淺談水工少筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

陽運(yùn)青 李運(yùn)福

（衡陽市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院 衡陽市421008）

少筋混凝土結(jié)構(gòu)是指配筋率低于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最小配筋率、介于素混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的一種少量配筋的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱少筋混凝土結(jié)構(gòu)。

這類結(jié)構(gòu)在水利工程設(shè)計(jì)中是在所難免的，有時(shí)，它在某些水工混凝土工程結(jié)構(gòu)中處于制約設(shè)計(jì)的重要地位。從邏輯概念講，只要有素混凝土結(jié)構(gòu)的存在，必定會(huì)有少筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，因?yàn)樗吘故撬鼗炷梁瓦m筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的中介產(chǎn)物。

凡經(jīng)?；蛑芷谛缘厥墉h(huán)境水作用的水工建筑物所用的混凝土稱水工混凝土，水工混凝土多數(shù)為大體積混凝土，水工混凝土對(duì)強(qiáng)度要求則往往不是很高。在一般水工建筑物中，如閘墩、閘底板、水電站廠房的擋水墻、尾水管、船塢閘室等，在外力作用下，一方面要滿足抗滑、抗傾覆的穩(wěn)定性要求，結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的自重；另一方面，還應(yīng)滿足強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍等要求，不允許出現(xiàn)裂縫，因此結(jié)構(gòu)的尺寸比較大。若按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，常需配置較多的鋼筋而造成浪費(fèi)，若按素混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則又因計(jì)算所需截面較大，需使用大量的混凝土。

對(duì)于這類結(jié)構(gòu)，如在混凝土中配置少量鋼筋，在滿足穩(wěn)定性的要求下，考慮此少量鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全方面所起的作用，就能減少混凝土用量，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)和安全的要求。因此，在大體積的水工建筑物中，采用少筋混凝土結(jié)構(gòu)，有其特殊意義。

關(guān)于少筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想和原則，我國《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191—2008）作了明確的規(guī)定。

1 規(guī)范對(duì)少筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)定

對(duì)少筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)定體現(xiàn)在最小配筋率規(guī)定上，這里將《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191—2008）（下文簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）有關(guān)最小配筋率的規(guī)定，進(jìn)行摘錄并闡述。

1.1 一般構(gòu)件的縱向鋼筋最小配筋率

一般鋼筋混凝土構(gòu)件的縱向受力鋼筋的配筋率不應(yīng)小于“規(guī)范”中表9.5.1（附表）規(guī)定的數(shù)值。溫度、收縮等因素對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較大時(shí)，最小配筋率應(yīng)適當(dāng)增大。當(dāng)結(jié)構(gòu)有抗震設(shè)防要求時(shí)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最小配筋率應(yīng)按“規(guī)范”第13章的規(guī)定取值。

1.2 大尺寸底板的縱向鋼筋最小配筋率

臥置在地基上以承受豎向荷載為主、板厚大于2.5m的底板，當(dāng)按受彎承載力計(jì)算得出的縱向受拉鋼筋配筋率ρ小于表9.5.1項(xiàng)次1規(guī)定的最小配筋率ρ0min時(shí)，配置的縱向受拉鋼筋最小截面面積A，可按下列近似公式計(jì)算：

附表 規(guī)范中表9.5.1鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受力鋼筋基本最小配筋率ρ0min %

式中 K——承載力安全系數(shù)，按“規(guī)范”中表3.2.4采用；

M——底板承受的彎矩設(shè)計(jì)值（N/mm），按“規(guī)范”中3.2.2條的規(guī)定計(jì)算；

fy——縱向鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)值（N/mm2），按“規(guī)范”中表4.2.3-1確定；

b——板寬（mm）；

ρmin——板的受拉鋼筋最小配筋率，按“規(guī)范“中表9.5.1項(xiàng)次1取值。底板受拉鋼筋配筋面積不得小于截面面積的0.05%；對(duì)于厚度大于5m的底板，可不受此限制，但每米寬度內(nèi)的鋼筋面積不小于2500mm2。

底板受壓區(qū)的縱向鋼筋可按構(gòu)造要求配置。

1.3 大尺寸墩墻的縱向鋼筋最小配筋率

厚度大于2.5m的墩墻，當(dāng)按承載力計(jì)算得出的豎向鋼筋的配筋率小于規(guī)范中表9.5.1規(guī)定的最小配筋率時(shí)，可按下列方法處理：

（1）當(dāng)墩墻按大偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算得出的墩墻一側(cè)的豎向受拉鋼筋A(yù)s的配筋率小于規(guī)范中表9.5.1項(xiàng)次3規(guī)定的最小配筋率ρ0min時(shí)，受拉鋼筋A(yù)s的最小截面面積可按式（9.5.2）計(jì)算，但式中M用Ne’替代，N為墩墻承受的軸向壓力設(shè)計(jì)值，e’為軸向壓力至受壓區(qū)混凝土合力點(diǎn)的距離。

（2）當(dāng)墩墻按軸心受壓或小偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算得出的全部豎向鋼筋的配筋率小于規(guī)范中表9.5.1項(xiàng)次2規(guī)定的最小配筋率ρ0min時(shí)，全部豎向鋼筋的最小截面面積As’可按下列近似公式計(jì)算，但不小于截面面積的0.04%（或一側(cè)不小于0.02%）：

式中 N——墩墻承受的軸向壓力設(shè)計(jì)值（N），按“規(guī)范”中3.2.2條的規(guī)定計(jì)算；

fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2），按“規(guī)范”中表4.1.5確定；

ρ’min——軸心受壓構(gòu)件全部縱向鋼筋的最小配筋率,按“規(guī)范“中表9.5.1項(xiàng)次2取值。

1.4 特大截面的最小配筋用量

對(duì)于截面尺寸由抗傾、抗滑、抗浮或布置等條件確定的厚度大于5m的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，規(guī)范規(guī)定：如經(jīng)論證，其縱向受拉鋼筋可不受最小配筋率的限制，鋼筋截面面積按承載力計(jì)算確定，但每米寬度內(nèi)的鋼筋截面面積不得小于2500mm2。

規(guī)范對(duì)最小配筋率作了三個(gè)層次的規(guī)定，即對(duì)一般尺寸的梁、柱構(gòu)件必須遵循規(guī)范中表9.5.1的規(guī)定；對(duì)于截面厚度較大的板、墻類結(jié)構(gòu)，則可按規(guī)范中表9.5.2及表9.5.3規(guī)定計(jì)算最小配筋率；設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體情況分別對(duì)待。

為慎重考慮，目前僅建議對(duì)臥置于地基上的底板和墩墻可采用此最小配筋率計(jì)算方法，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)，則仍建議采用規(guī)范中表9.5.1所列的基本最小配筋率計(jì)算，以避免因配筋過少，發(fā)生裂縫情況。

經(jīng)驗(yàn)算，按以上方法的最小配筋率配筋，其最大裂縫寬度在容許范圍內(nèi)。對(duì)處于惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu)，為控制裂縫不過寬，宜將本規(guī)范中表9.5.1所列受拉鋼筋最小配筋率提高0.05%。大體積構(gòu)件的受壓鋼筋按計(jì)算不需配筋時(shí)，則可僅配構(gòu)造鋼筋。

2 規(guī)范的應(yīng)用舉例

（1）例1。一水閘底板，板厚3.0m，采用C20級(jí)混凝土和HRB335級(jí)鋼筋，每米板寬承受彎矩設(shè)計(jì)值M=220 kN/m（已包含γ0、φ系數(shù)在內(nèi)），試配置受拉鋼筋A(yù)s。

解：①取1m板寬，按受彎構(gòu)件承載力公式計(jì)算受拉鋼筋截面面積As。

按規(guī)范中表9.5.1計(jì)算As=ρ0minbh=0.15%×000×3000= 4500mm2

實(shí)際選配每米6Φ18（As=1526mm2）

討論：對(duì)大截面尺寸構(gòu)件，采用規(guī)范中9.5.2計(jì)算的可變的ρmin比采用規(guī)范表9.5.1所列的固定的ρ0min可節(jié)省大量鋼筋，本例為1500/4500=1∶3。

② 若將此水閘底板的板厚h增大為4.5m，按式（1）計(jì)算的As為：

可見，采用規(guī)范中9.5.2計(jì)算最小配筋率時(shí)，當(dāng)承受的內(nèi)力不變（未計(jì)自重），則不論板厚再增大多少，配筋面積As將保持不變。

實(shí)際須按滿足ρ≥0.05%條件，則As=ρminbh=0.05%× 1000×4500=2250mm2配筋。

（2）例2。一軸心受壓柱，承受軸向壓力設(shè)計(jì)值N= 9000kN；采用C20級(jí)混凝土和HRB335級(jí)鋼筋；柱計(jì)算高度L0=7m；試分別求柱截面尺寸為b×h=1.0m×1.0m及2.0m×2.0m時(shí)的受壓鋼筋面積。

解：①當(dāng)b×h=1.0m×1.0m時(shí)，軸心受壓柱承載力公式為：

L0／b＝7＜8，屬于短柱，穩(wěn)定系數(shù)φ=1.0，

由規(guī)范表9.5.1項(xiàng)次2查得ρ0min=0.6%，對(duì)一般構(gòu)件，應(yīng)按ρ0min配筋，As=ρ0min×A=0.6%×106=6000mm2

② 當(dāng)b×h=3.0m×3.0m時(shí)，若仍按一般構(gòu)件配筋，則As=0.6%×3.0×3.0×106=54000mm2

現(xiàn)因構(gòu)件尺寸已較大，按式（2）計(jì)算最小配筋：

討論：對(duì)大截面尺寸構(gòu)件，采用規(guī)范中9.5.3計(jì)算的可變的ρmin比采用規(guī)范中表9.5.1所列的固定的ρ0min可節(jié)省大量鋼筋，本例為7313/54000=1∶7.38。

3 結(jié) 語

規(guī)范對(duì)最小配筋率作了三個(gè)層次的規(guī)定：

（1）對(duì)一般尺寸的梁、板、墻、柱構(gòu)件必須遵循規(guī)范中表9.5.1的規(guī)定。

（2）對(duì)于臥置在地基上以承受豎向荷載為主、板厚大于2.5m的底板，當(dāng)按受彎承載力計(jì)算得出的縱向受拉鋼筋配筋率ρ小于規(guī)范中表9.5.1項(xiàng)次1規(guī)定的最小配筋率ρ0min時(shí)，計(jì)算縱向受拉鋼筋最小截面面積As，則可按規(guī)范中9.5.2式計(jì)算。

（3）厚度大于2.5m的墩墻，當(dāng)按承載力計(jì)算得出的豎向鋼筋的配筋率小于規(guī)范中表9.5.1規(guī)定的最小配筋率時(shí)：

●當(dāng)墩墻按大偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算得出的墩墻一側(cè)的豎向受拉鋼筋A(yù)s的配筋率小于規(guī)范中表9.5.1項(xiàng)次3規(guī)定的最小配筋率ρ0min時(shí)，受拉鋼筋A(yù)s的最小截面面積可按式（1）計(jì)算，但式中M用Ne’替代，N為墩墻承受的軸向壓力設(shè)計(jì)值，e’為軸向壓力至受壓區(qū)混凝土合力點(diǎn)的距離。

●當(dāng)墩墻按軸心受壓或小偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算的全部豎向鋼筋的配筋率小于規(guī)范中表9.5.1項(xiàng)次2規(guī)定的最小配筋率ρ0min時(shí)，全部豎向鋼筋的最小截面面積As’可按式（2）計(jì)算，但不小于截面面積的0.04%（或一側(cè)不小于0.02%）：

對(duì)于截面尺寸由抗傾、抗滑、抗浮或布置等條件確定的厚度大于5m的結(jié)構(gòu)構(gòu)件則可按規(guī)范9.5.3處理。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體情況分別對(duì)待。

為慎重考慮，目前僅建議對(duì)臥置于地基上的底板和墩墻可采用變化的最小配筋率，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)，則仍建議采用規(guī)范中表9.5.1所列的最小配筋率計(jì)算，以避免因配筋過少，發(fā)生裂縫無法抑制的情況。

經(jīng)驗(yàn)算，按所建議變化的最小配筋率配筋，其最大裂縫寬度在容許范圍內(nèi)。對(duì)于處于惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu)，為控制裂縫不過寬，宜將本規(guī)范中表9.5.1所列受拉鋼筋最小配筋率提高0.05%。大體積構(gòu)件的受壓鋼筋按計(jì)算不需配筋時(shí)，則可僅配構(gòu)造鋼筋。

設(shè)計(jì)人員要用價(jià)值工程的原理來進(jìn)行設(shè)計(jì)方案分析，要以提高價(jià)值為目標(biāo)，以功能分析為核心，以系統(tǒng)觀念為指針，以總體效益為出發(fā)點(diǎn)。不能片面強(qiáng)調(diào)節(jié)約投資，設(shè)計(jì)中既要反對(duì)片面強(qiáng)調(diào)節(jié)約，忽視技術(shù)上的合理要求，使工程項(xiàng)目達(dá)不到功能要求，又要反對(duì)只重視技術(shù)、輕經(jīng)濟(jì)比較、設(shè)計(jì)保守浪費(fèi)的現(xiàn)象，從而真正地達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。