随着我国综合国力的不断提升和国家“一带一路”倡议的深入发展,我国的工程设计和建设已经逐步走向国际市场,正确使用国外勘察、设计及施工等领域的标准,对涉外工程建设的成败起着非常重要的作用。欧洲标准是由欧洲共同体委员会鉴于各成员国对土木工程的设计、施工各有不同的规定,提出的一套协调统一的技术规定。经过几十年的发展,欧洲标准已成为土木工程领域有重要影响的标准,并逐步成为欧盟各国普遍采用的设计标准。欧洲结构设计标准目前共有10个部分(EC0～EC9),分别为结构设计基础、结构上的作用、混凝土结构设计、钢结构设计、钢-混凝土组合结构设计、木结构设计、砌体结构设计、土工结构设计、结构抗震设计、铝结构设计。其中EC2为欧洲混凝土结构设计标准,包括3个部分内容,分别为建筑结构设计一般规定及结构防火设计、钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计、储水和挡水结构设计。欧洲标准公式复杂,原理性强,欧洲标准作为国际先进标准被世界各地广泛使用和借鉴。中国标准灵活机动,实用性强,中国标准在制定过程中,许多条款均以欧标作为借鉴和参考。本文根据实际涉外工程设计经验,对中、欧标准中混凝土结构的耐久性、材料、构造等基本要求进行对比研究,为涉外项目设计提供参考。

　　 国标GB 50010—2010 ^[1]中混凝土结构暴露的环境类别依据严重程度从低到高分成一类至五类,其中二类和三类又分成a,b两种,共计7个类别。

　　 欧标BS EN 1992-1-1∶2004 ^[2],BS EN 206∶2003 ^[3]中环境类别分成六个大类,共计18小类。第一大类,无腐蚀和侵蚀的风险,X0;第二大类,碳化引起的腐蚀,XC1～ XC4;第三大类,氯化物引起的腐蚀,XD1～XD3;第四大类,海水氯化物引起的腐蚀,XS1～XS3;第五大类,冻融循环,XF1～XF4;第六大类,化学侵蚀,XA1～XA3。

　　 在环境类别的划分上,欧标明显比国标更为具体详细。

　　 中、欧标准中设计使用年限为50年的普通混凝土结构材料的耐久性基本要求对比见表1。

　　 从表1可以看出,在相同环境条件下,国标对混凝土最大水胶比、最大氯离子含量要求略严于欧标,而欧标要求的混凝土最低强度等级高于国标。

　　 混凝土抗压强度是混凝土的重要力学指标,与水泥强度等级、水胶比有很大关系,此外,混凝土的骨料、级配、环境、龄期试件形状和大小、试验方法和加载速率对强度也有不同程度的影响。

　　 国标中抗压强度设计值计算如下:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{c}\text{k}}=0.88\alpha {}_{\text{c}1}\alpha {}_{\text{c}2}f{}_{\text{c}\text{u}\text{k}}(1\text{a})\\ f{}_{\text{c}}=f{}_{\text{c}\text{k}}/\gamma {}_{\text{c}}(1\text{b})\end{array}$

　　 式中:f_ck为抗压强度标准值;0.88为考虑结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异修正系数;α_c1为棱柱体与立方强度比值,C50及以下取0.76,C80取0.82,中间线性插入;α_c2为脆性折减系数,C40及以下取1.0,C80取0.87,中间线性插入;f_cuk为混凝土立方体抗压强度标准值;f_c为抗压强度设计值;γ_c为材料分析系数,取1.4,对于偶然状况取1.0。

　　 欧标中抗压强度设计值计算如下:

　　 $f{}_{\text{c}\text{d}}=\alpha {}_{\text{c}\text{c}}k{}_{\text{t}}f{}_{\text{c}\text{k}\text{E}}/\gamma {}_{\text{c}\text{E}}(2)$

　　 式中:f_cd为圆柱体抗压强度设计值;α_cc为长期效应及加载方式影响系数,一般取1.0;k_t为折减系数,一般取0.85;f_ckE为抗压强度标准值;γ_cE为材料分析系数,对于持久和短暂状况取1.5,对于偶然状况取1.2。

　　 国际上为确定混凝土抗压强度所采用的混凝土试件形状有圆柱体和立方体两种。中国采用边长为150mm的立方体抗压强度f_cuk作为混凝土强度的基本指标,而欧标主要采用ϕ150×300圆柱体抗压强度f_ckE作为混凝土强度的基本指标,两者之间的换算关系大致为f_ckE=0.79f_cuk ^[4]。将欧标圆柱体试块换算为边长为150mm的立方体试块后,在相同混凝土等级下的中、欧标准中抗压强度设计值对比见图1和表2。

　　 从图1和表2可以得出,在相同试验条件和强度等级下,中、欧标准采用的混凝土抗压强度设计值相差甚微,欧标采用的抗压强度设计值略小于国标,约为5%。

　　 混凝土抗拉强度是混凝土的另一个基本力学指标,可用来反映混凝土结构的抗裂性能,间接衡量混凝土的冲切强度和其他力学性能。

　　 国标中抗拉强度设计值计算如下:

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{t}\text{k}}=0.88\times 0.395\times \alpha {}_{\text{c}2}\times f{}_{\text{c}\text{u}\text{k}}^{0.55}(1-1.645\delta ){}^{0.45}(3\text{a})\\ f{}_{\text{t}}=f{}_{\text{t}\text{k}}/\gamma {}_{\text{c}}(3\text{b})\end{array}$

　　 式中:f_tk为抗拉强度标准值;0.395为系数;0.55为指数;δ为混凝土强度变异系数,取0.10～0.21;f_t为抗拉强度设计值;其他参数含义同式(1)。

　　 欧标BS EN 1992-1-1∶2004 ^[2]中抗拉强度设计值计算如下:

　　 $f{}_{\text{c}\text{t}\text{d}}=\alpha {}_{\text{c}\text{t}}k{}_{\text{t}}f{}_{\text{c}\text{t}\text{k}0.05}/\gamma {}_{\text{c}\text{E}}(4)$

　　 式中:f_ctd为圆柱体抗拉强度设计值;α_ct为长期效应及加载方式影响系数,一般取1.0;f_ctk0.05为抗拉强度概率分布的0.05分位值;其他参数含义同式(2)。

　　 将欧标圆柱体试块换算为边长为150mm的立方体试块后,在相同混凝土强度等级下的中、欧标准中抗拉强度设计值对比见图2和表2。

　　 从图2和表2可以得出,在相同试验条件和强度等级下,欧标采用的混凝土抗拉强度设计值明显小于国标,约为15%～25%,即欧标混凝土抗拉强度取值较国标偏于安全。

　　 国标中普通钢筋屈服强度标准值f_yk范围为300～500MPa,而欧标中屈服强度标准值范围为400～600MPa(根据伸长率不同从低到高分成A,B,C三个延性等级)。中、欧标准中钢筋强度设计值f_yd均按下式确定:

　　 $f{}_{\text{y}\text{d}}=f{}_{\text{y}\text{k}}/\gamma {}_{\text{s}}(5)$

　　 式中:γ_s为材料分项系数,国标中,对于HRB500钢筋,γ_s=1.15,其他等级钢筋,γ_s=1.1;而欧标中,γ_s均取1.15。

　　 中、欧标准中对于钢筋材料的性能与要求有许多共同点:第一,钢筋的强度标准值均要求具有不小于95%的保证率;第二,实测屈服强度与屈服强度标准值的比值均要求不大于1.3,对于抗震结构,钢筋的强屈比(抗拉强度实测值和屈服强度实测值的比值)均要求不小于1.25;第三,钢筋的弹性模量均约为2.0×10⁵N/mm²。

　　 中、欧标准中钢筋材料主要有两点区别:第一,强度水平不同,国标中的钢筋强度的水平明显低于欧标,但是近年来,中国开始逐步推广高强热轧带肋钢筋作为主导受力钢筋,并逐步淘汰低强钢筋;第二,屈服强度取值不同,典型钢筋应力-应变曲线如图3所示,国标中钢筋采用下屈服点f_yk,down作为强度标准值,而欧标中钢筋采用上屈服点f_yk,up作为强度标准值。

　　 钢筋的混凝土保护层厚度主要是由三个因素所决定的。第一是保证握裹层混凝土对受力钢筋的锚固;第二是考虑混凝土耐久性,保护钢筋免受外界腐蚀介质侵蚀所需;第三是耐火要求,避免钢筋受热软化而丧失强度。

　　 国标中混凝土保护层厚度是指从最外层钢筋(包括箍筋、构造筋、分布筋等)的外缘至最近混凝土表面的厚度;而欧标中纵筋和箍筋的保护层厚度需要分别计算,取较大值。

　　 国标对设计使用年限为50年的混凝土结构的最小保护层厚度根据受力部位进行了具体规定,并考虑钢筋直径、混凝土强度等级、设计使用年限、生产工艺、构件表面状况等因素进行修正。

　　 欧标中混凝土保护层厚度计算如下:

　　 $\begin{array}{l}c{}_{\min }=\max (c{}_{\min -\text{b}},c{}_{\min -\text{d}\text{u}\text{r}}+\text{Δ}c{}_{\text{d}\text{u}\text{r}-\text{γ}}-\text{Δ}c{}_{\text{d}\text{u}\text{r}-\text{s}\text{t}}-\\ \text{Δ}c{}_{\text{d}\text{u}\text{r}-\text{a}\text{d}\text{d}},10\text{m}\text{m})(6\text{a})\\ c{}_{\text{n}\text{o}\text{m}}=c{}_{\min }+\text{Δ}c{}_{\text{d}\text{e}\text{v}}(6\text{b})\end{array}$

　　 式中:c_min为混凝土最小保护层厚度,mm;c_min-b为粘结要求的最小保护层厚度,mm,对于普通钢筋,取钢筋直径;c_min-dur为按环境条件规定的最小保护层厚度,见表3;Δc_dur-γ为附加安全厚度,建议值为0;Δc_dur-st为采用不锈钢时减小的保护层厚度,建议值为0;Δc_dur-add为采用其他保护措施减小的保护层厚度,建议值为0;c_nom为名义保护层厚度,mm;Δc_dev为保护层偏差,一般取10mm。

　　 中、欧标准中混凝土保护层最小厚度计算对比见表4。从常用条件类型下的中、欧标准中混凝土构件最小保护层厚度的计算结果来看,欧标中保护层厚度在同等条件下的要求明显大于国标要求,一般大5～10mm。

　　 国标中受拉钢筋的基本锚固长度和锚固长度计算如下:

　　 $\begin{array}{l}l{}_{\text{a}\text{b}}=\alpha df{}_{\text{y}}/f{}_{\text{t}}(7\text{a})\\ l{}_{\text{a}}=\zeta {}_{\text{a}}l{}_{\text{a}\text{b}}(7\text{b})\end{array}$

　　 式中:l_ab为受拉钢筋的基本锚固长度;α为钢筋外形系数,带肋钢筋取0.14;d为锚固钢筋的直径;f_y为钢筋抗拉强度设计值;f_t为混凝土抗拉强度设计值;l_a为受拉钢筋的锚固长度; ζ_a为锚固长度修正系数,取值不应小于0.6,当钢筋的公称直径大于25mm时取1.1,环氧树脂涂层带肋钢筋取1.25,施工过程中易受扰动的钢筋取1.1,锚固钢筋的保护层厚度为3d(d为锚固钢筋的直径)时取0.8,锚固钢筋的保护层厚度为5d时取0.7。

　　 欧标中钢筋的基本锚固长度和设计锚固长度计算如下:

　　 $\begin{array}{l}l{}_{\text{b}\text{d},\text{r}\text{q}\text{d}}=0.25\text{ϕ}\sigma {}_{\text{s}\text{d}}/(2.25\eta {}_1\eta {}_{2}f{}_{\text{c}\text{t}\text{d}})(8\text{a})\\ l{}_{\text{b}\text{d}}=\alpha {}_1\alpha {}_2\alpha {}_3\alpha {}_4\alpha {}_{5}l{}_{\text{b}\text{d},\text{r}\text{q}\text{d}}(8\text{b})\end{array}$

　　 式中:l_bd,rqd为钢筋的基本锚固长度;ϕ为锚固钢筋的直径;σ_sd为锚固位置的钢筋设计应力;η₁为与粘结状态和浇筑混凝土时钢筋位置有关的系数,一般取1.0,采用滑模制作时,取0.7;η₂为钢筋直径影响系数,钢筋直径不大于32mm时,取1.0,钢筋直径大于32mm时,取(132-ϕ)/100;l_bd为钢筋的设计锚固长度;α₁为钢筋弯钩形式影响系数,受拉直锚时取1.0,受拉其他锚固形式时,若锚固钢筋保护层厚度c_d>3ϕ,取0.7,否则取1.0,受压时α₂为保护层厚度影响系数,受拉直锚时取α₂=1-0.15(c_d-ϕ)/ϕ,且0.7≤α₂≤1.0,受压直锚时取1.0;α₃为横向钢筋约束影响系数,受拉时0.7≤α₃≤1.0,受压时取1.0,无横向钢筋约束时均取1.0;α₄为焊接横向钢筋约束影响系数,受拉、压时均取0.7,无焊接横向钢筋约束时取1.0;α₅为沿设计锚固长度存在的压力的影响系数,受拉时0.7≤α₅≤1.0,受压时不考虑,在设计锚固长度范围内不存在的压力时取1.0,且要求α₂α₃α₅≥0.7。

　　 混凝土强度等级为C30(将欧标换算成立方体抗压强度),环境类别为室内正常环境,受拉钢筋为HRB400,钢筋直径为16mm,采用直锚形式,中、欧标准计算的受拉钢筋基本锚固长度如下:

　　 $\begin{array}{l}l{}_{\text{a}\text{b}}=0.14\times 360÷1.43\times d=35d\\ l{}_{\text{b}\text{d},\text{r}\text{q}\text{d}}=0.25\times 360÷(2.25\times 1.0\times 1.0\times \\ 1.17)\times d=34d\end{array}$

　　 中、欧标准计算的受拉钢筋设计锚固长度如下:

　　 $\begin{array}{l}l{}_{\text{a}}=1.0\times 35d=35d\\ l{}_{\text{b}\text{d}}=1.0\times [1.0-0.15\times (20-16)/16]\times \\ 1.0\times 1.0\times 1.0\times 34d=33d\end{array}$

　　 国标中受压钢筋的锚固长度不应小于相应受拉钢筋锚固长度的70%;欧标中受压钢筋不受焊接横向钢筋约束时,α₄=1.0,中、欧标准计算的受压钢筋基本锚固长度l_ac,l_bcd分别如下:

　　 $\begin{array}{l}l{}_{\text{a}\text{c}}=0.7\times 35d=25d\\ l{}_{\text{b}\text{c}\text{d}}=1.0\times 1.0\times 1.0\times 1.0\times 34d=34d\end{array}$

　　 欧标在钢筋锚固长度计算时较为复杂,考虑因素较多。在一般情况下(不考虑粗直径、涂层钢筋、施工扰动、配筋余量等因素影响),国标计算的受拉锚固长度要大于欧标结果,约为5%～10%,若考虑上述因素影响,国标计算的受拉锚固长度还会有所增加;欧标计算的受压锚固长度明显大于国标结果,约为35%。从欧标对锚固长度的计算值和构造要求的最小锚固长度 ^[2,5]来看,欧标中对受压锚固长度要求大于受拉锚固长度,这与国标的情况相反。

　　 国标中受拉钢筋的搭接长度计算如下:

　　 $l{}_l=\zeta {}_{l}l{}_{\text{a}}(9)$

　　 式中:l_l为受拉钢筋的搭接长度;ζ_l为搭接长度修正系数,搭接面积百分率为25%,50%,100%时,分别取1.2,1.4,1.6;l_a为受拉钢筋的锚固长度。

　　 欧标中钢筋的搭接长度计算如下:

　　 $\begin{array}{l}l{}_0=\alpha {}_1\alpha {}_2\alpha {}_3\alpha {}_5\alpha {}_{6}l{}_{\text{b}\text{d},\text{r}\text{q}\text{d}}(10\text{a})\\ \alpha {}_6=\sqrt{\rho {}_l/25}(10\text{b})\end{array}$

　　 式中:l₀为钢筋的搭接长度;α₆为搭接长度修正系数,且1.5≥α₆≥1.0;ρ_l为搭接面积百分率,搭接面积百分率为25%,50%,100%时,α₆分别为1.0,1.4,1.5;其他参数含义见式(8)。

　　 中、欧标准在计算搭接面积百分率时所取的接头连接区段均为1.3倍的搭接长度。混凝土强度等级为C30(将欧标换算立方体抗压强度),环境类别为室内正常环境,钢筋为HRB400,钢筋直径为16mm,采用直锚形式,中、欧标准中搭接长度计算对比见表5。

　　 从表5可以看出,国标计算的受拉钢筋搭接长度明显大于欧标,约为7%～27%;欧标计算的受压钢筋搭接长度明显大于国标结果,约为13%～37%。中、欧标准中钢筋搭接长度区别的规律和钢筋锚固长度区别的规律相似。

　　 中、欧标准中裂缝宽度计算均采用粘结滑移-无滑移理论 ^[4,5],国标是采用平均裂缝宽度乘以扩大系数的方法确定,欧标是采用钢筋和混凝土的平均应变之差乘以裂缝最大间距计算。中、欧标准中裂缝宽度计算公式相近,其中,钢筋应力是影响裂缝宽度的最主要变量,在其他条件一定时,裂缝宽度随钢筋应力的增大而增大;混凝土保护层厚度和钢筋周围混凝土截面面积是主要的几何变量,在其他条件一定时,保护层厚度越大,裂缝宽度越大;此外,在其他条件一定时,裂缝随着钢筋直径的增大而增大;受力状况(纯弯、轴拉、偏拉)对裂缝宽度也有影响,中、欧标准中钢筋混凝土构件最大裂缝宽度限值对比见表6。

　　 从表6可以看出,欧标裂缝宽度限值明显大于国标,主要原因是欧标要求的最小保护层厚度大于国标。

　　 为保证建筑的使用功能、防止对结构构件和非结构构件产生不良影响、保证感观在可接受范围内,需要对构件的变形挠度进行限制。中、欧标准中钢筋混凝土受弯构件的挠度限值对比见表7。从表中可以看出中、欧标准挠度的限值基本一致,并均允许通过起拱抵消部分或全部的挠度。且钢筋混凝土受弯构件的最大挠度均是按荷载的准永久组合并考虑荷载长期作用的影响进行计算。

　　 为减小由于温差和体积变化等间接作用效应积累的影响,通过设置伸缩缝,将混凝土结构分割为较小的单元,避免引起较大的约束应力和开裂。国标中要求现浇地下室墙壁、剪力墙结构、框剪结构和框架结构设置伸缩缝的最大间距分别为30,45,50,55m,并可根据具体情况进行适当调整。欧标中建议设置伸缩缝的间距为30m,明显严于国标。按要求设置伸缩缝的建筑结构,在整体分析时可忽略温度和收缩的影响。

　　 (1)耐久性要求方面,欧标较国标对混凝土结构环境类别的划分更为详细;国标对混凝土最大水胶比、最大氯离子含量要求略严于欧标,而欧标要求的混凝土最低强度等级高于国标。

　　 (2)材料要求方面,在同等条件下,中、欧标准中混凝土抗压强度设计值取值相差不大,而欧标采用的混凝土抗拉强度设计值明显小于国标,约为15%～25%;中、欧标准中钢筋屈服强度取值不同,且国标钢筋强度的水平仍明显低于欧标。

　　 (3)构造要求方面,在同等条件下,欧标中保护层厚度、裂缝宽度限值要求均大于国标要求;而国标中钢筋的受拉锚固和搭接长度要求大于欧标要求,国标中钢筋的受压锚固和搭接长度要求又小于欧标要求;欧标中要求的伸缩缝间距明显严于国标;中、欧标准中对钢筋混凝土受弯构件的挠度限值要求基本一致。