hrb400钢筋混凝土受拉构件的热轧钢筋强度分配

hrb400钢筋混凝土受拉构件的热轧钢筋强度分配

1材料强度分值系数的校准结构可靠性的方法之一是根据统计数据，应用概率论的基本原则，并结合工程经验，确定符合结构相应限制条件的可靠性指标的分类系数。分项系数是指为保证所设计的结构具有规定的可靠度而在设计表达式中采用的系数,一般分成作用类分项系数和抗力类分项系数。本文仅讨论结构承载能力极限状态的结构抗力类分项系数。虽然我国的结构设计规范均对分项系数的设置水平进行过校准,但是随着我国建筑行业的迅速发展,钢筋产量屡创新高,钢筋的种类不断增多,钢筋的各项参数、指标也在不断调整,且有些资料已很难查找。因此,有必要根据当前的生产水平对这些分项系数的设置重新进行校准。本文搜集了国家建筑工程质量监督检验中心的一些热轧钢筋的检验数据,将对这些检验数据进行分析后,对有关规范钢筋强度标准值的取值进行了校核,并对热轧钢筋材料强度分项系数的设置水平进行了校准。本文所称的钢筋强度标准值实际上是指具有相应保证率的屈服强度特征值。当热轧钢筋屈服强度的统计分布可用正态分布表述时,其标准值可用公式(1)计算确定式中fyk——钢筋屈服强度标准值;uf——钢筋屈服强度的均值;σf———钢筋屈服强度的标准差;k———对应于相应保证率的系数。正态分布保证率为95%时,k=1.645,保证率为97.73%时,k=2。结构承载力的分项系数除了有荷载分项系数之外,还有结构重要性系数γ0,材料强度的分项系数γM和构件承载力的分项系数γRd。对于构件承载力的可靠度而言,γRd与γM两个分项系数的设置目的都是保证构件的可靠指标β不小于《工程结构可靠性设计统一标准》(GB50153)限定的数值。该标准限定的数值为:对于延性破坏,β≥3.2;对于脆性破坏,β≥3.7。由于上述β值包含了荷载分项系数的贡献,为了校准工作方便起见,本文采取了将可靠指标β分解成作用效应超越概率和构件承载力可靠指标βR两部分的分析方法。有关研究表明:当构件承受的作用效应设计值Sd约达到50年超越概率为2~3%时,构件承载力的可靠指标可控制为:对于延性破坏,βR≥2.5,对于脆性破坏,βR≥3.2。将构件承载力可靠指标βR分离后,可按照公式(2)的形式对热轧钢筋材料强度分项系数进行校准式中γS——热轧钢筋材料强度的分项系数;δy———热轧钢筋屈服强度的变异系数。2钢筋结构参数的标准值分析本文利用了168组HPB235钢筋、438组HRB335钢筋和388组HRB400钢筋的屈服强度的检验数据,这三种热轧钢筋的检验数据见本文的附表1~附表3,检验数据的计算统计情况如表1所示。首先由表1可知,三种热轧钢筋抗拉强度的均值明显高于屈服强度的均值。这里值得说明的是:热轧钢筋的抗拉强度参数不能用于确定构件的承载力,但可以在结构抗倒塌能力计算或评定中使用;其次由表1可知,三种钢筋屈服强度的变异系数δf均明显大于先前的统计数据0.03~0.04。热轧钢筋屈服强度变异系数偏大,必然会对强度的标准值和材料强度的分项系数造成影响。由于检验样本的不完备性,本文检验样本的fy,m仅是样本空间钢筋强度平均值uf的估计值,Sy是样本空间钢筋强度标准差σf的估计值,因此在进行热轧钢筋屈服强度特征值的计算分析时,HPB235钢筋强度的变异系数取0.10,HRB335钢筋强度的变异系数取0.06,HRB400钢筋强度的变异系数取0.08。按照上述取值规则计算的三种钢筋屈服强度的特征值及《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)规定的热轧钢筋强度的标准值(见表2);计算中特征值精确到5MPa。由表2可知,三种热轧钢筋检验样本具有95%保证率的特征值分别为265MPa、345MPa和390MPa,是规范限定标准值的1.13、1.03和0.98倍,具有97.73%保证率的特征值分别为250MPa、335MPa和375MPa,为规范限定标准值的1.06、1.00和0.94倍;其中HRB400钢筋屈服强度的特征值略低于规范限定的强度标准值。造成这种现象的客观原因在于HRB400钢筋检验样本屈服强度的变异系数相对较大,且fy,m与fy,k的比值偏低。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中热轧钢筋强度标准值的取值是基于相关产品标准限定的废品限,因此,对于服务于全国建设工程的混凝土结构设计规范来说,以钢筋强度的标准值为基准确定钢筋强度设计值的方式是合适的。由表2中检验样本的最小值可以看出,有些批次钢筋屈服强度的检验值与规范限定的标准值非常接近。也就是说,钢筋强度检验样本平均值fy,m高于规范标准强度fy,k的部分不能计入设计规范的安全储备,也不能计入设计规范的分项系数。3材料强度分值的比对按照可靠度设计方法的基本规则,构件承载力的可靠指标βR最好以构件承载力的变异系数δR为基准进行校准,用构件抗力的分项系数γRd的形式表示。当材料强度的变异性与构件承载力的变异性相当时,或者构件由单一材料制成时,也可采用材料强度的变异系数校准,用材料强度的分项系数γM表示。钢筋混凝土受拉构件和受拉的钢杆件等的承载力可能属于类情况。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中关于热轧钢筋强度标准值与设计值的比值是本文所要校准的对象,钢筋混凝土受拉构件的材料强度的分项系数一般约为1.1左右,如表3所示。按照本文公式(2)的模式进行校准,校准得到的对应于βR=2.5和βR=3.2的热轧钢筋材料强度的分项系数γs,c(见表3);在校准时,HPB235钢筋的δy取0.10,HRB335钢筋的δy取0.06,HRB400钢筋的δy取0.08。以表3的γs与γs,c的情况来看,在βR=2.5时,γs,c普遍大于γs,造成这一现象的原因可能有两个:第一,现行规范延用了《钢筋混凝土结构设计规范》(TJ10-74)和《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)的相关统计参数;当时我国钢筋的产量较低,强度较低,钢筋的生产质量相对容易控制,因此其钢筋强度的fy,m相对较高或δf的值相对较小。第二,现行规范在确定材料强度分项系数γs时,主要考虑了其他受力类型的构件,如受弯构件等。如果第二个原因成立,则说明用材料强度分项系数校准不同构件承载力的βR存在局限性。从表2中可以看到受拉构件热轧钢筋的材料强度分项系数似应从1.1提高至1.3,因为即使将受拉构件的γs调整到1.3,也未必能够使βR≥2.5,其原因在于,虽然材料强度的变异性问题用材料强度的标准值fk的方式予以解决,但是其它因素造成的构件承载力的离散性问题并没有予以处置。按照国际标准的规则可以使用构件承载力的特征值Rk解决构件承载力的离散性问题,关于Rk的基本概念将在下一节中予以讨论。4构件抗力与材料性能变异性的关系结构可靠度设计中,构件承载力的设计值Rd可以有下列两种基本表述方式式中Rd———满足βR要求的构件承载力设计值;fd———材料强度的设计值,fd=fk/γM;fk———材料强度标准值或特征值;α———构件尺寸参数,我国规范一般取其代表值,即实际值;δR———构件承载力的变异系数;Rk———具有相应保证率的构件承载力特征值。构件承载力的试验研究中存在一个事实:即使采用构件抗力的物理模型对构件承载力的试验结果进行分析,计算结果与试验结果也会存在差异。这里所说的抗力的物理模型使用了构件实测的尺寸和实际的材料强度。上述差异就是本文所称的扣除材料性能变异性后构件承载力的离散性,一般可以用δR表示,δR=σR/Rm,Rm———构件承载力的平均值,即利用物理模型得到的构件承载力的计算值。造成构件承载力离散性的客观原因可能有作用效应的不确定性,系统测量的不确定性和材料性能的不均匀性等。无论采取何种可靠度的设计表述形式,δR的影响均不可忽视。当采用公式(3)的材料强度分项系数的表述方式时,构件抗力的计算模式应叠加下列附加的系数:式中k———对应于相应保证率的系数。应当说明的是,目前的《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)在钢筋混凝土受拉构件承载力计算模式中未考虑构件承载力离散性的影响,而受弯构件的计算模型中考虑了这一因素。当采用构件承载力分项系数的表述方式时,构件承载力的分项系数γRd可按下式确定将特征值Rk除以γRd,即可得到满足相应要求的构件承载力设计值Rd,即公式(4)。对比构件承载力设计的两种形式公式(3)与公式(4),公式(4)的表述形式具有较好的灵活性,可能更适合于混凝土构件承载力的设计。5钢筋混凝土基准值通过以上分析研究和校准,本文得到以下结论: