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建筑结构丨访混规主要起草人白生翔: 混凝土课上老师不会讲的内幕

来源:哲设计

不用看发表了多少论文,也不用看获得过哪些奖,只需要翻翻历版《混凝土结构设计规范》的主要起草人名单,就知道白生翔老先生在我国混凝土结构领域的江湖地位。

年前,有幸在冯老大的带领下去建研院拜访了白老。先生年近九十,依然精神矍铄;没有约在家里,而是约在办公楼一楼的咖啡厅小坐。除了攀着南京工学院的关系认了认师爷套了套近乎,没有更多的寒暄,直接切入混凝土的话题。

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0.85 vs 0.88

白老一上来就说,他看了我上周写的在英国访学时查证0.85的事儿,并自然地把话题引到了混凝土规范里的0.88。冯老大称之为“神秘的0.88”,我深以为然。当年上课的时候就没搞明白,对叶老师的解释也并不信服,后来也就一直糊涂下去了。冯老大曾把它作为作业布置给学生,详见清小混和清小复的《“混凝土结构”课挑战性作业集锦之五——神秘的0.88》。养护条件、长期强度、尺寸效应、加载速率……五花八门的解释不但未能揭秘,反而突显了这个系数的神秘。

据白老介绍,这个系数是从89规范开始正式引入的,当时主要对标的是英国,参考美国的倒比较少。但不论英美,都有这么个强度折减系数,英国用的就是Hognestad的0.85。关于这个0.85,Hognestad在1952年提出著名的Hognestad应力应变曲线的论文中已经有比较清楚的交代了(Hognestad 1952, J. ACI 24(2): 117-139)。它是根据三十年代的一大批轴压混凝土柱的试验数据凑出来的一个经验系数,按Hognestad本人的说法,它主要反映了构件的size和shape的影响。

那么,我国规范为什么是0.88而非0.85呢?是根据我国自己的试验结果拟合的吗?二者之间的差异反映了我国混凝土和美国混凝土的差异吗?或者反映了立方体强度fcu和圆柱体强度fc‘之间的差异?

都别瞎猜了。据白老介绍,之所以是0.88,主要是为了对标英国混凝土规范的可靠度水平。大道至简!本来是工程性很强的一个调整系数,却非要赋予它科学性。万一哪天规范进一步提高可靠度水平给改成0.85甚至0.8了,岂不又要重新一顿解读猛如虎?

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构件分项系数 vs材料分项系数

说到可靠度,自然离不开Load and Resistance Factor Design (LRFD)——分项系数法。我国也是从89规范开始从以往的大老K全面转向分项系数法的。各种荷载分项系数(load factors)各国大同小异,而抗力分项系数(resistance factors)则又分为两大阵营。一方是以美国为代表的构件分项系数,即在构件层面上对承载力进行折减;另一方则是以英国为代表的材料分项系数,即把材料强度标准值进一步折减为强度设计值,并采用强度设计值计算构件的承载力。

我国属于后一个阵营。讲真,上学的时候就被设计值折磨得死去活来晕头转向,一直对它没什么好感。明明是一个人为规定的虚拟的东西,却用它来计算受压区高度呀弯矩轴力相关关系等等,有什么物理意义嘛。

当我们提出这个疑问时,白老先给美国的做法正本清源。他说,大家可能都不知道,其实前苏联早就采用过所谓的“三系数法”,即均质系数超载系数工作条件系数。其中,均质系数相当于材料本身的超强系数,超载系数相当于荷载分项系数,而这个工作条件系数正相当于美国规范里的构件承载力折减系数phi。所以也不用盲目迷信美国的做法。

那么构件分项系数具体有什么毛病呢?以钢筋混凝土正截面的压弯承载力计算为例。对于下图所示的对称配筋的RC截面,采用材料强度标准值通过截面分析得到的M-N相关关系曲线如下图中的红实线。采用材料强度设计值得到的M-N曲线是黑实线

可见,在混凝土受压控制的小偏心受压阶段的安全储备远大于钢筋受拉控制的大偏心受压阶段,并且这种安全储备的过渡是光滑而连续的。换言之,采用材料强度设计值,可以自动考虑所谓的“工作条件”对构件安全储备的影响。
反之,美国的ACI-318规范,当构件承载力由混凝土受压控制时,构件承载力折减系数phi=0.65;由钢筋受拉控制时,phi=0.9,那么如上图中黑虚线所示,在受压控制和受拉控制的交界处会产生安全储备的阶跃
为了处理这个阶跃,ACI-318从2002版开始在0.65和0.9之间引入了一个线性过渡段,并采用钢筋应变和混凝土受压区高度来定义过渡段的起止点(R9.3.2.2, ACI 318M-05)。据白老介绍,美国人对于这个经验性的过渡段也不满意。搞来搞去恐怕还不如直接用材料强度设计值省事儿。看来,两种方法各有各的问题,孰优孰劣一言难尽。
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构造与节点
聊到高强材料在混凝土结构中的应用,白老直截了当地说,现在很多人想把自己研究的高强材料放进规范里,但规范可是个系统工程,牵一发动全身。比如用了高强钢筋,承载力是没问题了,裂缝控制怎么办?变形控制怎么办?锚固长度怎么办?一系列问题都需要和现有的规范架构协调。本来钢筋节点区的锚固就很让人头疼,高强钢筋必然需要更长的锚固长度,节点区特别是边柱、角柱节点就更难做了。

梁纵筋锚固在节点区觉得不爽怎么办?白老回忆说,Park呀Paulay呀当年都来过建研院,当他向他们提出这个问题时,他们居然说:没关系呀,边柱或角柱外面伸个牛腿出来,把梁纵筋锚在牛腿里不就好啦!

新西兰结构工程师的地位都这么高的[汗.jpg]。

言归正传,白老认为机械锚固是解决这个问题的有效方法。不知道目前国内工程中使用机械锚固是否普遍,我之前在日本做试验的时候大量使用精轧螺纹钢筋,机械锚固非常方便。把带有内螺纹的锚头拧在钢筋截断处,通过注胶孔向螺栓里面注胶充满间隙即可。

Qu et al (2016) doi: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001407

除了节省锚固长度之外,机械锚固的另一个好处是受力状态更加明确。利用这个优势,可以非常方便地控制梁端塑性铰区的外移,从而达到控制局部损伤的目的(Qu et al 2016, ASCE JSE 142(2): 04015128)

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立方体 vs圆柱体

《混凝土结构》课上各种混凝土强度指标的换算也是令人费解,像是脑筋急转弯。一会儿立方体fcu,一会儿棱柱体fc,一会儿又是美国和日本的圆柱体fc‘,如果再搅和上什么平均值、标准值、设计值,就更热闹了。据白老介绍,我国用立方体试块主要是为了工地上方便。首先它便于堆放和搬运,更重要的是便于试验。压过块儿的小伙伴们都知道,压块儿的时候不能直接压顶面儿,因为它不够平;而需要把试块转90度,压侧面儿。

但如果是圆柱体,就不得不压顶面了。这时,为了保证测试质量,需要把顶面磨平。日本有专门的机器来做这件事儿,一次可以磨三个圆柱体,正好一组。下图是我在熊谷组做试验的时候用的磨圆柱体的机器。

据白老介绍,当年对比过立方体和圆柱体试块的抗压强度。因为各向应力比较均匀,圆柱体试块得到的抗压强度的离散性确实相对较小。另外,工程鉴定检测中采用的混凝土芯样也是圆柱体。考虑到各种应用场景的统一,以及我国工地的条件已今非昔比,既然当年能从200mm的立方体变成150mm的立方体,未来说不定也能从立方体变成圆柱体。

除了上述四个话题之外,两个多小时天马行空的对话还涉及到预制装配式结构、预应力混凝土、无梁楼盖、挠度验算、高强混凝土、纤维混凝土、极限状态设计、塑性内力重分布、强柱弱梁、工程教育等方方面面的内容。冯老大随后可能会在他的清小混里另文总结。提到清小混,顺便安利一下冯老大心心念的起波钢筋《起波钢筋——小钢的大新闻》。老大不小的人了,公众号的名字还和曲小贝一样幼稚。

最后再安利一下白老的《混凝土结构构件基于FORM的极限状态设计表达式》一书。我除夕下的单,至今还没拿到,惭愧。看网上的目录,附录一和附录二尤其吸引人。一是我国结构可靠性研究及其在标准中应用的沿革;二是我国房屋建筑用《混凝土结构设计规范》设计表达式发展概况。

前段时间饶裴之争之际,很纳闷明明看起来那么高大尚的专业,为什么我国生医领域造假成风。一位朋友的解释是:我国生医学科起步晚,缺少传承。

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作者: ganggouren

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