水工非桿系結構配筋方法的研究與實踐

洪 偉 倪言波 秦忠國 曾斯亮

（中水淮河規劃設計研究有限公司 蚌埠 233001）

水工非桿系結構配筋方法的研究與實踐

洪 偉1倪言波1秦忠國2曾斯亮1

（中水淮河規劃設計研究有限公司 蚌埠 233001）

水工結構大都為厚體非桿系結構，如采用以往的經典鋼筋混凝土內力配筋理論，很難滿足截面實際應力狀態要求，針對水工結構的特點并結合新規范的應力配筋理論，對水工非桿件結構在有限元應力計算的基礎上，采用規范的應力配筋方法，符合結構的受力本質，滿足結構安全度要求。

非桿系結構 極限內力狀態法 應力配筋法 里運河楚州控制工程

1 引言

隨著電子計算機和有限元法的應用，數值計算有限元法作為一種精細的力學分析法，逐漸地運用于非桿系結構，從而取代以往對非桿系結構在簡化基礎上的解析計算法。運用計算機作為手段的數值計算方法使非桿件結構的計算應力更符合其實際受力狀態下的應力。針對非桿件結構截面的應力分布特征，要求配筋計算理論采用應力配筋法與之相協調。本文對結構計算理論與相應的配筋方法進行了論述，并通過對淮安市里運河楚州控制工程節制閘底板的結構計算與配筋設計過程的分析，說明了應力法配筋在水工非桿系結構中的運用。

2 結構計算理論演變及適用條件

解析法作為一種經典的結構分析計算方法是建立在一定的假設條件基礎之上的，并由此建立了結構內力與外力的解析關系，通過求解方程（或方程組），得到結構的應力、應變、內力、變形。解析法主要適用于線彈性材料、小變形桿系結構，在這些條件的基礎上易于建立結構內力與外力的解析關系，且易于求解解析方程。對于非桿系結構，很難建立結構整體的受力解析關系，即使建立，但由于是復雜的偏微分方程，導致無法求解。隨著電子計算機技術發展，基于有限元理論的數值解法運用而生，有限元理論的數值解法是應用能量原理（或變分原理）將單元體的偏微分方程組轉化為矩陣形式的線性方程組，利用電子計算機求解矩陣方程，從而得到結構的應力、應變、內力、變形。數值法的適用范圍很廣，除了桿系結構外，還可求解實體結構、殼體結構、異形結構、復合材料結構、材料非線形結構以及大變形結構，甚至復合結構嵌入體系均可以解決，而且可以準確地求出截面的應力、應變。

3 經典結構配筋理論的實質及條件

3.1 經典結構配筋理論的實質

經典的結構配筋理論是采用概率理論的極限內力狀態法，確保KS≤R（內力≤抗力）。分析內力和抗力的計算方法可知：結構內力主要是采用經典的解析法理論計算出來的，這種條件下，截面的變形是按平截面假定；結構的抗力是在對桿件體系破壞過程進行分析的基礎上，運用破壞階段法，得出了各種極限狀態下截面拉區應力（由鋼筋承擔）和壓區應力（由混凝土或混凝土和鋼筋共同承擔）組合的彎矩（或剪力、軸力、扭矩）抗力，由此推導出桿系結構各種受力（彎、剪、扭，或復合受力）模型下結構的配筋理論計算公式，通過公式求解鋼筋量。破壞階段截面的混凝土和鋼筋的材料應力按下列方法確定：

混凝土只計壓應力，壓應力與應變的本構關系為：

鋼筋的應力應變關系采用理想彈塑性模型：

3.2 經典結構配筋理論的適用條件

從以上經典結構配筋計算理論分析可知，經典結構配筋計算理論適用于桿系結構，因為桿系結構受力變形截面變形可按平截面假定考慮，其次截面混凝土應力圖形和鋼筋應力圖形可分別概化為公式（1）～（4）。

而以上兩個條件，非桿系結構受力后均不符合。

4 結構配筋理論的改進

對于非桿件體系鋼筋混凝土結構，根據《水工混凝土結構設計規范》（SL191—2008），其鋼筋用量可由彈性理論分析方法求得的彈性主拉應力圖形面積確定。

方法：按主拉應力在配筋方向的投影圖形的總面積計算鋼筋截面積As（見圖1），并應符合下式要求：

式中：K——承載力安全系數；

fy——鋼筋抗拉強度設計值；

T——由鋼筋承擔的拉力設計值，T=ωb；

ω——截面主拉應力在配筋方向投影圖形的總面積扣除其中拉應力值小于0.45ft后的面積圖形，但扣除部分的面積不宜超過主拉應力總面積的30%；

b——結構截面寬度。

鋼筋的配置方式應根據應力圖形及結構受力特點確定。當配筋主要由承載力控制，且結構具有明顯的彎曲破壞特征時，受拉鋼筋可集中配置在受拉區邊緣；當配筋主要由裂縫寬度控制時，鋼筋可在拉應力較大范圍內分層布置，各層鋼筋的數量與拉應力圖形的分布相對應。

圖1 按彈性應力圖配筋

5 應力配筋法的實踐

以淮安市里運河楚州控制工程節制閘底板結構計算及配筋說明應力法配筋的設計過程。

5.1 工程簡介

淮安市里運河楚州控制工程為閘站橋三結合方案，閘底板與兩側邊墩均采用空箱結構。節制閘與泵站并列布置，節制閘閘室為開敞式平底板結構，1孔，閘孔凈寬為30m，底板順水流方向長34m，閘底板厚3.8m，閘室兩側布置液壓啟閉機及其配套電氣設備。閘門采用底軸驅動下翻門，共計1扇，相應配置2臺QPPYⅠ－3200kN液壓啟閉機和一套電氣及自動化設備。

5.2 結構分析

采用有限元分析軟件ABAQUS對節制閘底板及閘墩結構整體建模進行結構分析，現摘錄底板跨中應力云圖進行分析如下。

根據節制閘底板應力云圖，選擇順水流向最不利的上游端0.5m處進行斷面配筋計算。將應力云圖轉化為該斷面的應力圖，如圖2。

圖2 節制閘上游端（0.5m處）斷面應力圖

5.3 配筋設計

6 結語

隨著計算機技術的發展，結構的計算理論發展迅速，但對結構配筋理論的研究和運用卻顯得滯后。運用應力圖形進行配筋法來解決水工非桿件結構的承載狀態配筋是一種行之有效的方法，但仍需進一步研究其正常使用條件下的配筋設計問題，使配筋體系逐步完善■