.耐久性设计 (1)确定结构所处的环境类别; (2)提出材料的耐久性质量要求; (3)确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度; (4)满足耐久性要求相应的技术措施; (5)在不利的环境条件下应采取的防护措施; (6
11、)提出结构使用阶段检测与维护的要求。 注:对临时性的混凝土结构,可不考虑混凝土的耐久性要求。, 对下列混凝土结构及构件,尚应采取加强耐久性的相应措施: (1)预应力混凝土结构中的预应力筋应根据具体情况采取表面防护、管道灌浆、加大混凝土保护层厚度等措施,外露的锚固端应采取封锚和混凝土表面处理等有效措施; (2)有抗渗要求的混凝土结构,混凝土的抗渗等级应符合 有关标准的要求; (3)严寒及寒冷地区的潮湿环境中,结构混凝土应满足抗冻要求,混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求; (4)处于二、三类环境中的悬臂构件宜采用悬臂梁-板的结构形式,或在其上表面增设防护层; (5)处于二、三环境中的结构构件,其表
12、面的预埋件、吊钩、连接件等金属部件应采取可靠的防锈措施; (6)处在三类环境中的混凝土结构构件,可采用阻锈剂、环氧树脂涂层钢筋或其他具有耐腐蚀性能的钢筋、采取阴极保护措施或采用可更换的构件等措施。,混凝土结构的环境类别,干湿交替主要指室内潮湿、室外露天、地下水浸润、水位交动的环境。由于水和氧的反复作用,容易引起钢筋锈蚀和混凝土材料劣化。 非严寒和非寒冷地区与严寒和寒冷地区的区别主要在于无冰冻。关于严寒和寒冷地区的定义,民用建筑热工设计规范GB 50176-93规定如下:严寒地区:最冷月平均温度低于或等于-10,日平均温度低于或等于5的天数不少于145天的地区;寒冷地区:最冷月平均温度高于-10
13、、低于或等于0,日平均温度低于或等于5的天数不少于90天且少于145天的地区。也可根据建筑气象参数标准提供的参数确定所属气候区域。 三类环境主要是指近海、盐渍土及使用除冰盐的环境。滨海室外环境、盐渍土地区的地下结构、北方城市冬季依靠喷洒盐水消除冰雪而对立交桥、周边结构及停车楼,都可能造成钢筋腐蚀的影响。 四类和五类环境的详细划分和耐久性设计方法不再列入本规范,它们由有关的标准规范解决。,影响耐久性的主要因素是:混凝土的水胶比、强度等级、氯离子含量和碱含量。近年来水泥中多加入不同的掺合料,有效胶凝材料含量不确定性较大,故配合比设计的水灰比难以反映有效成分的影响。本次修订改用胶凝材料总量作水胶比及
14、各种含量的控制,原规范中的“水灰比”改成“水胶比”,并删去了对于“最小水泥用量”的限制。,结构混凝土材料的耐久性基本要求,5.防连续倒塌设计原则 混凝土结构宜按下列要求进行防连续倒塌的概念设计: (1)采取减小偶然作用效应的措施; (2)采取使重要构件及关键传力部位避免直接遭受偶然作用的措施; (3)在结构容易遭受偶然作用影响的区域增加冗余约束,布置备用传力途径; (4)增强重要构件及关键传力部位、疏散通道及避难空间结构的承载力和变形性能; (5)配置贯通水平、竖向构件的钢筋,采取有效的连接措施并与周边构件可靠地锚固; (6)通过设置结构缝,控制可能发生连续倒塌的范围。,混凝土结构防连续倒塌是
15、提高结构综合抗灾能力的重要内容。在特定类型的偶然作用发生时或发生后,当结构体系发生局部垮塌时,依靠剩余结构体系仍能继续承载,避免发生与作用不相匹配的大范围破坏或连续倒塌。无法抗拒的地质灾害及人为破坏作用,不包括在防连续倒塌设计的范围内。 结构防连续倒塌设计的涉及面广,目前研究尚不充分,规范仅提出了设计的基本原则和概念设计的要求。 结构防连续倒塌设计的难度和代价很大,一般结构只须进行防连续倒塌的概念设计。规范给出了结构防连续倒塌概念设计的基本原则,以定性设计的方法增强结构的整体稳固性,控制发生连续倒塌和大范围破坏。当结构发生局部破坏时,如不引发大范围倒塌,即认为结构具有整体稳定性。结构的延性、荷
16、载传力途径的多重性以及结构体系的超静定性,均能加强结构的整体稳定性。,重要结构的防连续倒塌设计可采用下列方法: (1)拉结构件法:在结构局部竖向构件失效的条件下,按梁拉结模型、悬索拉结模型和悬臂拉结模型进行极限承载力计算,维持结构的整体稳固性。 (2)局部加强法:对可能遭受偶然作用而发生局部破坏的竖向重要构件和关键传力部位,可提高结构的安全储备;也可直接考虑偶然作用进行结构设计。 (3)去除构件法:按一定规则去除结构的主要受力构件,采用考虑相应的作用和材料抗力,验算剩余结构体系的极限承载力;也可采用受力-倒塌全过程分析,进行防倒塌设计。,当偶然事件产生特大荷载时,按荷载效应的偶然组合进行设计以
17、保持结构体系完整无缺,往往经济代价太高,有时甚至不现实。此时,可采用允许局部爆炸或撞击引起结构发生局部破坏,在某个竖向构件失效后,使影响范围仅限于局部。按新的结构简图采用梁、悬索、悬臂的拉结模型继续承载受力,使整个结构不发生连续倒塌的原则进行设计,从而避免结构的连续倒塌或整体垮塌。,(a)梁-拉结模型 (b)悬索-拉结模型 (c)悬臂-拉结模型 拉结构件法中剩余结构体系的抗倒塌模型,5.既有结构设计的原则 既有结构延长使用年限、安全复核、改变用途、改建、扩建或加固修复等,应对其进行评定、验算或重新设计时应符合下列原则: (1)应按现行国家标准工程结构可靠性设计统一标准GB 50153的要求,进
18、行安全性、适用性、耐久性及抗灾害能力的评定。 (2)应根据评定结果、使用要求和后续使用年限确定既有结构的设计方案。 (3)对既有结构进行安全复核、改变用途或延长使用年限而进行承载能力极限状态的验算时,宜符合本规范的规定。 (4)对既有结构进行改建、扩建或加固改造而重新设计时,承载能力极限状态的计算应符合本规范和相关标准的规定。 (5)既有结构的正常使用极限状态验算及构造要求宜符合本规范的规定。,(6)必要时可对使用功能作相应的调整,提出限制使用的要求。 鉴于我国传统结构设计安全度偏低以及结构耐久性不足的历史背景,有大量的既有结构面临评定、验算、加固等问题。验算宜符合本规范的规定,强调“宜”是可
19、以根据具体情况作适当调整,如控制使用荷载和功能,减短使用年限等。因为充分利用既有建筑符合可持续发展的国策。 当对既有结构进行改建、扩建或加固修复时,须进行重新设计。为保证安全,承载能力极限状态计算“应”按本规范要求进行,但对正常使用状态验算及构造措施仅作“宜”符合本规范的要求。同样可根据具体情况作适当调整,尽量减少重新设计的经济代价。 无论是复核验算和重新设计,均应考虑检测、评定的结果确定设计参数。,既有结构的重新设计应符合下列规定: (1)应优化结构方案、提高结构的整体稳固性、避免承载力及刚度突变; (2)荷载可按现行荷载规范的规定确定,也可按使用功能和后续使用年限作适当的调整; (3)应根
20、据检测、评定的结果确定既有结构的设计参数; (4)结构既有部分混凝土、钢筋的强度设计值应根据强度的实测值确定;当材料的性能符合原设计的要求时,可按原设计的规定取值; (5)设计时应考虑既有结构构件实际的几何尺寸、截面配筋、连接构造和已有缺陷的影响;当符合原设计的要求时,可按原设计的规定取值; (6)结构后加部分的材料性能应按本规范第4章的规定确定;,(7) 既有结构与后加部分可按二阶段成形的叠合构件进行设计; (8)设计时应考虑既有结构的承载历史及施工状态的影响: (9)既有结构与后加部分之间应采取可靠的连接构造措施。 避免只考虑局部处理的片面做法,本规范强调既有结构加强整体稳固性的原则,适用
21、的范围更为广泛和系统。应避免由于仅对局部进行加固引起结构承载力或刚度的突变。 设计应考虑既有结构的现状,通过检测分析确定既有部分的材料强度和几何参数,并尽量利用原设计的规定值。结构后加部分则完全按本规范的规定取值。应注意新旧材料结构间的可靠连接,并反映既有结构的承载历史以及施工支撑卸载状态对内力分配的影响。,(二)材料性能 1.钢筋 (1) 热轧钢筋的品种及牌号,普通钢筋强度标准值,(2)钢筋的强度设计值和伸长率,2.热轧钢筋强度设计值,普通钢筋强度设计值(N/mm2),抗拉强度设计值,抗压强度设计值,普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率限值,注:有较高抗震性能要求的普通热轧带肋钢筋 HRB
22、400E、 HRBF400E、 HRB500E、HRBF500E等, gt不小于9.0%。 附:钢筋牌号的鉴别方法,(3)钢筋最大力下的总伸率(均匀伸长率) 钢筋断后伸长率 只能反映钢筋断口颈缩区域残余变形的大小;不同标距长度l0得到的结果不一致;忽略了钢筋的弹性变形,不能反映钢筋受力时的总体变形能力;容易产生人为误差。 最大力下的总伸长率(均匀伸长率)dgt (Agt),长期以来,我国热轧带肋钢筋的品种主要是添加钒、钛等合金元素的普通低合金钢,由于钢筋用量巨大,近年来已造成钒、钛等低合金资源资紧张,价格眀显上涨,对热轧钢筋的生产和应用带来不利影响。 细晶粒热轧带肋钢筋是我国冶金行业研究开发的
23、新型热轧钢筋,这种钢筋生产过程中不需要添加或只需添加很少的钒、钛等合金元素,而是在热轧过程中,通过控轧和控冷工艺轧制成的带肋钢筋,其金相组织主要是铁素体加珠光体,晶粒度不粗于9级。细晶粒热轧带肋钢筋的外形与普通低合金热轧带肋钢筋相同,其强度和延性完全满足混凝土结构对钢筋性能的要求。 用细晶粒热轧带肋钢筋代替我国目前大量使用的普通低合金热轧钢筋可节约国家宝贵的钒、钛等合金元素资源,降低碳当量和钢筋的价格,社会效益和经济效益均十分显著。,500MPa级钢筋外形及拉伸试验,d=25mm 500MPa钢筋 d=8mm 500MPa钢筋,(4) 500MPa级钢筋试点工程,2.混凝土 混凝土强度等级应按
24、立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值系指按标准方法制作、养护的边长为150mm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。 素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15;钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20;采用强度级别400MPa及以上的钢筋时,混凝土强度等级不应低于C25。 承受重复荷载的钢筋混凝土构件,混凝土强度等级不应低于C30。 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40,且不应低于C30。, 由于粉煤灰等矿物掺合料在水泥及混凝土中的大量应用,以及近年混凝土工程发展的实际情况,确定混凝土立方体抗压强度标准值的试验龄期可由设
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