地震是核电厂核安全相关混凝土结构设计考虑的主要荷载之一。2012年日本发生的强烈地震导致的福岛核泄露事故, 对日本乃至世界核电发展有着重要影响, 引发了世界对核电安全的关注和再认识。因此, 保证地震作用下核安全相关混凝土结构的安全性是非常重要的。地震的特点是不确定性大、作用强度高, 另外由于地震作用的动力特性及结构材料动力性能的复杂性和不确定性, 难以仅通过计算准确预测结构的动力反应, 而概念设计和构造措施是保证结构地震安全性的重要手段。由于科学技术发展水平的不平衡及工程实践中掌握的经验不同, 不同国家结构抗震采用的措施有一定差异。本文对中国相关规范和美国《核安全相关混凝土结构规范》 (ACI 349-13) ^[1] (简称美国规范) 中关于核安全相关混凝土结构的抗震措施进行了对比分析。美国规范ACI 349-13^[1]是以美国规范ACI 318-08^[2]为基础的。中国《压水堆和核电厂核安全有关的混凝土结构设计要求》 (NB/T 20012—2010) ^[3]关于混凝土结构抗震措施的内容比较少, 设计中还需要参考《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[4]、《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[5]和《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[6], 以上规范统称中国规范。本文以介绍中美规范核电厂抗震措施的对比结论为主, 详细对比方法见相关研究报告^[7]。

　　 材料是建造各种建筑物的基础, 建筑物的性能首先决定于材料的性能。

　　 表1为中国规范和美国规范抗震设计混凝土最低和最高强度等级要求。由表1可以看出, 经换算的美国规范最低混凝土强度等级相当于C25, 处于中国规范构造柱、芯柱、圈梁及其他各类构件的C20和框支梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核心区的C30之间;美国规范没有对混凝土的最高强度限值做出规定。

　　 表2为中国规范和美国规范抗震设计对钢筋性能的要求。由表2可以看出, 中国规范与美国规范对钢筋抗拉强度实测值与屈服强度实测值比值最小值的要求相同;对于钢筋屈服强度实测值与屈服强度标准值比值的最大值, 中国规范不区分钢筋强度, 美国规范中强度高的钢筋要求的比值小, 但平均值与中国规范的基本相同;中国规范对箍筋强度的下限提出了要求, 美国规范对箍筋的上限提出了要求。

　　 表3为中国规范和美国规范框架梁抗震截面尺寸要求的对比。由表3可以看出, 中国规范要求的框架梁的最小宽度比美国规范稍小, 高宽比稍大, 跨高比与美国规范的相同。

　　 混凝土梁的钢筋屈服后的最大变形能力或延性与梁截面最大相对受压区高度有关, 最大相对受压区高度越小, 变形能力越大。

　　 中国规范规定抗震一级框架梁端计入受压钢筋的混凝土受压区高度与有效高度之比不应大于0.25。美国规范ACI 349-13^[1]未对有抗震要求框架梁受弯时的受压区高度做出规定, 认为与静力作用下的梁不同, 地震反复作用下应变沿截面高度线性分布、混凝土的极限压应变及钢筋屈服应变的假定不再正确。对于静力情况的设计, 美国规范ACI318-08^[2]规定极限压应变取0.003, 要求纵向受拉钢筋最大拉应变ε_t不小于0.004, 这样按平截面假定计算的相对受压区高度为0.278~0.364。如果将中国规范对梁截面最大相对受压区高度的限值与美国规范静力设计时的限值进行比较, 美国规范的较小值与中国规范一级框架梁的限值接近, 略大。另外, 钢筋混凝土梁截面相对受压区高度与梁的纵向钢筋最大配筋率存在关系, 在混凝土强度和钢筋屈服相同的前提下, 如果中国规范与美国规范规定的最大纵向钢筋配筋率是相同的, 则中国规范与美国规范梁的截面最大受压区高度也是相同的。

　　 钢筋混凝土梁纵向钢筋最小配筋率影响梁的最小受弯承载力, 最大配筋率影响梁纵向屈服后的极限变形能力 (与梁最大相对受压区高度是对应的) 。

　　 中国规范规定抗震一级框架梁支座的纵向受力钢筋最小配筋率为0.40%和80 f_t/f_y中的小者, 跨中为0.30%和65 f_t/f_y中的小者, 其中f_t和f_y分别为混凝土抗拉强度和钢筋屈服强度设计值。美国规范按下式确定最小配筋率为:

　　 式中:f_c'为混凝土抗压强度规定值;f_y为钢筋屈服强度。

　　 计算表明, 在混凝土强度等级C30~C60的范围内, 中国抗震一级框架梁支座处纵向钢筋的最小配筋率比美国规范的高, 跨中比美国规范的低, 总体来看与美国规范是接近的。

　　 中国规范和美国规范均规定梁端纵向受拉钢筋的配筋率不大于2.5%, 两国规范规定的最大纵向钢筋配筋率数值是相同的。

　　 中国规范规定, 抗震一级框架沿梁全长箍筋的最小配箍率ρ_{sv, min}按下式确定:

　　 式中f_yv为箍筋屈服强度设计值。

　　 美国规范规定, 对于剪力超过混凝土承担剪力一半的钢筋混凝土受弯构件, 最小配箍率ρ_{sv, min}按下式计算:

　　 表4为中国规范与美国规范的框架梁抗震最小配箍率的对比。由表4可以看出, 中国规范框架梁抗震的最小配箍率比美国规范的高。

　　 中国规范和美国规范要求梁端箍筋加密区长度、箍筋的最大间距规定如表5所示。由表5可以看出, 中国规范抗震等级为一级的框架梁加密区的长度和箍筋最大间距与美国规范的基本一致。

　　 “强剪弱弯”是通过提高梁受剪承载力使其超过因纵向钢筋强度硬化和超强而增大的梁受剪承载力, 避免钢筋混凝土框架梁发生脆性剪切破坏。

　　 中国规范与美国规范框架梁实现“强剪弱弯”的方法是相同的, 即梁的设计剪力采用按梁端弯矩计算的剪力。对于一级框架结构, 中国规范采用梁左右端反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值 (或梁左右端反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值) 同时乘以弯矩增大系数;美国规范采用两节点边缘最大可能受弯承载力M_pr相关的弯矩, 钢筋应力采用规定值的1.25倍。

　　 为比较中美规范框架梁实现“强剪弱弯”的能力, 定义下面的综合安全系数:

　　 式中:V_{B, C}, V_C为按中国规范计算的梁端受剪承载力设计值和调整后的梁端截面组合剪力设计值;V_{B, A}, V_A为按美国规范计算的梁端受剪承载力规定值和调整后的梁端截面组合剪力规定值。

　　 计算中国规范综合安全系数与美国规范综合安全系数的比值K为:

　　 当K<1时, 中国规范抗震设计梁端实现“强剪弱弯”的能力高于美国规范;当K>1时, 中国规范抗震设计梁端实现“强剪弱弯”的能力低于美国规范;当K=1时, 中国规范与美国规范抗震设计梁端实现“强剪弱弯”的能力相同。

　　 以图1框架梁为例进行计算, 梁的截面尺寸l=5 000mm, h=500mm, b=300mm。在混凝土强度等级为C30~C60、配箍率为0.5%~1.0%的范围内, 中国规范与美国规范综合安全系数比值K的平均值为1.035, 总体上讲中国规范与美国规范框架梁实现“强剪弱弯”的能力接近。

　　 表6为中国规范与美国规范钢筋混凝土框架柱抗震截面尺寸的要求。由表6可以看出, 中国规范要求的一级框架结构柱的截面最小宽度和截面最小高度比美国规范的大, 要求的框架柱长短边长之比最大值比美国规范的高。

　　 轴压比是影响钢筋混凝土柱延性的重要指标。中国规范规定, 抗震一级各类结构的框架柱、框架-抗震墙、部分框支抗震墙的轴压比不宜大于0.65, 0.75, 0.6;美国规范没有关于框架柱轴压比限值的规定, 只是规定当轴压比小于0.1时按梁考虑, 大于或等于0.1时按柱考虑。

　　 同钢筋混凝土梁一样, 钢筋混凝土柱的纵向受力钢筋最小配筋率影响柱的最小承载力, 最大配筋率影响柱的变形能力。

　　 中国规范规定抗震一级框架中柱和边柱纵向受力钢筋的最小配筋率为0.9% (1.0%) , 钢筋强度标准值小于400MPa时增加0.1%, 钢筋强度标准值为400MPa时增加0.05%, 角柱和框支柱为1.1%, 同时每一侧配筋率不应小于0.2%;美国规范规定纵向钢筋最小配筋率为1%。

　　 中国规范规定柱纵向钢筋最大配筋率不宜超过5%;剪跨比不大于2的抗震一级框架柱, 每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%;美国规范规定柱纵向钢筋的最大配筋率为6%, 比中国规范的略大。

　　 钢筋混凝土柱的最小配箍率和箍筋间距影响柱的受剪承载力和对纵向钢筋及核心混凝土的约束能力。

　　 中国规范根据框架柱抗震等级、轴压比和混凝土与钢筋强度比规定了柱普通箍筋最小体积配箍率, 美国规范根据柱总截面面积与箍筋之外混凝土表面之间截面面积的比值和混凝土与钢筋强度的比值规定了柱普通箍筋最小体积配箍率。针对混凝土强度等级为C30~C60、轴压比为0.4~0.8的情况进行分析, 当混凝土强度等级小于等于C35时, 中国规范抗震一级框架柱普通箍筋最小体积配箍率与美国规范的接近或略高;当混凝土强度等级大于C35时, 中国规范一级框架柱普通箍筋最小体积配箍率比美国规范的低。

　　 中国规范抗震规定抗震一级框架柱最大箍筋间距取6d和100mm的较小者;美国规范取h/4, b/4, 6d_b和100mm≤s₀≤150 mm的较小者, 其中h为截面高度, b为截面宽度, d为中国规范纵向钢筋直径, d_b为美国规范纵向钢筋直径。由此可见, 中国规范框架柱最大箍筋间距与美国规范的相当。

　　 同钢筋混凝土梁一样, “强剪弱弯”是通过提高柱受剪承载力使其超过因纵向钢筋强度硬化和超强而增大的柱受剪承载力, 避免钢筋混凝土框架柱发生脆性剪切破坏。

　　 中国规范与美国规范框架实现“强剪弱弯”的方法是相同的。对于抗震一级框架结构, 中国规范采用柱的上下端顺时针或反时针方向截面组合的弯矩设计值 (或柱的上下端顺时针或反时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值, 根据实配钢筋面积、材料强度标准值和轴压力等确定) 同时乘以弯矩增大系数;美国规范采用柱两端点边缘产生的最大反力确定, 柱端反力按柱每端的最大弯矩计算, 钢筋强度采用规定值的1.25倍。

　　 定义类似于式 (4) 的综合安全系数, 以图2框架柱为例进行分析, 截面尺寸H_n=5 200mm, h=600mm, b=600mm, 在混凝土强度等级为C30~C60、轴压比为0.2~0.6的范围内, 综合安全系数比值的平均值为0.95, 说明中国规范和美国规范钢筋混凝土框架柱抗震实现“强剪弱弯”的能力是相近的。

　　 “强柱弱梁”是通过设计使框架柱的受弯承载力大于因梁中钢筋强度硬化和超强提高的受弯承载力, 避免塑性铰先出现于柱而导致结构倒塌。

　　 中国规范与美国规范框架柱实现“强柱弱梁”的方法是相同的。对于抗震一级框架结构, 中国规范规定节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和大于1.7倍的节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和, 或大于1.2倍节点左右梁端截面反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力 (材料强度取标准值) 所对应的弯矩之和;美国规范规定节点截面处刚接于节点的各柱段名义受弯承载力之和大于1.2倍的节点截面处刚接于节点的各梁段名义受弯承载力之和。

　　 定义类似于式 (4) 的综合安全系数, 以图3框架柱为例进行分析, 柱截面尺寸为b×h=600mm×600mm, 梁截面尺寸为b×h=300mm×500mm。在混凝土强度等级为C30~C60、轴压比为0.2~0.6的范围内, 综合安全系数比值的平均值为0.804, 说明中国规范比美国规范钢筋混凝土框架柱抗震实现“强柱弱梁”的能力高。

　　 中国规范和美国规范均按与框架柱相同的要求规定了节点区箍筋的间距和最小直径。

　　 中国规范规定, 抗震一级框架梁节点核心区组合的剪力设计值按下式确定:

　　 式中:V_j为梁柱节点核心区组合的剪力设计值;h_b0为梁截面有效高度, 节点两侧梁截面高度不等时可采用平均值;a_s&apos;为受压钢筋合力点至受压边缘的距离;H_c为柱计算高度, 可采用节点上下柱反弯点之间的距离;h_b为梁截面高度, 节点两侧梁截面高度不等时可采用平均值;η_jb为强节点系数, 取1.5;∑M_b为节点左右梁端反时针或顺时针方向组合弯矩设计值之和, 节点左右梁端均为负弯矩时, 绝对值较小的弯矩取0。

　　 抗震一级框架结构和9度的抗震一级框架可不按式 (6) 确定, 但应符合下式:

　　 式中:∑M_bua为节点左右梁端反时针或顺时针方向实际的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩之和, 可根据实配钢筋面积 (计入受压筋) 和材料强度标准值确定。

　　 中国规范规定, 9度抗震一级框架节点核心区的抗震受剪承载力按下式计算:

　　 式中:γ_RE为承载力调整系数, γ_RE=0.85;η_j=1.25;b_j, h_j分别为节点的宽度和高度;A_svj为节点区箍筋的面积;h_b0为梁的有效高度;a_s&apos;为梁内钢筋中心到最接近边缘的距离;s为箍筋间距。其余参数含义见混规^[5]。

　　 美国规范规定梁柱节点区所受剪力V_u按下式计算 (图4) :

　　 其中:

　　 式中:A_st为梁上部纵向钢筋全部截面面积;A_sb为梁下部纵向钢筋全部截面面积;V_c为节点处剪力。

　　 美国规范规定节点受剪承载力V_{j, A}按下式计算:

　　 式中:A_j为节点有效截面积;为强度折减系数, 取0.85。

　　 节点有效截面积A_j按节点高度和有效宽度确定。节点高度取节点区柱截面高度, 梁宽小于柱宽时节点有效宽度取下面两项的较小值:1) 梁宽+节点高度;2) 梁宽+柱突出梁部分最小宽度的两倍 (图5中2x) 。

　　 由式 (6) ~ (11) 可以看出, 中美规范框架节点受剪承载力的计算方法是不同的。定义类似于式 (4) 的综合安全系数, 以图5框架节点为例进行计算, 图中, b_b×h_b=400mm×500mm, b_c×h_c=600mm×600mm。混凝土强度等级为C30~C60、配箍率在1%~2%范围时的安全系数比值的平均值为0.913, 中国规范框架节点抗震安全性比美国规范的略高。

　　 中国规范抗震墙最小配筋率与美国规范的相同, 均为0.25%。另外, 中国规范规定, 部分框支抗震墙的落地抗震墙底部加强部位, 竖向和横向分布钢筋配筋率均不应小于0.3%;美国规范规定, 当时, 允许纵向和横向最小配筋率适当降低, 其中A_cv为所考虑剪力方向以腹板厚度和截面高度为界限的混凝土毛截面面积。

　　 中国规范规定, 抗震墙的竖向和横向分布钢筋的间距不宜大于300mm, 部分框支抗震墙结构的落地抗震墙底部加强部位, 竖向和横向分布钢筋的间距不宜大于200mm;美国规范规定, 墙体各方向的钢筋间距不应大于460mm。

　　 中国规范以直径倍数的形式规定了纵向受拉钢筋的抗震锚固长度, HRB400钢筋的抗震受拉锚固长度如表7所示。美国规范规定, 变形钢筋和变形钢丝的抗震受拉锚固长度可按表8确定, 同时不小于300mm。水平钢筋锚固长度或搭接接头下有厚度大于300mm的新浇筑混凝土层 (上部钢筋) 时取钢筋位置系数ψ_t=1.3;对于其他情况 (下部钢筋) , ψ_t=1.0;无涂层钢筋的钢筋涂层系数ψ_e=1.0。但ψ_tψ_e的乘积不能大于1.7。

　　 由表7看出, 美国规范上部钢筋的抗震锚固长度较中国规范的大, 下部钢筋的抗震锚固长度与中国规范的相近。

　　 中国规范规定, 对于混凝土结构中纵向受压钢筋, 当需要充分利用其抗压强度时, 锚固长度不应小于相同情况下受拉钢筋锚固长度的70%。

　　 美国规范规定, 受压钢筋基本锚固长度l_dc按下式计算:

　　 同时下列情况下基本锚固长度l_dc可乘以下列系数:1) 配筋超出计算需要, 系数等于A_s计算/A_s实配;2) 包围在直径不小于6mm、螺旋间距不大于100mm的螺旋箍筋内时, 系数等于0.75。

　　 按配置HRB400钢筋进行分析, 中美规范不同混凝土强度等级的钢筋混凝土构件纵向受压钢筋的抗震锚固长度如表9所示。由表9可以看出, 中国规范纵向受压钢筋的抗震锚固长度比美国规范的大。

　　 中国规范规定, 有抗震要求混凝土结构的抗震搭接长度应符合表10的要求。

　　 美国规范规定, 有抗震要求混凝土结构的搭接长度应符合下列A类或B类接头的要求, 同时不小于300mm:A类接头为1.0l_d;B类接头为1.3l_d, 其中l_d为美国规范中受拉钢筋的锚固长度。A类接头是指同时满足以下两个条件的接头:1) 整个搭接长度范围内, 实际配筋面积是计算配筋面积的2倍;2) 在要求的搭接长度范围内, 搭接钢筋不超过全部钢筋的50%。

　　 参考钢筋抗震锚固长度的对比结果 (表7~9) , 以采用C40混凝土、配置直径为20mm的HRB400钢筋的构件为例进行分析。美国规范搭接长度为A类接头l_d=43.24d=43.24×20=864.8mm, 中国规范此时应按搭接接头面积百分率小于50%计算, l=1.2l_{a E}=1.2×34×20=816mm。B类接头l=1.3l_d=1 124.24mm;中国规范搭接长度为l=1.4l_{a E}=952mm (按50%搭接接头百分率计算) 和l=1.6l_{a E} (按100%搭接接头百分率计算) =1 088mm。由此可见, 两国规范的钢筋搭接长度相差不多, 美国规范略大。

　　 中国规范机械连接的要求如下:1) 纵向受力钢筋的机械连接接头宜互相错开。钢筋机械连接区段的长度为35d, 其中d为连接钢筋的较小直径。凡接头中点位于该连接区段内的机械连接接头均属于同一连接区段;2) 位于同一连接区段的纵向受拉钢筋接头面积百分率不宜大于50%, 纵向受压钢筋的接头百分率可不受限制;3) 机械连接套筒的保护层厚度宜满足有关钢筋最小保护层厚度的规定, 机械连接套筒的横向净距不宜小于25mm;套筒处箍筋间距仍然满足响应构造要求。

　　 美国规范机械连接的规定如下:1) 完全机械接头应能使受拉钢筋的抗拉强度充分发挥, 受拉时强度应能达到钢筋屈服强度f_y的1.25倍;2) 当机械连接钢筋全长的应变超出无机械连接钢筋应变的50%时, 机械接头位置应错开。此时, 在垂直钢筋的同一平面上机械连接的钢筋不应超过总数的1/2, 并且接头应至少错开750mm。

　　 中国规范钢筋焊接的要求如下:1) 细晶粒热轧带肋钢筋以及直径大于28mm的带肋钢筋, 其焊接应经试验确定;余热处理钢筋不宜焊接;2) 纵向受力钢筋焊接接头应相互错开。钢筋焊接接头连接区段长度为35d, 凡接头中点位于该连接区段长度内的焊接接头均属于同一连接区段。3) 纵向受拉钢筋的接头面积百分率不宜大于50%, 但对预制构件拼接处, 可根据实际情况放宽。纵向受压钢筋的接头百分率可不受限制。

　　 美国规范要求钢筋的焊接应使得钢筋在受拉和受压时均能达到屈服强度。

　　 本文对中国规范与美国规范核安全相关混凝土结构抗震措施规定进行了对比分析, 分析得出如下结论:

　　 (1) 中美规范混凝土抗震设计要求的最低混凝土强度基本相同。中国规范纵向钢筋要求采用HRB335, HRB400及以上, 箍筋采用HPB300, HRB335及以上;美国规范要求采用40级 (275MPa) ~80级 (550MPa) 的纵向钢筋, 箍筋不超过60级 (420MPa) 。中国规范与美国规范要求的纵向钢筋抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值及屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值基本是相同的。

　　 (2) 对于框架梁, 中国规范要求的最小宽度比美国规范稍小, 高宽比稍大, 跨高比与美国规范的相同。中国抗震一级框架梁支座的最小纵筋配筋率与美国规范的接近, 跨中略低;最大纵向钢筋配筋率数值是相同的, 均为0.25%。中国规范与美国规范框架梁的最小配箍率基本相同, 略低;中国规范抗震等级一级框架梁加密区的长度与美国规范的基本一致。中国规范与美国规范框架梁实现“强剪弱弯”的能力接近。

　　 (3) 中国规范抗震一级框架结构柱的最小截面宽度和最小截面高度比美国规范的大, 柱长短边长之比最大值比美国规范的值高。中国规范纵向钢筋最小配筋率与美国规范的相当, 最大配筋率 (5%) 比美国规范 (6%) 略小。中国规范抗震框架柱普通箍筋最小体积配箍率与美国规范相比有大有小。中国规范抗震一级框架柱的最大箍筋间距与美国规范的相当。中国规范与美国规范钢筋混凝土框架柱抗震实现“强剪弱弯”的能力是相近的, 实现“强柱弱梁”的能力比美国规范高约20%。

　　 (4) 中国规范和美国规范节点区箍筋间距和箍筋最小直径均与框架柱的一致, 中国规范框架节点的抗剪安全度比美国规范的略高。

　　 (5) 中国规范抗震一级抗震墙的最小配筋率与美国规范是相同的, 均为0.25%。中国规范抗震墙的最大钢筋间距为300mm, 美国为460mm, 中国规范的比美国规范的小。

　　 (6) 针对HRB400钢筋进行分析, 美国规范受拉上部钢筋的抗震锚固长度较中国规范的大, 下部钢筋的抗震锚固长度与中国规范的相近;中国规范纵向受压钢筋的抗震锚固长度比美国规范的大。