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水工少筋混凝土結構設計方法
水工少筋混凝土結構設計方法 摘要:少筋混凝土結構是指配筋率低于普通鋼筋混凝土結構的最小配筋率、介于素混凝土結構和鋼筋混凝土結構之間的一種少量配筋的結構,簡稱少筋混凝土結構,也稱為弱筋混凝土結構
關鍵詞:水工 少筋 混凝土 結構 設計 方法
一、概述
少筋混凝土結構是指配筋率低于普通鋼筋混凝土結構的最小配筋率、介于素混凝土結構和鋼筋混凝土結構之間的一種少量配筋的結構,簡稱少筋混凝土結構,也稱為弱筋混凝土結構。
這類結構在水利工程設計中是難于避免的,有時,它在某些水工混凝土工程結構中處于制約設計的重要地位。從邏輯概念講,只要允許素混凝土結構的存在,必定會有少筋混凝土結構的應用范圍,因為它畢竟是素混凝土和適筋混凝土結構之間的中介產(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,水工混凝土對強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,結構應有足夠的自重;另一方面,還應滿足強度、抗?jié)B、抗凍等要求,不允許出現(xiàn)裂縫,因此結構的尺寸比較大。若按鋼筋混凝土結構設計,常需配置較多的鋼筋而造成浪費,若按素混凝土結構設計,則又因計算所需截面較大,需使用大量的混凝土。
對于這類結構,如在混凝土中配置少量鋼筋,在滿足穩(wěn)定性的要求下,考慮此少量鋼筋對結構強度安全方面所起的作用,就能減少混凝土用量,從而達到經(jīng)濟和安全的要求。因此,在大體積的水工建筑物中,采用少筋混凝土結構,有其特殊意義。
關于少筋混凝土結構的設計思想和原則,我國《水工混凝土結構設計規(guī)范》(SL/T191—96)作了明確的規(guī)定。
二、規(guī)范對少筋混凝土結構的設計規(guī)定
對少筋混凝土結構的設計規(guī)定體現(xiàn)在最小配筋率規(guī)定上,這里將《水工混凝土結構設計規(guī)范》(SL/T191—96)(下文簡稱規(guī)范)有關最小配筋率的規(guī)定,摘錄并闡述如下:
1.一般構件的縱向鋼筋最小配筋率
一般鋼筋混凝土構件的縱向受力鋼筋的配筋率不應小于規(guī)范表9.5.1規(guī)定的數(shù)值。溫度、收縮等因素對結構產(chǎn)生的影響較大時,最小配筋率應適當增大。
2.大尺寸底板和墩墻的縱向鋼筋最小配筋率
截面尺寸較大的底板和墩墻一類結構,其最小配筋率可由鋼筋混凝土構件縱向受力鋼筋基本最小配筋率所列的基本最小配筋率乘以截面極限內(nèi)力值與截面極限承載力之比得出。即
1)對底板(受彎構件)或墩墻(大偏心受壓構件)的受拉鋼筋As的最小配筋率可取為:
ρmin=ρ0min ()
也可按下列近似公式計算:
底板 ρmin= (規(guī)范9.5.2-1)
墩墻 ρmin= (規(guī)范9.5.2-2)
此時,底板與墩墻的受壓鋼筋可不受最小配筋率限制,但應配置適量的構造鋼筋。
2)對墩墻(軸心受壓或小偏心受壓構件)的受壓鋼筋As’的最小配筋率可取為:
ρ'min=ρ′0min ()
按上式計算最小配筋率時,由于截面實際配筋量未知,其截面實際的極限承載力Nu不能直接求出,需先假定一配筋量經(jīng)2—3次試算得出。
上列諸式中 M、N——截面彎矩設計值、軸力設計值;
e0——軸向力至截面重心的距離,eo=M/N;
Mu、Nu——截面實際能承受的極限受彎承載力、極限受壓承載力;
b、ho——截面寬度及有效高度;
fy——鋼筋受拉強度設計值;
γd——鋼筋混凝土結構的結構系數(shù),按規(guī)范表4.2.1取值。
采用本條計算方法,隨尺寸增大時,用鋼量仍保持在同一水平上。
3.特大截面的最小配筋用量
對于截面尺寸由抗傾、抗滑、抗浮或布置等條件確定的厚度大于5m的結構構件,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)范對最小配筋率作了三個層次的規(guī)定,即對一般尺寸的梁、柱構件必須遵循規(guī)范表9.5.1的規(guī)定;對于截面厚度較大的板、墻類結構,則可按規(guī)范9.5.2計算最小配筋率;對于截面尺寸由抗傾、抗滑、抗浮或布置等條件確定的厚度大于5m的結構構件則可按規(guī)范9.5.3處理。設計時可根據(jù)具體情況分別對待。
為慎重計,目前僅建議對臥置于地基上的底板和墩墻可采用變化的最小配筋率,對于其他結構,則仍建議采用規(guī)范表9.5.1所列的基本最小配筋率計算,以避免因配筋過少,萬一發(fā)生裂縫就無法抑制的情況。
經(jīng)驗算,按所建議的變化的最小配筋率配筋,其最大裂縫寬度基本上在容許范圍內(nèi)。對于處于惡劣環(huán)境的結構,為控制裂縫不過寬,宜將本規(guī)范表9.5.1所列受拉鋼筋最小配筋率提高0.05%。大體積構件的受壓鋼筋按計算不需配筋時,則可僅配構造鋼筋。
三、規(guī)范的應用舉例
例1 一水閘底板,板厚1.5m,采用C20級混凝土和Ⅱ級鋼筋,每米板寬承受彎矩設計值M=220kN/m(已包含γ0、φ系數(shù)在內(nèi)),試配置受拉鋼筋As。
解:1)取1m板寬,按受彎構件承載力公式計算受拉鋼筋截面面積As。
αs= ==0.012556
ξ=1-=1-=0.0126
As===591mm2
計算配筋率ρ= = =0.041%
2)如按一般梁、柱構件考慮,則必須滿足ρ≥ρmin條件,查規(guī)范表9.5.1,得ρ0min=0.15%,
則 As=ρ0bh0=0.15%×1000×1450=2175mm2
3)現(xiàn)因底板為大尺寸厚板,可按規(guī)范9.5.2計算ρmin
ρmin===0.0779%
As=ρminbh0=0.0779%×1000×1450=1130mm2
實際選配每米5Φ18(As=1272mm2)
討論:1)對大截面尺寸構件,采用規(guī)范9.5.2計算的可變的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1:1130/2175=1:0.52。
2)若將此水閘底板的板厚h增大為2.5m,按規(guī)范9.5.2計算的ρmin變?yōu)?
ρmin===0.0461%
則 As=ρminbh0=0.0461%×1000×2450=1130mm2
可見,采用規(guī)范9.5.2計算最小配筋率時,當承受的內(nèi)力不變,則不論板厚再增大多少,配筋面積As將保持不變。
例2 一軸心受壓柱,承受軸向壓力設計值N=9000kN;采用C20級混凝土和I級鋼筋;柱計算高度l0=7m;試分別求柱截面尺寸為b×h=1.0m×1.0m及2.0m×2.0m時的受壓鋼筋面積。
解:1) b×h=1.0m×1.0m時,軸心受壓柱承載力公式為:
N≤φ(fcA+fy′As′)
==7<8,屬于短柱,穩(wěn)定系數(shù)φ=1.0,
As′===3809mm2
ρ′===0.38%
由規(guī)范表9.5.1查得ρ0min′=0.4%,對一般構件,應按ρ0min′配筋
As′=ρ0min′A=0.4%×106=4000mm2
2) b×h=2.0m×2.0m時,若仍按一般構件配筋,則
As′=0.4%×2.0×2.0×106=16000mm2
現(xiàn)因構件尺寸已較大,可按規(guī)范9.5.3計算最小配筋率:
ρmin′=ρ0min′()
式中因?qū)嶋H配筋量As′尚不知,故需先假定As′計算Nu。
①假定As′=4000mm2。
Nu=fy′As′+ fyAs
=210×4000+10×4.0×106=40.84×106 N
ρmin′=ρ0min′()
=0.4%()=0.106%
As′=ρ0min′A=0.106%×4.0×106=4231mm2
②假定As′=4231mm2。
Nu=210×4231+10×4.0×106=40.89×106 N
ρmin′=0.4%()=0.1056%
As′=ρ0min′A=0.1056%×4.0×106=4225mm2
與原假定已十分接近,取As′=4225mm2。
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