中美規(guī)范溝道設(shè)計(jì)對比

(中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

1 概述

目前國家推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)暨國際產(chǎn)能和裝備制造合作，要求央企緊密結(jié)合“一帶一路”建設(shè)積極推動國際產(chǎn)能合作，促進(jìn)形成優(yōu)進(jìn)優(yōu)出格局和新一輪高水平對外開放。華北電力設(shè)計(jì)院有限公司緊跟國家“一帶一路”建設(shè)和國際產(chǎn)能合作戰(zhàn)略導(dǎo)向，積極踐行國際優(yōu)先戰(zhàn)略，牢牢把握發(fā)展機(jī)遇，持續(xù)鞏固和拓展國際戰(zhàn)略布局，堅(jiān)持國際業(yè)務(wù)多元化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了國際業(yè)務(wù)的持續(xù)健康發(fā)展，隨著國際項(xiàng)目的增加，設(shè)計(jì)也跟國際接軌，越來越多地采用美標(biāo)、歐標(biāo)等，沙特吉贊JIGCC取排水口項(xiàng)目就采用了美標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

沙特吉贊JIGCC取排水口項(xiàng)目是阿美石油公司為吉贊經(jīng)濟(jì)城的大型發(fā)電廠所招標(biāo)的取排水口的項(xiàng)目，位于吉贊海邊。JIGCC海水系統(tǒng)設(shè)計(jì)海水供應(yīng)能力為501000 m3/h，用于供應(yīng)電廠和煉化廠，使用新建人工湖用于儲存供水并最終將水排到大海，并使用了次氯酸鈉加藥系統(tǒng)用于防止生物污染。該項(xiàng)目的合同類型為集詳細(xì)設(shè)計(jì)、材料采購和施工于一體的總價(jià)交鑰匙合同，華北院承擔(dān)了包括取水水道(Intake Canal)、重載道路跨越橋(Heavy Haul Bridge)、取水格柵系統(tǒng)(Inlet Screens)、取水泵站(Inlet Pumpstation)、取水渠及溢流槽(Intake Channel and Bypass Channel)、 蓄 水湖 (Inplant Lagoon)、集水池(Collection Basin)、排水溝渠及雨水溝(Discharge channel and Stormwater conveyance system)、出水口結(jié)構(gòu)(Outfall Tank and Structure)等。項(xiàng)目中溝道較多，下面將以取水渠(Intake Channel)的一個(gè)典型斷面為例，對比國標(biāo)和美標(biāo)條件下的溝道設(shè)計(jì)。

圖1 取水渠(Intake Channel)斷面示意圖

圖1是取水渠(Intake Channel)的一個(gè)斷面示意圖，溝道側(cè)壁及中間隔墻高度4.75 m，壁厚400mm，最大填土高度3.75 m，最大內(nèi)水深度4.696 m，底板厚度0.6 m，長度23.2 m。

2 混凝土及鋼筋

2.1 混凝土

取水渠采用的混凝土強(qiáng)度等級為5000 psi(約 35 MPa，1 psi=6.894757 kPa)，這是根據(jù)沙特阿美公司工程標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范SAESQ－001選取的，沙特規(guī)范基本上是引用美標(biāo)，在實(shí)際的計(jì)算過程中都是按美標(biāo)的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。不同于國標(biāo)中按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定混凝土強(qiáng)度等級，美標(biāo)中混凝土強(qiáng)度采用的是圓柱體抗壓強(qiáng)度，這里混凝土強(qiáng)度等級5000 psi混凝土基本對應(yīng)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB 50010中的C40混凝土。除5000 psi外，混凝土美標(biāo)中經(jīng)常用到的混凝土強(qiáng)度等級還有3000 psi、4000 psi、6000 psi，分別相當(dāng)于國標(biāo)中強(qiáng)度等級為C25、C35、C50的混凝土。

表1 美標(biāo)和國標(biāo)中混凝土強(qiáng)度等級對應(yīng)關(guān)系及抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

取水渠所處的環(huán)境為海岸環(huán)境，內(nèi)壁接觸海水，如果按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB 50010，環(huán)境類別按表3.5.2 混凝土結(jié)構(gòu)的來分類，環(huán)境等級應(yīng)為三b或四，按表3.5.3結(jié)構(gòu)混凝土材料的耐久性基本要求，環(huán)境等級應(yīng)為三b時(shí)混凝土的最低強(qiáng)度等級為C40。

取水渠的內(nèi)壁均采用了海水涂層，外壁不與地下水接觸，采用土體涂層。國內(nèi)對類似的處于三類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也規(guī)定了采用涂層等增強(qiáng)耐久性的防護(hù)措施；耐久性環(huán)境類別為四類和五類的，耐久性要求還應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，海水環(huán)境可參考現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T 50476，四類環(huán)境可參考現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《港口工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 JTJ 267，五類環(huán)境可參考現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》。

2.2 鋼筋

取水渠采用鋼筋級別為60級的鋼筋，鋼筋強(qiáng)度為fy=420 MPa(60000 psi)，與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010中的HRB400級鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(fyk=400 MPa)接近，但國標(biāo)配筋計(jì)算中鋼筋強(qiáng)度用的是設(shè)計(jì)值，HRB400級鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fy=360 MPa，鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料分項(xiàng)系數(shù)γs，除高強(qiáng)度500 MPa級鋼筋γs取1.15外，其他延性較好的熱軋鋼筋γs取1.10，美標(biāo)配筋計(jì)算中直接取屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值而不需要除以材料分項(xiàng)系數(shù)。美標(biāo)中除60級鋼筋外，還有級別為40級、75級、80級的鋼筋，其鋼筋強(qiáng)度分別為40000 psi(280 MPa)、75000 psi(520 MPa)、80000 psi(550 MPa)。

國內(nèi)鋼筋的公稱直徑(單位mm)有6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、50等， 而 在 美 標(biāo) ASTM A615/A615M－2013中主要有10、13、16、19、22、25、29、32、36、43、57號鋼筋，對應(yīng)的公稱直徑(單位mm)分別為9.5、12.7、15.9、19.1、22.2、25.4、28.7、32.3、35.8、43.0、57.3。 在做國外項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場的材料采購溝通，確定可以采購到的鋼筋直徑，因?yàn)閲獾那闆r與國內(nèi)不同，很可能有些直徑的鋼筋采購不到，而且公稱直徑與國內(nèi)不同，也有可能與美標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)直徑不同，沙特項(xiàng)目中用到的鋼筋與國內(nèi)類似，但有些直徑的沒有。及時(shí)良好的溝通能避免不必要的時(shí)間消耗，節(jié)省設(shè)計(jì)人員的時(shí)間和精力，加快出圖進(jìn)度。

在沙特項(xiàng)目中，鋼筋采用的是環(huán)氧樹脂涂層鋼筋，需要注意的是，訂購鋼筋后，需要監(jiān)理在加工現(xiàn)場確認(rèn)對應(yīng)采購鋼筋的加工是合格的，方可進(jìn)場使用，如果后面對鋼筋的需求情況有變化，這些鋼筋將不能直接用于其他項(xiàng)目，因此在鋼筋大量采購后如果圖紙有升版，最好不要改變所用鋼筋的直徑，盡量調(diào)整間距，以免造成浪費(fèi)。

國內(nèi)項(xiàng)目中，對處在三類環(huán)境中的混凝土構(gòu)件，也需采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋、其他具有耐腐蝕性能的鋼筋、阻銹劑、采取陰極保護(hù)措施或采用可更換的構(gòu)件等措施以滿足耐久性技術(shù)要求。

由于取水渠與海水接觸，根據(jù)沙特阿美公司工程標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范SAES－Q－001，鋼筋的最小保護(hù)層厚度為75mm?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB 50010中的表8.2.1 混凝土保護(hù)層的最小厚度c (mm)中，環(huán)境等級三b時(shí)保護(hù)層最小厚度為40mm(板、墻/殼)。美標(biāo)對鋼筋的最小保護(hù)層厚度的要求更高，在美標(biāo)規(guī)范下設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。

3 設(shè)計(jì)荷載

3.1 設(shè)計(jì)荷載類型

在取水渠的結(jié)構(gòu)計(jì)算中，考慮的荷載包括結(jié)構(gòu)自重(后面荷載組合中用D表示)、水壓力(F)、土壓力(H)、地面堆積活荷載(L)、地震動荷載(E)。

除了地震動荷載外，結(jié)構(gòu)自重計(jì)算、水壓力計(jì)算、土壓力計(jì)算等要根據(jù)材料的類型和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，這與國內(nèi)的設(shè)計(jì)是一樣的。下面以側(cè)壁為例，列出側(cè)壁的部分荷載計(jì)算結(jié)果。

地震動荷載包括側(cè)壁的慣性力、水的沖擊荷載、水的對流荷載、動土壓力、豎向動水壓力，這些荷載簡化為集中荷載加在側(cè)壁上。對于國內(nèi)的地下溝道計(jì)算，一般不考慮地震動荷載作用。

側(cè)壁的慣性力計(jì)算主要依據(jù)ACI 350.3－06的公式4-1a計(jì)算：

圖2 水壓力

圖3 土壓力

圖4 地面堆積活荷載

P'W施加位置距離池底的高度為0.5倍的側(cè)壁高度。

水的沖擊荷載主要依據(jù)ACI 350.3－06 的公式4-3計(jì)算：

但上式計(jì)算出來的水的沖擊荷載是整個(gè)水池的沖擊荷載，對每側(cè)的側(cè)壁應(yīng)按1/2Pi施加。Pi施加位置距離池底的高度按ACI 350.3－06的公式9-3及9-4計(jì)算。

圖5 側(cè)壁的慣性力

圖6 沖擊荷載

水的對流荷載主要依據(jù)ACI 350.3－06 的公式4-4計(jì)算：

但式(3)計(jì)算出來的水的沖擊荷載是整個(gè)水池的對流荷載，對每側(cè)的側(cè)壁應(yīng)按1/2Pc施加。Pc施加位置距離池底的高度按ACI 350.3－06的公式9-5計(jì)算。

圖7 對流荷載

豎向地震產(chǎn)生的動水荷載按ACI 350.3－06的公式4-14計(jì)算：

計(jì)算得到的動水荷載(等效靜荷載)為9.518 kN/m，距離池底的高度為1/3的水深，即1.565 m。

動土壓力按Mononobe－Okabe法計(jì)算：

其中PA為主動土壓力：

地震產(chǎn)生的動土壓力計(jì)算結(jié)果(等效靜荷載)為PE=10.278 kN/m，距離池底的高度為0.6倍的填土高度(2.25 m)，對側(cè)壁的彎矩為23.125 kN·m/m。而主動土壓力的計(jì)算合力為為Pa=40.513 kN/m，距離池底的高度為1/3的填土高度(1.25 m)，對側(cè)壁的彎矩為50.641 kN·m/m。動土壓力的彎矩與主動土壓力對側(cè)壁的彎矩比值為0.457。

上面計(jì)算的各地震動荷載應(yīng)按SRSS組合，計(jì)算出總的地震動荷載，包括合力和彎矩。

3.2 荷載組合

在取水渠的結(jié)構(gòu)計(jì)算中，美標(biāo)中考慮的荷載組合見表2。

表2 美標(biāo)中考慮的荷載組合

而按國標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，對側(cè)壁的結(jié)構(gòu)計(jì)算，一般對外側(cè)配筋按有土無水工況，將土壓力按恒載取1.35的系數(shù)，地面堆積活荷載按活荷載取1.4的系數(shù)進(jìn)行組合，對于內(nèi)側(cè)配筋，水壓力按恒載取1.35的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

對于底板計(jì)算，國內(nèi)一般按池壁處作為支點(diǎn)的連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，而在沙特項(xiàng)目中是不被接受的，在計(jì)算中可以用MIDAS等國際上認(rèn)可的軟件模擬計(jì)算，得出最大彎矩和剪力值，然后進(jìn)行配筋計(jì)算。

3.3 穩(wěn)定安全驗(yàn)算

與國內(nèi)項(xiàng)目類似，美標(biāo)中也要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全驗(yàn)算，包括抗滑、抗傾覆、抗浮驗(yàn)算等，但安全系數(shù)的要求不同，如抗滑移安全系數(shù)國內(nèi)要求1.3，在沙特項(xiàng)目中為1.33；抗傾覆安全系數(shù)國內(nèi)要求1.6，在沙特項(xiàng)目中為1.5。

4 配筋計(jì)算

4.1 正截面配筋計(jì)算

在按國標(biāo)進(jìn)行配筋計(jì)算時(shí)，對于承載能力極限狀態(tài)，采用的設(shè)計(jì)表達(dá)式是γ0Sd≤Rd，其中γ0是結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對不同的安全等級取值不同。而在美標(biāo)中，設(shè)計(jì)時(shí)采用的是折減系數(shù)φ，正截面受彎計(jì)算中受拉鋼筋φ=0.9，在抗剪計(jì)算中取φ=0.75。

在按美標(biāo)計(jì)算配筋時(shí)，首先根據(jù)平衡方程求解初步的配筋面積：

初選鋼筋，并應(yīng)使配筋面積應(yīng)滿足ACI 350M－06中10.5.1章節(jié)中規(guī)定的最小配筋率要求。然后驗(yàn)算截面承載力，根據(jù)下面公式計(jì)算鋼筋應(yīng)力：

按選取的鋼筋直徑和間距，根據(jù)ACI 350M－06中公式10-5計(jì)算鋼筋允許的最大應(yīng)力，若大于上面算出的鋼筋應(yīng)力，則進(jìn)一步驗(yàn)算鋼筋間距，按ACI 350M－06中公式10-7計(jì)算鋼筋最大間距。這與國標(biāo)按裂縫控制鋼筋有所不同。

4.2 配筋結(jié)果對比

按美標(biāo)計(jì)算出的取水渠側(cè)壁內(nèi)側(cè)配筋為直徑20的鋼筋，間距110mm，而用理正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具箱軟件 7.0PB3 計(jì)算時(shí)，若采用相同的配筋，最大裂縫0.318mm，大于0.200mm的限值，若按裂縫控制鋼筋，配筋為直徑20的鋼筋時(shí)，間距77mm，配筋面積大于美標(biāo)算出的結(jié)果。但實(shí)際上，這是按裂縫控制鋼筋的配筋結(jié)果，若只看按平衡方程算出的配筋面積，國標(biāo)算出的配筋面積是2259mm2，美標(biāo)算出的配筋面積是2195mm2，還是比較接近的。

按美標(biāo)計(jì)算出的取水渠側(cè)壁內(nèi)側(cè)配筋為直徑14的鋼筋，間距110mm，而用理正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具箱軟件 7.0PB3 計(jì)算時(shí)，若采用相同的配筋，最大裂縫0.127mm，滿足要求。若只看按平衡方程算出的配筋面積，國標(biāo)算出的配筋面積是1202mm2，美標(biāo)算出的配筋面積是1314mm2，也是比較接近的。

5 國外工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在沙特吉贊JIGCC取排水口項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，業(yè)主方要求提供的不僅有施工圖，還有詳細(xì)規(guī)范的計(jì)算書。在國內(nèi)按國標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算書是不需要提交業(yè)主和設(shè)計(jì)監(jiān)理審查的，但在沙特項(xiàng)目中，計(jì)算書跟圖紙需要同時(shí)提交審查，且對計(jì)算書要求很高，如計(jì)算中采用的公式需要列出引用的規(guī)范條款，計(jì)算采用的軟件必須是國際上認(rèn)可的軟件。施工圖及計(jì)算書一般要多次提交審查，如第一次提交審查(ISSUED FOR REVIEW)、第二次提交審查(ISSUED FOR SECOND CHECK)等，每次都會提出修改意見，需要設(shè)計(jì)人員與評審人員溝通閉合意見。當(dāng)回復(fù)閉合意見后才能出下一階段版本，直至最后意見閉合才可以出版作為施工依據(jù)的施工圖(ISSUED FOR CONSTRUCTION)。后續(xù)過程中，若施工監(jiān)理和業(yè)主提出合理的修改意見，圖紙還需要進(jìn)一步升版。

相比國內(nèi)工程設(shè)計(jì)而言，國際工程施工圖修改過程要繁瑣很多，耗時(shí)較長。沙特工程施工圖要求準(zhǔn)確、詳細(xì)，比如需要將伸縮縫和施工縫的位置詳細(xì)表示在圖紙中，配筋細(xì)節(jié)要考慮伸縮縫和施工縫的影響等。這是因?yàn)楝F(xiàn)場的施工監(jiān)理對施工過程的監(jiān)督相比國內(nèi)嚴(yán)格很多，如果圖紙上沒有表述非常清楚詳細(xì)，施工監(jiān)理往往不允許施工。因此在伸縮縫和施工縫的位置設(shè)計(jì)時(shí)，可綜合考慮現(xiàn)場采購的鋼筋的規(guī)格、長度等，通過優(yōu)化各種結(jié)構(gòu)縫的位置，減少截?cái)噤摻畹睦速M(fèi)。沙特項(xiàng)目中取水渠的長度長達(dá)1600多米，節(jié)省的鋼筋量是很可觀的。