水工混凝土结构设计规范应力图形法配筋计算的比较.pdf
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1、水利水电科技进展,2014,34(2)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / kkb. hhu. edu. cn 第 34 卷第 2 期 Vol. 34 No. 2 水 利 水 电 科 技 进 展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2014 年 3 月 Mar. 2014 基金项目:国家大坝安全工程技术研究中心开放基金(NDSKFJJ1101) 作者简介:孟影(1989),女,江苏徐州人,硕士研究生,主要从事混凝土结构研究。 E鄄mail:mengying6
2、882163. com DOI:10. 3880/ j. issn. 10067647. 2014. 02. 007 水工混凝土结构设计规范应力图形法配筋计算的比较 孟摇 影,汪基伟,冷摇 飞 (河海大学土木与交通学院,江苏 南京摇 210098) 摘要:介绍了水工混凝土结构设计规范中应力图形法的演变过程,对比分析了 4 种规范配筋计算公 式的差异,以承载板、泄洪深孔、升船机上闸首等实际工程为例计算配筋量。 计算结果表明:应将 SL 1912008 中允许混凝土承担的拉力不宜超过总拉力的 30% 修正为 15%;SL 1912008 修正 后,SDJ201978 计算的配筋量最大,SL 191
3、2008 居中,DL/ T50572009 最小;当承载板、泄洪深 孔和升船机上闸首结构按平面问题计算时,DL/ T50572009 和 DL/ T 50571996 计算的配筋量相 近,最大仅相差 4. 1%;计算应力场未考虑温度作用时,通常混凝土承担的拉力取零,通过增加配筋 量限制裂缝宽度。 关键词:应力图形法;非杆件体系结构;配筋计算;钢筋混凝土;有限元法 中图分类号:TV314摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2014)02003105 Comparison of stress graphic reinforcement calculation meth
4、ods in various design codes for hydraulic concrete structures/ / MENG Ying, WANG Jiwei, LENG Fei(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China) Abstract:The evolution of the stress graphic method in four kinds of design codes for hydraulic concrete structur
5、es is introduced, and the reinforcement calculation formulas in different codes are compared and analyzed in this paper. Reinforcement calculation was conducted in practical engineering projects, including a bearing plate, a flood鄄discharging deep orifice, and the upper lock head of a ship lift. The
6、 calculation results are as follows: In the code SL 1912008, it is recommended that the maximum proportion of the tensile force that the concrete can bear to the total tensile force be less than 15%, rather than 30%. After the code SL 1912008 is revised, the amount of reinforcement by the code SDJ20
7、 1978 is the largest, the reinforcement by the code SL 1912008 is moderate, and the reinforcement by the code DL/ T 50572009 is the smallest. When the bearing plate, the flood鄄discharging deep orifice, and the upper lock head of the ship lift are regarded as plane problems, their amounts of reinforc
8、ement by codes DL/ T 50572009 and DL/ T 5057 1996 are close, with a maximum difference of only 4. 1%. When the effect of temperature is not considered, the tensile force that the concrete can bear is usually zero, and we can increase the amount of reinforcement to limit the crack width. Key words: s
9、tress graphic method; non鄄member concrete structure; reinforcement calculation; reinforced concrete; finite element method 摇 摇 在水工建筑物中,由于某些配筋结构形体复杂 或尺寸比例悬殊(如大坝孔口与预应力闸墩、蜗壳 与尾水管、船闸与闸首底板等),无法将结构简化为 一般杆件体系按结构力学求解内力,只能按弹性理 论的方法求解应力,此类结构称为非杆件体系结 构1。 目前非杆件体系结构的配筋设计有 3 种方 法:淤基于试验成果的承载力配筋计算方法,目前仅 限于深受弯构件、牛腿、
10、弧门支座等少数结构;于按 弹性应力图形面积计算配筋量的应力图形法,可适 用于所有的非杆件体系;盂钢筋混凝土非线性有限 单元法,用于复核重要的配筋结构的承载力与裂缝 的开展区域和性态。 对于一般的非杆件体系结构, 按应力图形法配筋即可满足要求2;对重要的非杆 件体系结构,采用钢筋混凝土有限元法进行计算分 析时,需要先由应力图形法计算配筋量,因此应力图 形法是非杆件体系结构配筋设计的基础。 目前适用于水利水电工程水工混凝土结构设计 的规范有2 个版本,即电力系统的 DL/ T50572009 水工混凝土结构设计规范 3 和水利系统的 SL 1912008水工混凝土结构设计规范 4,它们关 于应力图
11、形法的原理相同,但配筋计算公式不同,系 数取值也有所不同,计算的配筋量略有差异。 本文 13 水利水电科技进展,2014,34(2)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / kkb. hhu. edu. cn 首先介绍各种规范的应力图形法的演变过程,比较 SDJ201978水工钢筋混凝土结构设计规范 5、 DL/ T 50571996 水工钢筋混凝土结构设计规 范 6、SL 1912008 和 DL/ T 50572009 的应力 图形法配筋计算公式及参数取值,最后以承载板、泄 洪深孔、升船机上闸首为例,按各种规范的应力图形 法配筋
12、公式计算配筋量,并对其进行分析比较。 1摇 应力图形法的演变 SDJ201978 采用单一安全系数极限状态设计 方法来配筋,在计算承载力时荷载采用标准值,材料 强度采用设计值,强度安全系数反映了一般情况下 结构所具有的最低安全储备,其中也包含荷载分项 系数,其应力图形法配筋计算公式为 As= Tg Rg1 (1) 其中Rg1= Rg Kg 式中:As为钢筋截面面积;Tg为由钢筋承担的拉应 力合力;Rg1为钢筋容许应力;Rg为钢筋的抗拉强度 设计值;Kg为受拉钢筋的强度安全系数。 公式(1)的含义是在结构总拉力中扣除混凝土 承担的拉力,剩余部分的拉力由钢筋承担,且混凝土 承担的拉力不宜超过总拉力
13、的 25%。 当应力图形 中受拉区高度大于结构截面高度的 2/3 时,混凝土 承担的拉力为零。 DL/ T 50571996 以概率理论为基础,采用分 项系数极限状态设计方法来配筋7,在计算承载力 时荷载和材料强度均采用设计值,其应力图形法配 筋计算公式为 Tz臆 1 酌d(0郾 6Tc + fyAs)(2) 其中Tc= Actb 式中:Tz为由荷载设计值确定的结构弹性总拉力; 酌d为钢筋混凝土结构的结构系数;fy为钢筋抗拉强 度设计值;Act为应力图形中主拉应力值小于混凝土 轴心抗拉强度设计值的图形面积;b 为结构截面宽 度;Tc为混为凝土承担的拉力,其值不宜超过总拉 力的 30%,当应力图
14、形中受拉区高度大于结构截面 高度的 2/3 时,混凝土承担的拉力为零。 与公式(1)相比,公式(2)在表达上不再采用容 许应力的概念,而直接采用“结构总拉力由混凝土 和钢筋共同承担冶的原则,同时将混凝土承担的拉 力不宜超过总拉力的 25%提高至 30%。 另外,公式 (2)进一步明确了结构总拉力由结构截面上主拉应 力的合力求得。 在结构截面上各点的主拉应力方向 不同,且也不可能与配筋方向一致,若采用主拉应力 的合力计算配筋量,无法确定各个方向的配筋 量8。 因此,现行的 SL 1912008 和 DL/ T 5057 2009 将“主拉应力的合力冶改为“主拉应力在配筋方 向投影的合力冶,即采用
15、主拉应力在配筋方向投影 的合力计算配筋量,解决了公式(2)的这一缺陷。 SL1912008 不再强调以概率理论为基础,采 用在多系数分析基础上的单一安全系数极限状态设 计方法来配筋,与公式(1)相同,在计算承载力时荷 载和材料强度均采用设计值,且材料强度设计值有 所减小,其应力图形法配筋计算公式为 As逸 KT忆 g fy (3) 式中:K 为承载力安全系数;T忆 g 为由钢筋承担的拉 力设计值,且混凝土承担的拉力不宜超过总拉力的 30%,当应力图形中受拉区高度大于结构截面高度 的 2/3 时,混凝土承担的拉力为零。 DL/ T 50572009 的应力图形法配筋计算公式 与公式(2)相同,对
16、混凝土承担的拉力的规定也和 DL/ T 50571996 相同,不同点在于将“主拉应力的合 力冶改为“主拉应力在配筋方向投影后的合力冶,材料强 度的取值与 SL1912008 相同,但是与 DL/ T 5057 1996 相比,材料强度略有降低。 2摇 应力图形法的比较 2. 1摇 配筋计算公式的形式 本文通过配筋计算公式的比较来分析各种规范 应力图形法的区别。 为方便比较,统一将 T 定义为 荷载标准值作用下结构截面正应力的合力,同时不 区分可变荷载与永久荷载,荷载分项系数统一取 1郾 1,并将各种规范中的配筋计算公式用统一的变量 表示。 DL/ T 50572009 与 DL/ T 505
17、71996 相比 较,将“主拉应力的合力冶改成了“主拉应力在配筋 方向投影的合力冶,除了在材料强度取值上有些差 异外,关于应力图形法的其他规定基本一致,二者计 算出的配筋量相差很小,为简便起见,仅对 SDJ20 1978、SL 1912008 和 DL/ T 50572009 这 3 种规 范进行比较。 比较时采用 2 级水工建筑物,混凝土 等级为 C25,纵筋采用 HRB335,在 SDJ201978 中 相当于 R270 混凝土,纵筋采用域级钢筋,3 种规范 的材料强度和系数取值见表 1,其中 Rhl为混凝土容 许拉应力,ft为混凝土轴心抗拉强度设计值。 配筋量 As的计算可以分为 Tc=
18、Tmax,c、Tc=0、0 Tc Tmax,c这3 种情况,其中 Tc、Tmax,c分别为由混凝土 承担的拉力、最大拉力,在 SDJ 201978 中 Tmax,c= 25%T,其余规范中 Tmax,c=30% T。 表 2 列出换算后 23 水利水电科技进展,2014,34(2)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / kkb. hhu. edu. cn 的应力图形法配筋计算公式,其中 Tc1、Tc2、Tc3分别为 SDJ 201978、DL/ T 50572009 和 SL 1912008 中由混凝土承担的拉力,fy取 300
19、MPa。 表 1摇 3 种规范的材料强度及系数取值 规摇 范 安全 系数 结构 系数 结构重 要性 系数 设计 状况 系数 混凝土 承担的 最大拉 应力/ MPa 钢筋抗 拉强度/ MPa SDJ 2019781郾 50郾 634314 DL/ T 505720091郾 21郾 01郾 01郾 27300 SL 19120081郾 20郾 57300 表 2摇 各种规范应力图形法配筋计算公式的形式 规摇 范0 Tc Tc3时,若 Tc2、Tc3分别乘以系数 0郾 66 和 1郾 32 后,两者相差不大。 但当 Tc= Tmax,c时,Tc2= Tc3=30%T,再分别乘以系数 0郾 66 和
20、1郾 32,计算出 的配筋量 As,2b与 As,3b相差较大,明显不合理。 c. As,1b与 As,2b接近,即 DL/ T 50572009 是合 理的,而 SL1912008 中“混凝土承担的拉力不宜 超过总拉力的 30%冶明显不合理,应予以修正。 在 DL/ T 50572009 中由混凝土承担的最大拉力 Tmax,c=30%T,且在式(2)中 Tc要考虑调整性系数 0郾 6 的影响,因此在 SL1912008 中 Tmax,c=30% T伊 0郾 6/ 酌d=30%T伊0郾 6/1郾 2 = 15% T,即混凝土承担的 拉力 Tc不宜超过总拉力 T 的15%,此时 As,3b与 A
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