汪基伟;陈思远;冷飞
【摘 要】通过回顾总结SDJ 20—78《水工混凝土结构设计规范》大体积混凝土结构构件配筋方法的演变过程,对比分析国内外各行业规范相关条文,研究条文依据的原理,提出新的大体积混凝土结构构件最小配筋率处理方法和相关条文建议.所提方法结合了现行DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》和ACI 318—14《Building Code Requirements for Structural Concrete》的优点,使其既能保证ρ<ρmin时所需钢筋用量为固定值,又能保证γdM小于但靠近开裂弯矩Mcr时不会发生少筋破坏,且取消了DL/T 5057—2009规范大体积混凝土最小配筋率条文只适用于\"卧置在地基上以承受竖向荷载为主、板厚大于2.5 m的底板\"等限制.
【期刊名称】《水利水电科技进展》
【年(卷),期】2019(039)004
【总页数】6页(P69-74)
【关键词】水工结构;大体积混凝土结构构件;最小配筋率;设计规范
【作 者】汪基伟;陈思远;冷飞
【作者单位】河海大学土木与交通学院,江苏,南京 210098;河海大学土木与交通学院,江苏,南京 210098;河海大学土木与交通学院,江苏,南京 210098
【正文语种】中 文
【中图分类】TV331
大体积钢筋混凝土结构构件(以下简称为大体积混凝土)的特点是尺寸大,而外力荷载却不大,按承载力计算所需的配筋率ρ常远小于最小配筋率ρmin,但按规定,钢筋面积应按最小配筋率ρmin乘以构件截面面积计算,这就造成了不必要的浪费。由于运用和稳定的要求,水工结构构件截面尺寸通常很大,厚度1～2 m的底板和墩墙十分常见,4～5 m或以上的底板和墩墙也不少,因此水工大体积混凝土最小配筋率的正确制定是一个十分关键的问题,也是水工混凝土结构设计规范的特。虽然每次规范修编都将此问题作为修编的重点,且每次都作了改进,但至今未能合理解决。本文对此进行研究,为正在进行的DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》修编提供建议。
1 大体积混凝土定义
在水利工程中,有些结构构件称为大体积非杆系混凝土结构,其实大体积和非杆系是两个概念。前者是以尺寸大小作为标志,是指尺寸较大的混凝土结构构件,它的截面尺寸由运用和稳定要求控制,而不是由承载力要求决定;后者是以应力状态作为标志,与“杆系”相对应,截面应力呈非线性分布的为“非杆系”,反之为“杆系”。当然,在水利工程中常遇到尺寸大且截面应力为非线性分布的结构,所以我们常听到“大体积非杆系混凝土结构”这一名词。
非杆系结构的配筋设计方法可分为2类:①对深受弯构件、牛腿、弧门支座等少数结构,已通过试验给出了极限承载力配筋公式,并规定了其最小配筋率。②对其他没有给出极限承载力配筋公式的非杆系结构,按弹性应力图形面积计算钢筋用量,无最小配筋率要求;对重要结构还需采用钢筋混凝土有限元校核[1]。
本文中的大体积混凝土是指尺寸大,但仍能简化为杆系,能按受弯、受压等构件进行配筋设计的结构构件;或已有极限承载力配筋公式的非杆系混凝土结构,即有最小配筋率要求的结构构件。
2 水工混凝土结构设计规范大体积混凝土配筋方法的演变
在我国最早的SDJ 20—78《水工钢筋混凝土结构设计规范》[2]中,大体积混凝土按少筋混凝土理论进行配筋设计。该理论认为,开裂弯矩Mcr作为少筋混凝土梁的第一道强度保证,即使存在偶然缺陷使混凝土提前开裂,它还可以由钢筋来承受破坏弯矩Mu形成第二道强度保证,这就是所谓的“双强度保证”。正是由于有“双强度保证”,少筋混凝土梁防止达到Mcr的安全系数Kl可小于素混凝土梁所要求的安全系数,防止达到Mu的安全系数Kg可小于钢筋混凝土梁的安全系数。Kg允许降低的程度与Kl有关,Kl越小Kg就需越大,反之亦然。
少筋混凝土理论概念复杂,不易被工程师理解。特别是上世纪80年代后,我国规范普遍采用概率极限状态原则,而少筋混凝土理论的“双强度保证”的可靠度各是多少无法确定。因此,DL/T 5057—1996《水工混凝土结构设计规范》[3]不再采用少筋混凝土理论,规范编制组转而研究其他方法来解决大体积混凝土采用固定最小配筋率时尺寸越大配筋越多的问题。
干城[4]提出临界高度hcr的概念,并以少筋混凝土配筋的上限Kl=Kg来确定hcr。所谓临界高度就是承载力计算所需的配筋率ρ正好等于最小配筋率ρmin时的截面高度h。对于受弯构件由Kl=Kg,并写成现行L/T057—2009《水工混凝土结构设计规范》[5]的形式:
(1)
式中:γd为结构系数;M为弯矩设计值;γ为受拉区混凝土塑性影响系数;ft为混凝土抗拉强度设计值;b为截面宽度。
取受拉钢筋面积As≥ρminbhcr,这样在荷载和材料强度为一定的条件下,As将保持为一常值,不再随截面高度的增大而增大。
周氐等[6]提出对于卧置地基上的厚板及墩墙,当ρ<ρmin时,其受拉钢筋实际采用最小配筋率可由ρmin再乘以一个小于1的系数(荷载效应值与截面实际极限承载力的比值)得到。对于受弯和大偏压构件的受拉钢筋,该系数为γdM/Mu;对于轴压和小偏压构件的受压钢筋,该系数为γdN/Nu。其中,Mu为受弯构件截面实际极限弯矩;N和Nu分别为偏压构件轴力设计值和实际极限轴力。该方法被L/T 57—1996采用。
DL/T 5057—2009仍采用周氐等[6]提出的方法,但为了使用方便,直接给出了最小钢筋用量的计算公式;同时,由于不少工程设计人员反映DL/T 5057—1996中所谓的“大体积结构”和“截面厚度很大的构件”,其尺度很难掌握,希望能给出一个统一的标准,DL/T 5057—2009规定板厚或墙厚超过2.5 m的构件属于“截面厚度很大的构件”。如此有以下规定:
a. 卧置在地基上以承受竖向荷载为主、板厚大于2.5 m的底板,当ρ<ρmin时,应配置的最小纵向受拉钢筋截面面积As可按照式(2)近似计算,但每米宽度内的钢筋面积不小于2 500 mm2。
(2)
式中:fy为钢筋抗拉强度设计值。
b. 截面厚度大于2.5 m的大偏心受压墩墙,当ρ<ρmin时,应配置的最小竖向受拉钢筋截面面积As可按式(2)计算,但式中的M用Ne0代替,其中e0为轴压力至截面重心的距离。
c. 截面厚度大于2.5 m的轴心受压或小偏心受压墩墙,当ρ<ρmin时,全部竖向钢筋的最小截面面积
可按式(3)计算,但沿周长每米钢筋面积不得少于1 000 mm2。
(3)
式中:fc为混凝土轴心抗压强度设计值。
3 国内外其他混凝土结构设计规范对大体积混凝土最小配筋率的规定
GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015版)[7]对大体积混凝土最小配筋率的规定有两条:①卧置于地基上的混凝土板,板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低,但不应小于0.15%;②结构中次要的钢筋混凝土受弯构件,当构造所需截面高度远大于承载的需求时,其纵向受拉钢筋的配筋率可按ρ≥hcr/hρmin 计算,其中hcr为构件截面的临界高度,采用式(4)计算,且取hcr≥0.5h;h为截面高度。
(4)
常远JTS 151—2011《水运工程混凝土结构设计规范》[8]规定,对截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置要求等条件确定的大体积混凝土受弯构件和刚性墩台的纵向受力钢筋最小配筋率可不受ρmin的限制,但其受拉钢筋配筋率不得小于0.05%;厚度大于4 m的构件每米宽度内的钢筋面积不得少于2 500 mm2。
表1 大体积混凝土受弯构件最小配筋率ρmin处理方法公式汇总方 法具体方法简称计 算 公 式其 他 说 明GB-1hcr=1.05γdMρminfyb(hcr≥0.5h),ρs≥hcrhρmin,As=ρsbh0GB50010—2010采用。为方便与其他方法比较,取As=ρsbh0 临界高度法GB-2hcr=1.05γdMρminfyb, ρs≥hcrhρmin取消hcr≥0.5h的限制 文献[4]hcr=6γdMγmftb, ρs≥hcrhρmin,As=ρsbh0取γm=1.
55 荷载效应与极限承载力比值法DL/TAs=γdMρminbfyDL/T5057—2009采用 计算面积加大法 ACIAs=4/3As计ACI318—14采用 ENAs=1.2As计EN1992-1-1:200采用 固定最小配筋率JTSρ≥0.05%和As≥2500mm2/m(底板厚>4.0m)JTS151—2011采用
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