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可持续的土木工程结构和建筑材料
印尼混凝土结构的安全性能
摘 要
混凝土结构的可靠性取决于材料的特点，制作工艺和荷载形式，这些变量根据各自特点提高一定程度的结构可靠性 。这篇论文介绍在印尼混凝土结构材料的特性和工艺以及它们对混凝土结构可靠性的影响。混凝土抗压强度、钢筋的屈服强度和工艺的数据取自于典型建筑的一些建筑工地包括位于雅加达和日惹的公寓、办公室、医院和其他公共设施。然后按照印尼混凝土规范SNI 03-2847-2013进行可靠度分析以使荷载组合和强度降低影响因素标准化。用来进行可靠性分析的荷载取自能利用的文献，可靠性分析的结果表明印尼混凝土规范SNI 03-2847-2013中的安全因素和荷载组合因素对于荷载组合（D L W）是偏于保守的。D L W R（D=恒荷载，L=活荷载，W=风荷载，R=雨/屋面荷载）。分析结果也可以作为第一试探过渡到基于性能的设计规范。
关键词：混凝土结构；材料性能；可靠度；印尼
1 介绍
印尼有几乎包含工程所有方面的规范。此规范会定期地检验并修改。最新出版的混凝土设计规范是印尼混凝土规范SNI 03-2847-2013[1]。根据设计原则，这个规范与ACI 318-M11处于同一水平结构混凝土建筑规范要求[2]。
这篇论文介绍印尼的普通钢筋混凝土的材料统计特性和结构构件的制造。这些统计数据取自2006年不同建筑公司的五个建筑场地。建筑场地的混凝土和钢筋取自几个生产批次和公司。数据采集仅限于普通混凝土，不包括预应力混凝土结构。为了获得更完整的数据，还收集了两个不同混凝土公司的混凝土抗压强度数据，以研究配料厂对产品一致性的影响。
荷载模式是基于文献[3,4]中可得的数据。在印尼混凝土规范[1]中使用负载组合计算可靠性指标。分析的结构构件是受弯梁，受剪梁，轴压柱，受弯板，所有构件均是普通混凝土并在现场制作。对于每一种结构构件和荷载组合情况，考虑几个可能的阻力系数值在先前的印尼混凝土规范中的阻力系数值基础上有0.05的间隔。
2 材料
2.1混凝土抗压强度
通过对印尼不同建设项目的试验，获得了普通混凝土的试验数据。最初的数据在现场的质量控制下记录下来。这项目是针对经济上中上，中下阶层的公寓楼，针对公众的政府办公楼，医院和公共体育设施。所有工地位于雅加达或日惹。每个项目的数据取自几个批次的预拌混凝土。对于某些等级的承包商通常使用几家公司的预拌混凝土供应他们的建筑工地。因此，对于不同的项目，预拌混凝土由不同公司提供。混凝土抗压强度的所有数据均采取其中一个混凝土圆柱体试样，此试样采取大约6-10m^3的新拌混凝土的规格要求。
计算和介绍混凝土强度fcrsquo;统计参数时结合累积分布函数(CDF)。代表测试数据的累积分布函数的形状可用于解释分布的类型。在正常的概率范围的直线代表一个正常的累积分布函数。累积分布函数的斜率能预测标准偏差。
数据1中显示了取自不同施工场地的所有被研究混凝土强度的fcrsquo;的累积分布函数的曲线，而统计参数（平均值，倾向lambda;，变异系数V）与名义强度，样本数量被列于表1。不同混凝土等级用于不同场地每一个累积分布函数曲线代表一个建筑场地。每个场地的预拌混凝土均由多个公司提供。
在印尼取自不同建筑场地的混凝土强度的累积分布函数和统计参数表明混凝土强度的变化随混凝土强度的增加而减小。变异系数V由21.5MPa的0.135降低到55.0MPa的0.045。而偏因（平均值与名义值之间的系数）lambda;，在24.0MPa的1.14和55.0MPa的1.32中变化（见表1）
2.2钢筋直径和屈服强度
对钢筋直径为10mm和25mm的钢筋进行了研究，资料取自施工现场钢筋的抗拉试验结果，与混凝土抗压强度数据相同。这些钢筋是由不同公司生产的，钢筋直径的统计参数列于表2。
钢筋直径的变化系数在0.004至0.016的范围内。随着直径的增加，变异系数趋于减小。所有调查的直径的偏置因子是约0.98至0.99。这意味着钢筋的直径略小于标称值。
对非变形和变形钢筋类钢筋的屈服应力进行了研究，统计参数见表3。钢筋由几个制造商提供。变异系数从0.017变化到0.119。这些值与钢筋的公称直径或直径没有一定的关系。钢筋强度的偏差系数从1.084到1.696不等。
印尼钢筋的统计参数显示这一情况，一般测得的直径会略小于名义值。这一发现被相信是由于减少材料体积可以节省材料生产成本的事实。钢筋的实际横截面面积通常小于名义值，而钢筋的屈服力保持在名义值以上。
3 工艺
钢筋混凝土构件的制造因素对其性能有重要影响。每一个细节尺寸和位置的精确性都会影响到静载、转动惯量和力臂。它也反映了工艺水平，也受设备的适当性。
表4显示的混凝土统计参数包括梁、柱。对于印度尼西亚的情况，混凝土梁参数似乎是小于名义值。变异系数V为0.089，偏差系数是0.913。构件尺寸与标称值有较好的一致性。混凝土柱的统计参数表明，其值大于标称值。柱混凝土保护层受以下影响，配筋提高的困难、新拌混凝土的水平压力和柱截面的大小和柱的高度。
制作钢筋混凝土构件在印度尼西亚吸引更多的关注因为它涉及工人的技能，适当的设备和质量控制系统。与制造有关的测量集中在混凝土盖和构件尺寸精度。测得的混凝土梁在印度尼西亚小于标称偏差系数的值是0.913。结合构件截面的混凝土盖截面数据，得出构件尺寸与混凝土涉及变化的偏差系数无关的结论。为了获得一致的混凝土盖，最重要的因素是适当的间隔和模板的刚度。
4 钢筋混凝土构件强度参数
采用蒙特卡罗模拟计算了抗力R的参数，利用了材料M、制造F和专业P因子的统计参数。模拟中使用的抗力的确定表达式根据印尼混凝土规范SNI 03-2847-2013和ACI 318-M11结构混凝土建筑规范要求。根据圆柱体试验数据建立混凝土材料参数。
在这项研究中使用的混凝土抗压强度的数据是从不同的来源（从不同的施工场地和/或从不同的混凝土拌合厂），所以它包括所谓的批到批的变化，这是高于内测试变异。调查的数据还包括不同的测试方法（来自不同的实验室），甚至不同的混凝土混合物和设计成分所造成的变化。由此产生的统计参数的R，给出了表5。
在分析的构件中，抗力变化系数V在0.087和0.130之间变化，而偏差系数lambda;在1.021和1.325之间变化，V和lambda;最高值出现在弯曲板中。这些被V和lambda;的高值影响的高值体现在混凝土板的有效厚度如表4所示。在施工浇筑混凝土面板中所有这些值被供给不足的系统所影响，构造器始终保持顶面是平的。然后板坯在有效深度上产生具有高有效值的变异系数。
5 可靠度分析
结构可靠性的一般原则能在ISO文件[5]看到，负载和抗力参数是随机变量；因此，可以很方便的测量可靠性指标项beta;的结构性能、计算beta;的各种程序都由以前的文件[4]提出。极限状态函数的一般公式是：
g=R-Qle;0 （1）
式中 g——安全系数
R——抗力
Q——荷载效应
在此项研究中，Q是荷载组合。
可靠指标beta;可看作失效概率PF的函数
beta;=-Phi;-1（PF） （2）
式中Phi;-1——标准正态函数的反函数。
6 钢筋混凝土构件的可靠性
在印尼混凝土标准SNI 03-2847-2002中特定的荷载组合：
U=1.4D
U=1.2D 1.6L 0.5(Lr or R)
U=1.2D 1.6(Lr or R) (1.0L or 0.5W)
U=1.2D 1.0W 1.0L 0.5(Lr or R)
U=1.2D 1.0E 1.0L
U=0.9D 1.0W
U=0.9D 1.0E
式中U——需要强度
D——恒荷载
L——活荷载
R——雨或屋顶荷载
W——风荷载
E——地震荷载
本文介绍了两个负载组合的分析结果如下：
U=1.2D 1.6L 0.5(Lr or R)
U=1.2D 1.6(Lr or R) (1.0Lr or 0.5W)
用于分析的负荷模型取自文献[5，6]，因为印尼没有负载特性。荷载组合的统计参数见表6。
对不同荷载组合绘制的可靠指标的分析结果如图2到图6所示，可靠性指标有所不同，这取决于构件的类型，极限荷载和荷载比。
可靠性指标计算梁弯曲高于梁的剪力。然而，板的可靠度指标稍微高于梁弯曲的可靠性指标。板弯曲的高可靠性指标似乎是由高偏差系数lambda;对板的强度参数的影响，以及可靠性指标对指定深度值的任何偏差非常敏感。可靠性指标计算轴向受力柱分为螺旋和约束增强，并且两者均高于梁的可靠性指标25%到35%。设置轴心受压柱的高可靠性指标以减少该柱失效的可能性，尤其是脆性破坏。
可靠性指标的最优值可以基于两参数决定：破坏的损失值和避免破坏的附加成本。在一般情况下，较大的预期损失，由于失效，应给予更大的可靠性指标。最佳可靠性指标的选择需要大量的数据库。因为在他的研究中输入数据的不足，目标可靠度水平在印尼混凝土规范SN1 03-2847-2013中抗力因素基础上选取的。
在印尼，对于大部分钢筋混凝土建筑构件，除了受剪梁，目标可靠度指标3.5均在必需范围内。对于柱，因为有-脆性破坏的可能性，可靠性指标似乎定得更高。可靠性指标的计算如图2到图6所示，表示构件的可靠性相对于系统的可靠性。构件可靠性指标与系统可靠性指标之间的关系取决于体系的类型（并联、串联或混合）以及各元素之间的相关性程度，这是本文不讨论的问题。
7 总论
已收集并介绍了材料生产数据，精确的尺寸和印尼的钢筋混凝土构件的混凝土楼盖。取自多个建筑工地的数据代表了印尼建筑业的条件和水平。统计分析结果表明，材料生产和工艺水平处于中等可接受状态。
一些结构类型可靠性分析采用印尼混凝土规范SN1 03-2847-2002。其中一个目的是，对对应于荷载组合系数的混凝土结构构件的设计，由抗力系数所提供的安全水平进行分析。计算了结构类型和极限状态的可靠度指标，包括受弯剪的梁，螺旋箍筋轴向受力柱和受弯板。可靠性分析结果表明，在印尼混凝土规范SNI 03-2847-2013中，安全系数及荷载组合系数对于荷载组合D L W和D L W R是偏于保守的。（D为恒荷载，L为活荷载，W为风荷载，R为雨/屋顶荷载）
钢筋混凝土结构的安全性分析结果在印度尼西亚可以是考虑转变规范为基于性能的抗震设计规范的第一步，用户可以选择他们建筑的安全性和可维护性的水平。在可靠性方面，对于每个建筑施工地，可以建议只使用一家混凝土公司的产品。
参考文献：
[1]Badan Standarisasi Nasional,2013,SNI 03-2847-2013,Persyaratan Beton Strukural untuk Bangnan Gedung,Jakarta,Indonesia
[2]ACI Committee,2011,ACI 318M-11 Building Code and Requirements for Structural Concrete and Commentary,American Concrete Institude,Illinois,USA.
[3]Nowak,A.S.,Collins,K.R.,2002,Reliability of Structures.McGraw Hill,Simgapore.
[4]Nowak,A.S.,Szersen,M.M.,2003,Calibration of Design Code for Building(ACI 318),ACI Structural Journal,May-June 2003,pp.377-391
[5]ISO TC98/SC2/2394),2001,General Principles on Reliability for Structures, second edition, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland.
[6]Stewart,M.G.,1995,Workmanship and Its Influence on Probabilistic Model of Concrete Compressive Strength, ACI Material Journal,July-August 1995,pp.361-371.
补充翻译：
钢纤维混凝土预应力铁路轨枕疲劳性能研究
摘 要
预应力混凝土轨枕是铁路轨道系统中的主要成分之一，它将车轮荷载从轨道分布给基础道床。混凝土轨枕通常设计的预期寿命为50年。然而，在他们的使用阶段中，会经历罕见但高强度的车轮荷载引起的极端荷载情况，这种荷载情况是由小概率恶劣天气或轨道异常导致的
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