水工非桿系結(jié)構(gòu)配筋方法的研究與實(shí)踐

洪 偉 倪言波 秦忠國 曾斯亮

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 蚌埠 233001）

水工非桿系結(jié)構(gòu)配筋方法的研究與實(shí)踐

洪 偉1倪言波1秦忠國2曾斯亮1

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 蚌埠 233001）

水工結(jié)構(gòu)大都為厚體非桿系結(jié)構(gòu)，如采用以往的經(jīng)典鋼筋混凝土內(nèi)力配筋理論，很難滿足截面實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)要求，針對(duì)水工結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)并結(jié)合新規(guī)范的應(yīng)力配筋理論，對(duì)水工非桿件結(jié)構(gòu)在有限元應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用規(guī)范的應(yīng)力配筋方法，符合結(jié)構(gòu)的受力本質(zhì)，滿足結(jié)構(gòu)安全度要求。

非桿系結(jié)構(gòu) 極限內(nèi)力狀態(tài)法 應(yīng)力配筋法 里運(yùn)河楚州控制工程

1 引言

隨著電子計(jì)算機(jī)和有限元法的應(yīng)用，數(shù)值計(jì)算有限元法作為一種精細(xì)的力學(xué)分析法，逐漸地運(yùn)用于非桿系結(jié)構(gòu)，從而取代以往對(duì)非桿系結(jié)構(gòu)在簡化基礎(chǔ)上的解析計(jì)算法。運(yùn)用計(jì)算機(jī)作為手段的數(shù)值計(jì)算方法使非桿件結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)力更符合其實(shí)際受力狀態(tài)下的應(yīng)力。針對(duì)非桿件結(jié)構(gòu)截面的應(yīng)力分布特征，要求配筋計(jì)算理論采用應(yīng)力配筋法與之相協(xié)調(diào)。本文對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算理論與相應(yīng)的配筋方法進(jìn)行了論述，并通過對(duì)淮安市里運(yùn)河楚州控制工程節(jié)制閘底板的結(jié)構(gòu)計(jì)算與配筋設(shè)計(jì)過程的分析，說明了應(yīng)力法配筋在水工非桿系結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算理論演變及適用條件

解析法作為一種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法是建立在一定的假設(shè)條件基礎(chǔ)之上的，并由此建立了結(jié)構(gòu)內(nèi)力與外力的解析關(guān)系，通過求解方程（或方程組），得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力、變形。解析法主要適用于線彈性材料、小變形桿系結(jié)構(gòu)，在這些條件的基礎(chǔ)上易于建立結(jié)構(gòu)內(nèi)力與外力的解析關(guān)系，且易于求解解析方程。對(duì)于非桿系結(jié)構(gòu)，很難建立結(jié)構(gòu)整體的受力解析關(guān)系，即使建立，但由于是復(fù)雜的偏微分方程，導(dǎo)致無法求解。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，基于有限元理論的數(shù)值解法運(yùn)用而生，有限元理論的數(shù)值解法是應(yīng)用能量原理（或變分原理）將單元體的偏微分方程組轉(zhuǎn)化為矩陣形式的線性方程組，利用電子計(jì)算機(jī)求解矩陣方程，從而得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力、變形。數(shù)值法的適用范圍很廣，除了桿系結(jié)構(gòu)外，還可求解實(shí)體結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)、異形結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、材料非線形結(jié)構(gòu)以及大變形結(jié)構(gòu)，甚至復(fù)合結(jié)構(gòu)嵌入體系均可以解決，而且可以準(zhǔn)確地求出截面的應(yīng)力、應(yīng)變。

3 經(jīng)典結(jié)構(gòu)配筋理論的實(shí)質(zhì)及條件

3.1 經(jīng)典結(jié)構(gòu)配筋理論的實(shí)質(zhì)

經(jīng)典的結(jié)構(gòu)配筋理論是采用概率理論的極限內(nèi)力狀態(tài)法，確保KS≤R（內(nèi)力≤抗力）。分析內(nèi)力和抗力的計(jì)算方法可知：結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要是采用經(jīng)典的解析法理論計(jì)算出來的，這種條件下，截面的變形是按平截面假定；結(jié)構(gòu)的抗力是在對(duì)桿件體系破壞過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用破壞階段法，得出了各種極限狀態(tài)下截面拉區(qū)應(yīng)力（由鋼筋承擔(dān)）和壓區(qū)應(yīng)力（由混凝土或混凝土和鋼筋共同承擔(dān)）組合的彎矩（或剪力、軸力、扭矩）抗力，由此推導(dǎo)出桿系結(jié)構(gòu)各種受力（彎、剪、扭，或復(fù)合受力）模型下結(jié)構(gòu)的配筋理論計(jì)算公式，通過公式求解鋼筋量。破壞階段截面的混凝土和鋼筋的材料應(yīng)力按下列方法確定：

混凝土只計(jì)壓應(yīng)力，壓應(yīng)力與應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系為：

鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型：

3.2 經(jīng)典結(jié)構(gòu)配筋理論的適用條件

從以上經(jīng)典結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算理論分析可知，經(jīng)典結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算理論適用于桿系結(jié)構(gòu)，因?yàn)闂U系結(jié)構(gòu)受力變形截面變形可按平截面假定考慮，其次截面混凝土應(yīng)力圖形和鋼筋應(yīng)力圖形可分別概化為公式（1）～（4）。

而以上兩個(gè)條件，非桿系結(jié)構(gòu)受力后均不符合。

4 結(jié)構(gòu)配筋理論的改進(jìn)

對(duì)于非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191—2008），其鋼筋用量可由彈性理論分析方法求得的彈性主拉應(yīng)力圖形面積確定。

方法：按主拉應(yīng)力在配筋方向的投影圖形的總面積計(jì)算鋼筋截面積As（見圖1），并應(yīng)符合下式要求：

式中：K——承載力安全系數(shù)；

fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

T——由鋼筋承擔(dān)的拉力設(shè)計(jì)值，T=ωb；

ω——截面主拉應(yīng)力在配筋方向投影圖形的總面積扣除其中拉應(yīng)力值小于0.45ft后的面積圖形，但扣除部分的面積不宜超過主拉應(yīng)力總面積的30%；

b——結(jié)構(gòu)截面寬度。

鋼筋的配置方式應(yīng)根據(jù)應(yīng)力圖形及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)確定。當(dāng)配筋主要由承載力控制，且結(jié)構(gòu)具有明顯的彎曲破壞特征時(shí)，受拉鋼筋可集中配置在受拉區(qū)邊緣；當(dāng)配筋主要由裂縫寬度控制時(shí)，鋼筋可在拉應(yīng)力較大范圍內(nèi)分層布置，各層鋼筋的數(shù)量與拉應(yīng)力圖形的分布相對(duì)應(yīng)。

圖1 按彈性應(yīng)力圖配筋

5 應(yīng)力配筋法的實(shí)踐

以淮安市里運(yùn)河楚州控制工程節(jié)制閘底板結(jié)構(gòu)計(jì)算及配筋說明應(yīng)力法配筋的設(shè)計(jì)過程。

5.1 工程簡介

淮安市里運(yùn)河楚州控制工程為閘站橋三結(jié)合方案，閘底板與兩側(cè)邊墩均采用空箱結(jié)構(gòu)。節(jié)制閘與泵站并列布置，節(jié)制閘閘室為開敞式平底板結(jié)構(gòu)，1孔，閘孔凈寬為30m，底板順?biāo)鞣较蜷L34m，閘底板厚3.8m，閘室兩側(cè)布置液壓啟閉機(jī)及其配套電氣設(shè)備。閘門采用底軸驅(qū)動(dòng)下翻門，共計(jì)1扇，相應(yīng)配置2臺(tái)QPPYⅠ－3200kN液壓啟閉機(jī)和一套電氣及自動(dòng)化設(shè)備。

5.2 結(jié)構(gòu)分析

采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)節(jié)制閘底板及閘墩結(jié)構(gòu)整體建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)摘錄底板跨中應(yīng)力云圖進(jìn)行分析如下。

根據(jù)節(jié)制閘底板應(yīng)力云圖，選擇順?biāo)飨蜃畈焕纳嫌味?.5m處進(jìn)行斷面配筋計(jì)算。將應(yīng)力云圖轉(zhuǎn)化為該斷面的應(yīng)力圖，如圖2。

圖2 節(jié)制閘上游端（0.5m處）斷面應(yīng)力圖

5.3 配筋設(shè)計(jì)

6 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論發(fā)展迅速，但對(duì)結(jié)構(gòu)配筋理論的研究和運(yùn)用卻顯得滯后。運(yùn)用應(yīng)力圖形進(jìn)行配筋法來解決水工非桿件結(jié)構(gòu)的承載狀態(tài)配筋是一種行之有效的方法，但仍需進(jìn)一步研究其正常使用條件下的配筋設(shè)計(jì)問題，使配筋體系逐步完善■