《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的結(jié)構(gòu)計(jì)算探析

閆國(guó)新，張曉磊

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475001）

0 引言

《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL191-2008（以下簡(jiǎn)稱新《規(guī)范》）在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度表達(dá)、環(huán)境類別的劃分、鋼筋的分類、斜截面承載力計(jì)算公式和構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算公式等方面對(duì)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL/T191-96 （以下簡(jiǎn)稱1996 《規(guī)范》）和《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SDJ20-78（以下簡(jiǎn)稱1978《規(guī)范》）進(jìn)行了修訂。為了更好地學(xué)習(xí)新《規(guī)范》，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，對(duì)比和分析新舊規(guī)范的結(jié)構(gòu)計(jì)算差異是必要的。

1 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)公式

1.1 舊《規(guī)范》承載能力極限狀態(tài)計(jì)算公式

1978《規(guī)范》采用的是以單一安全系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，其計(jì)算式如公式1 所示[1]。 1996《規(guī)范》按《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50199-94 的規(guī)定，采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，并據(jù)此用5 個(gè)分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如公式2 所示[2]。

式中：K 為強(qiáng)度安全系數(shù)；N 為設(shè)計(jì)荷載作用下截面內(nèi)力；Rh為混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度；Rg為鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度；S 為構(gòu)件及截面的幾何特征。

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；ψ 為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)；S 為荷載效應(yīng)組合值；R 為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)；γG、γQ為永久、可變荷載分項(xiàng)系數(shù)；fc、fy為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ak為結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；Gk、Qk為永久荷載、可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 新《規(guī)范》承載能力極限狀態(tài)計(jì)算公式

水工混凝土結(jié)構(gòu)中，除材料強(qiáng)度和少數(shù)荷載采用統(tǒng)計(jì)資料外，不少荷載由于無(wú)法取得實(shí)測(cè)資料，難以體現(xiàn)真正概率意義上的荷載變異性，并且《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL/T191-96 缺乏一個(gè)直觀的總的安全度。 因此，新《規(guī)范》采用在多系數(shù)分析的基礎(chǔ)上，用安全系數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)（如公式3所示）[3]。

式中：K 為承載力安全系數(shù)；S 為荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值；R 為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面承載力設(shè)計(jì)值。

1.3 新老《規(guī)范》承載能力極限狀態(tài)計(jì)算公式比較

新《規(guī)范》的K 值是由1996《規(guī)范》承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)式中的γd、γ0、ψ3 個(gè)系數(shù)合并而來(lái)的。 因此，該設(shè)計(jì)表達(dá)式和1996《規(guī)范》設(shè)計(jì)表達(dá)式可靠度一致，都屬于水準(zhǔn)Ⅱ近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。 但新《規(guī)范》表達(dá)式簡(jiǎn)潔，便于運(yùn)用和掌握。 新《規(guī)范》和1978《規(guī)范》安全系數(shù)雖然同為K，但內(nèi)涵隸屬不同水準(zhǔn)。 1978《規(guī)范》屬于水準(zhǔn)Ⅰ半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，K 值不具有可靠度的概念。 與舊《規(guī)范》相比，新《規(guī)范》的承載力安全系數(shù)K 更加合理、科學(xué)和符合實(shí)際。

新《規(guī)范》鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力安全系數(shù)K的取值如表1 所示。

2 斜截面承載力計(jì)算公式

2.1 新《規(guī)范》斜截面承載力計(jì)算公式的特點(diǎn)

新《規(guī)范》對(duì)1996《規(guī)范》的混凝土項(xiàng)受剪承載力Vc計(jì)算公式進(jìn)行了兩點(diǎn)修訂[3]：

表1 承載力安全系數(shù)K 取值Table 1 Bearing capacity safe index K value

（1）將混凝土項(xiàng)受剪承載力Vc計(jì)算公式中的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)由fc改為ft表達(dá)，以適應(yīng)從低強(qiáng)到高強(qiáng)混凝土構(gòu)件受剪承載力變化的情況，避免采用fc時(shí)，出現(xiàn)高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的受剪承載力計(jì)算不安全的現(xiàn)象。

（2）將混凝土項(xiàng)受剪承載力Vc計(jì)算公式合為一個(gè)，消除集中荷載作用為主的獨(dú)立梁計(jì)算中剪跨比對(duì)受剪承載力的影響。 在計(jì)算公式中，不再考慮荷載形式的不同。

2.2 斜截面承載力計(jì)算公式比較

新舊《規(guī)范》關(guān)于斜截面承載力的計(jì)算公式如表2 所示。

從表2 可以看出，新《規(guī)范》第一次沒(méi)有考慮荷載的類型，使荷載和抗力成為兩個(gè)互相獨(dú)立的變量，簡(jiǎn)化了計(jì)算公式。 由于斜截面抗剪承載力公式是半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，是試驗(yàn)值的下包線，因此，具有足夠的安全性。

3 新《規(guī)范》的其他修訂內(nèi)容

3.1 新增非線性有限元計(jì)算原則

水工結(jié)構(gòu)中常有一些形體或受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如廠房蝸殼、弧門閘墩、壩體內(nèi)空口、壩面背管等。對(duì)這些結(jié)構(gòu)，無(wú)法按桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)求出截面的內(nèi)力，并按照承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行配筋計(jì)算。因此，現(xiàn)在對(duì)一些比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，常常要進(jìn)行有限元數(shù)值分析。 目前，常用的大型有限元軟件有德國(guó)的ASKA、英國(guó)的PAEEC 和美國(guó)的ANSYS 等。

有限元方法作為一種有效的數(shù)值計(jì)算方法，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性分析中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 新《規(guī)范》此次修訂把非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算原則作為單獨(dú)的一章，說(shuō)明有限元計(jì)算在水工混凝土結(jié)構(gòu)中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。

表2 斜截面承載力計(jì)算公式Table 2 Oblique section bearing capacity calculation formula

3.2 對(duì)環(huán)境類別的劃分進(jìn)行了調(diào)整

結(jié)構(gòu)的耐久性要求及裂縫控制與結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件有很大的關(guān)系，因此，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先明確工程結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別。 工程實(shí)踐表明，1996《規(guī)范》將水工建筑物的類別劃分為一至四類是比較恰當(dāng)?shù)摹?但是，為了進(jìn)一步將淡水水位變化區(qū)與海水水位變化區(qū)、淡水水下區(qū)與海水水下區(qū)等不同的侵蝕程度加以區(qū)分，新《規(guī)范》將環(huán)境類別劃分為一至五類，更符合工程實(shí)際情況[3]。

3.3 對(duì)混凝土和鋼筋材料性能設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行修訂

混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與混凝土材料性能分項(xiàng)系數(shù)γc的比值。 新《規(guī)范》將γc從1.35 提高到1.40， 相應(yīng)的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與GB50010-2002 的取值相同[3]。

為適當(dāng)提高安全度設(shè)置水平， 參考GB50010-2002 的規(guī)定，將HRB335 級(jí)鋼筋的材料性能分項(xiàng)系數(shù)γc由1996《規(guī)范》的1.08 提高為1.1[3]。

4 新舊規(guī)范配筋案例分析

4.1 案例背景

某廠房（2 級(jí)建筑物）的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，兩端支撐在240 mm 厚的磚墻上。 該梁處于室內(nèi)正常環(huán)境，梁凈距l(xiāng)n=3.56 m，梁截面尺寸b×h=200 mm×500 mm。 在正常使用期間，該梁承受永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值gk=20 kN/m（包括自重）、可變均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk=38 kN/m，采用C25 混凝土，箍筋為HPB235 級(jí)。 試求僅配箍筋時(shí)所需要的箍筋間距（取as=40mm）。

4.2 案例計(jì)算

4.2.1 按1996《規(guī)范》計(jì)算受彎構(gòu)件斜截面承載力

基 本 資 料：fc=12.5 MPa，ft=1.30 MPa，fy=210 Mpa，γ0=1.0，ψ=1.0，γd=1.2，γG=1.05，γQ=1.20，h0=460 mm，b=200 mm。

由于V=γ0Ψ(g+q)ln=118.55kN，hw/b=2.3＜4.0，0.25fcbh0=287.5kN>γdV=142.26 kN。 所以，截面尺寸滿 足 抗 剪 要 求。 Vc=0.07fcbh0=80.50 kN<γdV=142.26 kN， 所以， 需要按計(jì)算配置箍筋。， 選用雙肢Φ8 箍筋，Asv1=50.3 mm2，n=2，s≤197 mm，smax=200 mm，取s=190 mm。

4.2.1 按“新《規(guī)范》”計(jì)算受彎構(gòu)件斜截面承載力

基 本 資 料：fc=11.9 MPa，ft=1.27 MPa，fy=210 MPa，K=1.20，h0=460 mm，b=200 mm。

4.3 案例分析

從上面的計(jì)算可以看出，新《規(guī)范》與1996《規(guī)范》相比有以下不同：（1）混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取值有所降低。 （2）取消了荷載分項(xiàng)系數(shù)這一術(shù)語(yǔ)。 （3）斜截面承載力計(jì)算公式簡(jiǎn)單，參數(shù)少，因?yàn)橛肒 值取代了原來(lái)的3 個(gè)參數(shù)。 （4）二者計(jì)算結(jié)果差別不大，對(duì)工程實(shí)際影響甚微，因?yàn)槎咛幱谕辉O(shè)計(jì)水準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

新《規(guī)范》與1996《規(guī)范》和1978《規(guī)范》相比較，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度表達(dá)、環(huán)境類別的劃分、鋼筋的分類、斜截面承載力計(jì)算公式和構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算公式等方面進(jìn)行了修訂。 它還增加了具有水工特點(diǎn)的閘門門槽、水電站鋼筋混凝土蝸殼、尾水管和壩體內(nèi)孔的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造要求。 只有對(duì)新老規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析，才能更好地掌握和應(yīng)用。

[1] SDJ20-78，水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] SL191-96，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] SL191-2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].