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水工少筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
水工少筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 摘要: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),也稱為弱筋混凝土結(jié)構(gòu)
關(guān)鍵詞:水工 少筋 混凝土 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 方法
一、概述
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),也稱為弱筋混凝土結(jié)構(gòu)。
這類(lèi)結(jié)構(gòu)在水利工程設(shè)計(jì)中是難于避免的,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,只要允許素混凝土結(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)常或周期性地受環(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(lèi)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(guó)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T191—96)作了明確的規(guī)定。
二、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》(SL/T191—96)(下文簡(jiǎn)稱規(guī)范)有關(guān)最小配筋率的規(guī)定,摘錄并闡述如下:
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)范表9.5.1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。
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(lèi)結(jié)構(gòu),其最小配筋率可由鋼筋混凝土構(gòu)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(duì)底板(受彎構(gòu)件)或墩墻(大偏心受壓構(gòu)件)的受拉鋼筋A(yù)s的最小配筋率可取為:
ρmin=ρ0min ()
也可按下列近似公式計(jì)算:
底板 ρmin= (規(guī)范9.5.2-1)
墩墻 ρmin= (規(guī)范9.5.2-2)
此時(shí),底板與墩墻的受壓鋼筋可不受最小配筋率限制,但應(yīng)配置適量的構(gòu)造鋼筋。
2)對(duì)墩墻(軸心受壓或小偏心受壓構(gòu)件)的受壓鋼筋A(yù)s’的最小配筋率可取為:
ρ'min=ρ′0min ()
按上式計(jì)算最小配筋率時(shí),由于截面實(shí)際配筋量未知,其截面實(shí)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(shè)計(jì)值、軸力設(shè)計(jì)值;
e0——軸向力至截面重心的距離,eo=M/N;
Mu、Nu——截面實(shí)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值;
γd——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系數(shù),按規(guī)范表4.2.1取值。
采用本條計(jì)算方法,隨尺寸增大時(shí),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(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)范表9.5.1的規(guī)定;對(duì)于截面厚度較大的板、墻類(lèi)結(jié)構(gòu),則可按規(guī)范9.5.2計(jì)算最小配筋率;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。
為慎重計(jì),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)范表9.5.1所列的基本最小配筋率計(jì)算,以避免因配筋過(guò)少,萬(wàn)一發(fā)生裂縫就無(wú)法抑制的情況。
經(jīng)驗(yàn)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(duì)于處于惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu),為控制裂縫不過(guò)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(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。
三、規(guī)范的應(yīng)用舉例
例1 一水閘底板,板厚1.5m,采用C20級(jí)混凝土和Ⅱ級(jí)鋼筋,每米板寬承受彎矩設(shè)計(jì)值M=220kN/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。
αs= ==0.012556
ξ=1-=1-=0.0126
As===591mm2
計(jì)算配筋率ρ= = =0.041%
2)如按一般梁、柱構(gòu)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(jì)算ρmin
ρmin===0.0779%
As=ρminbh0=0.0779%×1000×1450=1130mm2
實(shí)際選配每米5Φ18(As=1272mm2)
討論:1)對(duì)大截面尺寸構(gòu)件,采用規(guī)范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(jì)算的ρmin變?yōu)?
ρmin===0.0461%
則 As=ρminbh0=0.0461%×1000×2450=1130mm2
可見(jiàn),采用規(guī)范9.5.2計(jì)算最小配筋率時(shí),當(dāng)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(shè)計(jì)值N=9000kN;采用C20級(jí)混凝土和I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) b×h=1.0m×1.0m時(shí),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(duì)一般構(gòu)件,應(yīng)按ρ0min′配筋
As′=ρ0min′A=0.4%×106=4000mm2
2) b×h=2.0m×2.0m時(shí),若仍按一般構(gòu)件配筋,則
As′=0.4%×2.0×2.0×106=16000mm2
現(xiàn)因構(gòu)件尺寸已較大,可按規(guī)范9.5.3計(jì)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(jì)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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