美国的ACI318M-08,将其全部公式同时以SI、MKS及British单位呈现,以便于不同国家得以引用参考。台湾的混凝土结构设计规范,是以美国的ACI318-05为模板的译文,并采取MKS制作为结构设计的单位。中国大陆的混凝土结构设计规范,采用的是SI制作为结构设计单位。其中,混凝土的材料性质相当有争议性,背后的真正问题源自于混凝土抗压试体的形状不同。中国大陆采用方块混凝土抗压试体,台湾沿用美国ACI318的圆柱混凝土抗压试体,其取得的抗压试体强度比例约略为80%(Wang et al., 2007)。
台湾经常使用的4000磅混凝土(f'c = 28MPa),相当于中国大陆的混凝土强度等级C55(fck = 35.5MPa),其意思是指同一批搅拌的混凝土,以不同形状制成抗压试体取得的同级强度关系。根据ACI318M-08的8.1.5节规定,经计算4000磅混凝土的弹性模量为24.87GPa,并得根据中国大陆GB50010-2002的表4.1.5,查得C55的弹性模量为35.5GPa。明显地,在混凝土的弹性模量定义方面,美国和中国大陆有相当大程度的差异性,而且差异性已经大到足以影响结构设计的安全性。
钢筋混凝土的二种结构设计方法中,其中的工作应力法要根据n = Es / Ec来换算钢筋的应力,具有左右构件强度高低的关键性影响。极限设计法并不是复合材料力学理论的一环,因为此种算法考虑线弹性却不遵守胡克定律,以根据线弹性关系计算出混凝土的强度。胡克定律是复合材料力学中,对于以线弹性为假设前提的基本定律,不符合胡克定律就不属于复合材料力学的范畴。本质上,极限设计法是一种被提出来便于手算的算法,目的是解决1937年(Whitney, 1937)那个没有计算机可以代算的年代。
在非以FEM固体力学模拟混凝土强度下,例如:ANSYS Solid65,极限设计法确实可以不使用弹性模量。但是,混凝土抗压试体强度的差异性足以影响结构设计结果,此乃是不可轻易忽略的一项重要材料性质。混凝土抗压试体的形状会影响取得的强度,其主要原因就是混凝土抗压试体的自由边界条件不一样,轴心被围束区域达到完全抗压的面积不同,其对应的抗压强度也就会因此而有差异。也就是说,混凝土抗压试体的真实强度高低,取决于轴心受完全围束区域的面积大小。
在土力学的三轴试验(Das, 2010)中,藉由水让土壤试体产生围压,得以计算试体全断面轴差应力高低。但是,混凝土的荷载环境不同于土壤,除地下结构会涉及到水的接触和土壤的围压外,以及有箍筋包覆的围束效应存在之情形,并不会有所谓的围压环境存在。然而,混凝土抗压试体的强度高低,却受其形状的差异性而有不同的结果,因而应该探讨围束程度对于取得强度的影响。此外,混凝土抗压试体是否能模拟真实环境,仍然有待评估抗压试体形状和尺寸的试用性,以便于提高混凝土结构设计的精确度。
References
台湾经常使用的4000磅混凝土(f'c = 28MPa),相当于中国大陆的混凝土强度等级C55(fck = 35.5MPa),其意思是指同一批搅拌的混凝土,以不同形状制成抗压试体取得的同级强度关系。根据ACI318M-08的8.1.5节规定,经计算4000磅混凝土的弹性模量为24.87GPa,并得根据中国大陆GB50010-2002的表4.1.5,查得C55的弹性模量为35.5GPa。明显地,在混凝土的弹性模量定义方面,美国和中国大陆有相当大程度的差异性,而且差异性已经大到足以影响结构设计的安全性。
钢筋混凝土的二种结构设计方法中,其中的工作应力法要根据n = Es / Ec来换算钢筋的应力,具有左右构件强度高低的关键性影响。极限设计法并不是复合材料力学理论的一环,因为此种算法考虑线弹性却不遵守胡克定律,以根据线弹性关系计算出混凝土的强度。胡克定律是复合材料力学中,对于以线弹性为假设前提的基本定律,不符合胡克定律就不属于复合材料力学的范畴。本质上,极限设计法是一种被提出来便于手算的算法,目的是解决1937年(Whitney, 1937)那个没有计算机可以代算的年代。
在非以FEM固体力学模拟混凝土强度下,例如:ANSYS Solid65,极限设计法确实可以不使用弹性模量。但是,混凝土抗压试体强度的差异性足以影响结构设计结果,此乃是不可轻易忽略的一项重要材料性质。混凝土抗压试体的形状会影响取得的强度,其主要原因就是混凝土抗压试体的自由边界条件不一样,轴心被围束区域达到完全抗压的面积不同,其对应的抗压强度也就会因此而有差异。也就是说,混凝土抗压试体的真实强度高低,取决于轴心受完全围束区域的面积大小。
在土力学的三轴试验(Das, 2010)中,藉由水让土壤试体产生围压,得以计算试体全断面轴差应力高低。但是,混凝土的荷载环境不同于土壤,除地下结构会涉及到水的接触和土壤的围压外,以及有箍筋包覆的围束效应存在之情形,并不会有所谓的围压环境存在。然而,混凝土抗压试体的强度高低,却受其形状的差异性而有不同的结果,因而应该探讨围束程度对于取得强度的影响。此外,混凝土抗压试体是否能模拟真实环境,仍然有待评估抗压试体形状和尺寸的试用性,以便于提高混凝土结构设计的精确度。
References
- ACI Committee 318(2008)Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, ACI 318M-08
- 中华人民共和国建设部(2002)混凝土结构设计规范,GB50010-2002
- 中華民國內政部營建署(2011)混凝土結構設計規範,土木401-100(中國土木水利學會)
- C. K. Wang, C. G. Salmon, J. A. Pincheira(2007)Reinforced Concrete Design, John Wiley & Sons, Inc., 7th edition
- Wikipedia, Hooke's law, http://en.wikipedia.org/wiki/Hooke%27s_law
- C. S. Whitney(1937)Design of Reinforced Concrete members Under Flexure or Combined Flexure and Direct Compression, Journal of American Concrete Institute, Vol.33, pp.483-498
- C. M. Huang(2012.11.21)Theoretical Problem in LRFD IV, Ching-Min Huang Office
- B. M. Das(2010)Principles of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Cengage Learning