浅析水工大体积少筋混凝土结构的配筋设计方法

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1、浅析水 工大体积少筋 混凝土结构的 配筋设计方法胡国平南昌大 学建 筑工 程学 院， 南昌（ 330031）E-mail： 摘 要 : 目 前 水 利 系 统 的 水 利 水 电 工 程 的 推 荐 性 标 准 为 水 工 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 (SL191-2008) (以下 简称规范 )，规范在最小 配筋率上较之原规 范有些许差别。本文针对 大 体积的水 工建筑 物中少 筋 混凝土结 构的特 殊性 ,结 合 现行规范 ,介绍相 关设计 规 定，分析 了规 范中少 筋混 凝土 结构 的设 计思想 和指 导原 则 ,并举 例 验证 ， 以 便在类 似结 构设 计时可 以参 考，并

2、指出 只要 设计 计算 方法 选择恰 当， 就能 设计 出最 佳的少 筋混 凝土 结构 方案 。关键词 ：设 计规 范； 素混 凝土； 适筋 混凝 土； 少筋 混凝土 ；最 小配 筋率大体积 混凝 土 的 定义 是根 据几何 尺寸 尤其 是根 据厚 度定义 的， 国际 上一 般采 用 0.8m1m 作为界限 。一 般来 说， 基础底 板混 凝土 最小 尺寸 6007 50 ； 架空 板结 构 最小尺 寸8001 000 ； 水化 热引 起砼内 的最 高温 度与 外界 气温之 差， 预计 超 过 25的砼， 称为 大 体积混 凝土 1。 水工 混凝土 多数为 大体 积混 凝土 ， 对于 这类结

3、构对 强度 要求 则往 往不是 很高 。 在一般 水工 建筑 物中 ,如 闸 墩、闸 底板 、水 电站 厂房 的挡水 墙、 尾水 管、 船坞 闸室等 ，在 外力作用 下一 方面 要满 足抗 滑、 抗 倾覆 的稳 定性 要求 ， 结构 应有 足够 的自 重； 另一方 面还 应满 足强度 、 抗 渗、 抗 冻等 要 求， 不 允许 出现 裂缝， 因 此结构 的尺 寸比 较大 。 若 按钢筋 混凝 土结 构设计 ， 常 需配 置较 多的 钢筋而 造成 浪费 ， 若 按素 混凝土 结构 设计 ， 则 又因 计算所 需截 面较 大， 需 使用 大量 的混 凝土 ， 若采 用固 定的 最小 配筋 率， 就

4、 会造 成在 同样 的荷 载条件 下截 面尺 寸越大 ， 配筋 越多 的现 象 ， 对 于这 类结 构 ， 如 在混 凝土中 配置 少量 钢筋 ， 在 满足稳 定性 的要 求下， 考虑 此少 量钢 筋对 结构强 度安 全方 面所 起的 作用， 就能 减少 混凝 土用 量， 从 而达 到经 济和安 全的 要求 。少筋混 凝土 结构 是指 配筋 率低于 普通 钢筋 混凝 土结 构的最 小配 筋率 ， 介 于素 混 凝土结 构 和钢筋 混 凝 土结 构之 间的 一种少 量配 筋的 结构 ， 也 称为弱 筋混 凝土 结构 2。 这 类结构 在水 利 工程设 计 中 是难 于避 免的 ，有时 它在 某些

5、 水工 混凝 土工程 结构 中处 于制 约设 计的重 要地 位 。 从逻辑 概 念 讲， 只要 允许 素混 凝 土结 构的 存在 ， 必 定会有 少筋 混凝 土结 构的 应用范 围， 因为 它毕竟 是 素 混凝 土和 适筋 混凝土 结构 之间 的中 介产 物， 关 于少 筋混 凝土 结构 的 设计思 想和 原 则， 我 国 水 工混 凝土 结 构设 计 规范 ( SL191-2008)作了明 确的 规定， 设计 规 定体现 在最 小 配筋率 规 定 上。1. 规范对少筋混 凝 土结构的设计方 法 规定 3对少筋 混凝 土结 构的 设计 规定体 现在 最小 配筋 率规 定上， 这里 将 水工 混

6、凝 土 结构设 计 规范( SL191-2008)有关最 小配筋 率的 规定 ，摘 录并 阐述如 下：1.1 一般钢筋 混凝土构件的纵向 受力钢筋最小配筋率规范 9.5.1 条规 定： 一般 钢 筋混凝 土构 件的 纵向 受力 钢筋的 配筋 率不 应小 于规 范表 9.5.1 规定的 数值 (见表 1)。 若温 度、收 缩等 因素 对结 构产 生的影 响较 大时 ，最 小配 筋率应 适当 增 大。与 水 工钢 筋混 凝土 结构设 计规 范 (SDJ20-78) (以下简 称老 规范) 比较 有些 许改动 ：1) 不再采 用 老 规范 的“ 混凝 土 强度 越 高 ， 所 需最小 配筋 量反而

7、越多 ”的 不合 理规 定 ， 改 为按 钢筋 强度分 档 ， 强度 高的 钢筋 其最小 配筋 量可 适当 减小 ； 2） 对受 压更 为有 利的 偏 拉构件 ，不 再 规定其 受 压 钢筋 的最 小配 筋率； 3） 偏压 构件 的受 拉 及受压 钢筋 取相 同的 最小 配筋率 ； 4）00yy分别按 构件 的受 力性 质和 截面特 性取 不同 的 min 。表 1 钢筋混凝土构件纵向受 力钢筋基本最小配筋率 0min钢筋种类项次 分类 HPB235 级 HRB335 级 HRB400 级、RRB4 00 级受弯或偏心受拉构件受拉钢筋1梁 0.25 0.20 0.20板 0.20 0.15 0

8、.152 轴心受压柱的全部纵向钢筋 0.60 0.60 0.55偏心受压构件受拉或受压钢筋柱 0.25 0.20 0.203墙 0.20 0.15 0.151.2 截面厚度 很大的（底板、墩 墙）构件纵向钢筋最小 配筋率为避免 采用 固定 的最 小配 筋率后 ， 造 成在 同样 荷载 条件下 截面 尺寸 越大 ， 配 筋越多 的 现 象， 建 议对 截面 尺寸 较大 的底 板 和墩 墙采 用变 化的 min 。 规范 9.5.2 条 规定： 截面 尺寸较 大的底板 一类 结构 ， 其 最小 配 筋率可 由钢 筋混 凝土 构件 纵向受 力钢 筋基 本最 小配 筋率所 列的 基本最小 配筋 率乘

9、以截 面设 计值与 截面 极限 承载 力之 比得出 。 即 ： 对 受弯 构件 （ 底板 ） 或 大 偏 心受压 构件 （墩 墙） 的受 拉钢 筋 As 的最 小配 筋率 可 取为： d Mmin = 0 min ( )M umin 也可以 按下 列公 式 计算： = d M底板 min 0 min ( bh2 f )墩墙 = ( d Ne0 )min 0 min bh2 f式中 M、 N截面 弯 矩、轴 向力 设计 值；M 、 M u 截面 实际 能 承受的 极限 受弯 承载 力、 极限受 压承 载力 ； d 钢 筋混 凝土 结 构的结 构系 数；e0 轴 向力 N至截 面重心 的距 离；0

10、min 基 本最 小配 筋 率，按 表一 取用 。 此时， 底板 的受 压钢 筋可 不受最小配 筋率 限制 ， 当 按上式 算出 的 min 大于 0min 时，则仍取 min = 0min 。规范 9.5.3条 规定 ：对 轴心 受压或 小偏 心受 压墩 墙结 构的受 压钢 筋 As的最小 配 筋率 min 可由基 本最 小配 筋率 0min 乘以 截面轴 向压 力设 计值 与截 面受压 极限 承载 力之 比得出，即 ：02yc d N min = 0 min ( )Nu按上式 计算 最小 配筋 率时 ，由于 此时 截面 最终 配筋 量尚不 知道 ，其 截面 实际 的极限 承 载力 Nu 不

11、能直 接求 出， 需先 假定一 个配 筋量 经 2 3次 试算 才 能得 出。采用上 述计 算方 法计 算钢 筋用量 ，当 构件 的截 面尺 寸增大 时， 用钢 量始 终保 持在同 一水平上 。1.3 厚度大 于 5m 的构件的最 小 配筋用量规范规 定 ： 对 于截 面尺 寸 由抗倾 、 抗滑 、 抗 浮或 布 置等条 件确 定的 厚度 大 于 5m 的结构 构件， 如经 论证 ， 其纵 向 受拉钢 筋也 可不 受最 小配 筋率的 限制 ， 钢 筋截 面面 积按承 载力 计算 确定， 但 每 米宽 度内 的钢 筋截面 面积 不得 小 2500mm2。综上所 述， 规范 对最 小配 筋率作 了

12、 3 个层 次的 规定 ， 即对 一般 尺寸 的梁、 柱 构件必 须遵 循规范 表 9.5.1 的规 定； 对 于截面 厚度 较大 的板 、 墙 类结构 ,则 可按 规范 9.5.2 和规 范 9.5.3 计算最小 配筋 率 ； 对 于截 面 厚度大 于 5m 的结 构构 件 则可按 规范 中的 规定 处理 ， 设 计时 可根 据具体情 况分 别对 待。 规范 同时建 议对 卧置 于地 基上 的底板 和墩 墙可 采用 变化 的 min ，对 于 其他结 构， 则仍 建议 采用 规范 表 9.5.1 所 列的 基本 最 小配筋 率计 算， 以避 免因 配筋过 少， 万 一发生 裂缝 就无 法抑

13、制的 情况。 经验 算， 按所 建议 的变化 的 min 配筋， 其最 大裂 缝宽度 基本上在 容许 范围 内 4，对 于温 度 、收 缩等 因素 对结 构影响 较大 时， 宜将 本规 范表 9.5.1 所列受拉钢 筋最 小配 筋率 适当 增大， 大体 积构 件的 受压 钢筋按 计算 不需 配筋 时， 则可仅 配构 造 钢 筋。2. 应用举例例 1: 某 一闸 室 底 板， 板厚 2m，采用 C20级 混凝 土和 HRB335级钢筋 ，每 米板 宽 承受弯 矩设计 值 M =350kNm(已包 含 0 、 系数 在内 )，试 配置 受拉 钢 筋 As。解 : (1) 取 1m板宽 ,按受 弯

14、构件承 载力 公式 计算 受拉 钢筋截 面面 积 As。设 As单排 ， a=50mm, h0 = h a = 2000 50 = 1950mm , fc = 10 N mm ，f = 300 N mm2 ，则： M 1.2 350 106 = d = = 0.011045 ；s bh2 f 1000 19502 10 = 1 1 2 s = 1 1 2 0.011045 = 0.011107 ；As = fc bh0f y= 10 0.011107 1000 1950 = 721.955mm2 ；300计算配 筋率 = Asbh0= 721.9551000 1950 = 0.0370% 。(2)如按一 般板 构件 考虑 ,则 必须满 足 0min 条件， 查规 范表 9.5.1得 0min = 0.15% ,则2As = 0min bh0 = 0.15% 1000 1950 = 2925mm 。