水工純彎構件計算分析及應用軟件

陳亮亮 張曉勇 陸健 潘靜

(1.安徽省城建設計研究院 安徽合肥 230601；2.安徽省電力設計院 安徽合肥 230601）

水工純彎構件計算分析及應用軟件

陳亮亮1張曉勇2陸健2潘靜2

(1.安徽省城建設計研究院 安徽合肥 230601；2.安徽省電力設計院 安徽合肥 230601）

本文首先針對水工結構的自身特點，分析了按純彎構件計算配筋的可行性。然后按照強度和裂縫兩種限值要求下，得到純彎構件計算用表和應用軟件。為結構分析提供了理論基礎，并提高了工作效率。

水工結構 純彎構件 應用軟件

在鋼筋混凝土結構設計過程中，對于構件配筋計算，已有很多軟件可以實現此步驟。但是，在整個設計過程中，此計算僅僅屬于試算過程。如何利用計算得到的內力，快速查詢可能的配筋、截面以及兩者組合方式，才是設計人員更加希望得到的數據。因此有必要制作相關的計算用表和計算軟件。

對于水工構筑物結構計算，經常按單筋矩形截面的純彎構件計算配筋。但實際上，絕對的純彎構件是不多的，通常都是壓彎構件或者拉彎構件。如按純彎構件進行配筋計算，必須要解決兩個問題：

（1）按單筋矩形截面計算的可行性。

（2）純彎構件配筋與拉壓彎構件配筋的差別。

在解決這兩個問題之前，應先對純彎構件、壓彎構件、拉彎構件的配筋計算過程進行分析。

1 純彎構件結構計算適用性分析

1.1 純彎構件、壓彎構件、拉彎構件計算

（1）純彎構件計算簡圖及平衡條件。

圖1 純彎構件計算簡圖

（2）壓彎構件計算平衡條件（大偏心受壓構件）。

圖2 壓彎構件計算簡圖

考慮到水工構筑物尺寸均便大，保護層厚度a值相當于結構尺寸來說較小，附加偏心距值相對于大偏心構件的偏心距來說較小，故取；則

將此式代入平衡條件后，平衡條件為：

（3）拉彎構件計算平衡條件（大偏心受拉構件）。

圖3 拉彎構件計算簡圖

將此式代入平衡條件后，平衡條件為：

1.2 單筋矩形截面計算的可行性

表1 不同截面條件下截面抗彎承載力

水工結構實際工程中通常采用的鋼筋為HRB335（或HRB400），混凝土為C25，C30， C35。選取不同的混凝土截面（h）及相應的保護層厚度（c），得到單筋矩形截面的彎矩限值，結果見表1。

為了進一步說明，特對截面按0.3%進行配筋，計算鋼筋所能承受的彎矩及其與混凝土承受的彎矩進行對比，結果見表2。

表2 不同截面條件下截面抗彎和鋼筋抗彎

從上表可以看出，由混凝土承受的彎矩限值均較大。對于實際工程中，采用單筋矩形截面進行受彎分析是合理的。根據水工結構混凝土自身特點，鋼筋所能承受的彎矩值比混凝土截面承受的彎矩值要小，約是混凝土抗彎能力的20%左右。因此，在受力較大的條件下，為達到經濟合理的設計，提高混凝土截面尺寸的做法比增加鋼筋配筋的做法更有效。

根據以上分析，得到下面兩個結論：

（1）混凝土承受的彎矩限值較大，一般均能滿足實際工程的計算要求；

（2）鋼筋承受的彎矩值較小，提高鋼筋截面不如提高混凝土截面尺寸；

因此，根據水工結構混凝土自身特點，按單筋矩形截面計算配筋是可行的。

1.3 純彎構件配筋與拉壓彎構件配筋的差別

將三種形式的結構計算平衡式均改為單筋配筋形式，如下所列：

（1）純彎構件計算平衡條件。

（2）壓彎構件計算平衡條件（大偏心受壓構件）。

（3）拉彎構件計算平衡條件（大偏心受拉構件）。

根據單筋矩形截面平衡條件，對不同構件進行配筋計算，配筋過程如下：

（1）純彎構件。

（2）壓彎構件。

（3）拉彎構件。

則：純彎構件： CkAs1= ；壓彎構件：As= k2C；拉彎構件： As= k3C；

k1、 k2、 k3直接反映了純彎、壓彎、拉彎構件的配筋大小，其值受 h0,M,N,fc影響，與fy的大小無關。

對于2k，由于，使得sA增加，同時由于N的存在，又使得As減??；

對于3k，由于使得sA減小，同時由于N的存在，又使得As增加；

因此，需采用試算法驗證1k、2k、3k之間的關系。

根據水工結構常用地下池體，對以下條件分別進行計算，見表3。

表3 用于驗算的結構尺寸條件

池體受外土水壓力，為簡化計算，采用重液壓力公式： zq ?=γ ，其中，γ為水土混合重液的重度，可取13kN/m3。?。?，得到不同條件下池體受力如下表所示，見表4。

表4 不同條件下結構受力

根據內力計算結果，采用C25混凝土時，不同條件下的配筋參數1k、2k、3k值，見表5。

表5 不同條件下純彎、壓彎、拉彎配筋比較（C25）

采用C30混凝土時，不同條件下的配筋參數1k、2k、3k值，見表6。

表6 不同條件下純彎、壓彎、拉彎配筋比較（C30）

采用C35混凝土時，不同條件下的配筋參數值，見表7。

表7 不同條件下純彎、壓彎、拉彎配筋比較（C30）

根據以上分析結果可以看出，壓彎構件較純彎構件配筋要小，平均減小量大約為10%左右，因此，對于壓彎構件按純彎構件計算是偏安全的。

拉彎構件較純彎構件配筋要大，平均增加約15%左右，因此，對于壓彎構件不可按純彎構件進行計算，如采用純彎構件計算，應乘以一定的放大系數。

2 純彎構件結構計算

2.1 純彎構件正截面承載力

（1）配筋過程。

一般計算步驟：

（2）抗彎承載能力。

2.2 純彎構件裂縫計算

（1）裂縫寬度計算。

根據《給水排水工程構筑物結構設計規范》（GB 50069-2002）附錄A，鋼筋混凝土處于受彎狀態時的最大裂縫寬度為：

其中：

Ψ<0.4時取0.4，Ψ>1.0時取1.0， v =0.7。

（2）抗裂承載力計算。

根據裂縫寬度計算公式，代入相應的數值，得到：

3 純彎構件計算用表及應用軟件

表格形式：表格左一列為鋼筋直徑，左二為設計條件（強度、最大裂縫寬度），最上一行為鋼筋間距（mm），中間每一小格給出三個彎矩值，分別為：

M—按強度計算的彎矩值，為設計值；

Mq—按最大裂縫寬度（w＝0.2mm和w＝0.3mm）計算的彎矩值，為長期效應準永久作用下的彎矩值。

使用方法：由作用效應基本組合和長期效應的準永久組合求出彎矩值M，Mq后，根據同時滿足強度和最大裂縫寬度的設計條件，從相關的表中直接查得鋼筋的直徑和間距。

從抗裂角度講，在保證施工質量的前提下，

盡可能采用小直徑密間距的配筋，同時兼顧經濟的原則。

計算用表列舉的數值為常用的一些數據，所表達的數據量并不全。更詳細的數據顯示可以在計算軟件中加以實現。為便于在實際工作中使用，特制作純彎構件計算應用軟件，軟件根據不同的混凝土等級、保護層厚度、鋼筋級別以及不同的結構尺寸，可以生產不同條件下的彎矩承載力并供選用，軟件界面見圖4。

4 軟件的應用及結論

根據本文分析，對于水工結構構件計算，可得到如下幾個結論：

（1）按單筋矩形截面計算是可行的。

（2）壓彎構件較純彎構件配筋要小，平均減小約10%左右，因此，對于壓彎構件按純彎構件計算是偏安全的。

（3）拉彎構件較純彎構件配筋要大，平均增加約15%左右，因此，對于壓彎構件不可按純彎構件進行計算，如采用純彎構件計算，應乘以一定的放大系數。

隨著《混凝土結構設計規范》2010版本的發布，根據本文制作的結構計算用表和計算軟件，可以代替原有計算用表，提高了工作效率，已在我院多個實際工作中得到了很好的應用。

根據本文內容，制作的《水工結構純彎構件計算軟件（1.0版本）》，已獲得國家版權局計算機軟件著作權登記證書，證書號：軟著登字第0484788號。

圖4 純彎構件計算用表應用程序界面

1 混凝土結構設計規范[S].(GB50010-2010).

2 給水排水工程構筑物結構設計規范[S].(GB50069-2002).

3 給水排水工程結構設計手冊編委會. 給水排水工程結構設計手冊[K]. 北京：中國建筑工業出版社.

下水位逐年下降，造成局部地段地表水補給地下水的情況。

5 結語

通過對葫蘆島市南票區節水增糧項目區域的地質與水文地質條件分析，節水增糧項目在地質和水文地質條件方面可行。

參考文獻

1 史正銀.銀川平原地理地質與水文地質條件分析[J].科技信息,2011(21).

2 薛靈.巖土工程勘察中水文地質條件淺析[J].城市建設理論研究,2011(12).

3 盧福光.工程地質勘察中的水文地質危害分析及對策研究[J].城市建設理論研究，2013(44).

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.015

TV314

B

1672-2469(2014)09-0045-05

陳亮亮（1962年—），男，高級工程師。