鋼筋混凝土管結構計算程序研發

何姜江 饒俊勇

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

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·計算機技術及應用·

鋼筋混凝土管結構計算程序研發

何姜江 饒俊勇

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

研究了現澆鋼筋混凝土管結構的計算原理和方法，采用Visual Basic語言編制了鋼筋混凝土管結構計算程序，并以某工程設計數據為例，對程序的功能進行測試和驗證，經測試，該程序可準確計算鋼筋混凝土排水臥管的荷載、內力、變形、配筋、裂縫開展寬度等，可滿足工程設計需求。

鋼筋混凝土管，結構計算程序，土壓力，荷載

現澆鋼筋混凝土管為內圓形外城門形結構，由于其施工方便，安全可靠，在水利、市政、電力、化工等領域應用非常廣泛。火力發電廠常用于灰場排洪系統、廠區排洪系統及廠內供排水管道等。現澆鋼筋混凝土管為三次超靜定結構，荷載及結構沿中心軸對稱，斷面厚度沿圓周變化，常用內力計算方法主要有柏氏內力系數法、分塊法和有限單元法。通過查閱相關資料和文獻發現，目前國內無專門的現澆鋼筋混凝土管結構計算程序。經調查，目前工程設計人員一般采用手算或者電子表格進行計算。現澆鋼筋混凝土管主要承受內水壓力、外水壓力、土壓力、汽車荷載等外部荷載，工況組合多，受力復雜，內力計算和結構計算異常復雜，工作量大，也容易出錯，優化設計費時費力。通過對其算法進行研究，開發，可計算鋼筋混凝土排水臥管的設計程序，準確計算鋼筋混凝土排水臥管的荷載、內力、變形、配筋、裂縫開展寬度，為可研、初步設計提供比較準確的工程量，為施工圖設計提供技術保證。

1 計算原理

1.1 荷載及荷載組合

作用在現澆鋼筋混凝土管道上的荷載主要有管頂垂直土壓力、地面活荷載(車輛、地面堆料以及其他施工荷載等)產生的垂直及水平壓力、管側水平土壓力、管內活體重、管自重、管底地基反力以及管道內水壓力(工作壓力和試驗壓力)等。

1.1.1 土壓力計算

1)管頂垂直土壓力。

qs=KFSγS(Hs-Hw)+γbHw。

其中，qs為管頂均布垂直土壓力，kN/m；γS為管頂覆土天然容重，kN/m3；γb為管頂覆土飽和容重，kN/m3；Hs為管頂覆土深度，m；Hw為管頂地下水深度，m；KFS為集中土壓力系數，埋地式管道取1.0，根據水規，廠區地面式管道可取1.20。

2)管頂拱形荷載。

q拱=γb(t+0.5D)。

其中，q拱為管頂拱形荷載，kN/m；γb為管頂覆土飽和容重，kN/m3；t為管道壁厚，m；D為管道直徑，m。

3)管側均布荷載。

q側=ξγS(Hs-Hw)+ξγfHw+γwHw。

4)管側三角形荷載。

q側三=ξγS(2t+D)(不考慮地下水作用)。

q側三=ξγf(2t+D)+γw(2t+D)(考慮地下水作用)。

1.1.2 地面荷載

地面荷載考慮為地面堆載和汽車荷載，兩者不同時存在，以大者計。汽車荷載分5個等級，分別是10 t汽車、15 t汽車、20 t汽車、30 t汽車和50 t履帶，根據管道埋深通過查取表1相應的管頂作用均布壓力計算，同時考慮汽車輪壓動力系數，輪壓動力系數與埋深有關，見表1和表2。

表1 汽車荷載壓力系數計算表

表2 輪壓動力系數計算表

1.2 荷載組合

根據鋼筋混凝土管道運行情況，一般計算以下3個設計工況:工況1：管內無水，不考慮地下水作用。工況2：管內無水，考慮地下水作用。工況3：管內有水，不考慮外部荷載。根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范，按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載效應組合。

承載能力極限狀態：S=γGSG+γkSk。

正常使用極限狀態：S=SG+Sk。

其中,γG為永久荷載的分項系數，取1.35；γk為可變荷載的分項系數，取1.40；SG為按永久荷載標準值Gk計算的荷載效應值；Sk為地面堆載(汽車荷載)效應值。

1.3 內力計算

鋼筋混凝土管結構內力計算采用柏氏系數法。該法系采用柏氏變形儀實測出管道在不同荷載作用下，管壁中心線的管底(A點)、頂(B點)和腰(C點)三截面彎矩、軸向力和剪力系數。根據不同的管道壁厚δ與內半徑r0的關系，即δ=r0/2，δ=r0/3和δ=r0/6，查出不同部位的各種內力系數值(如已知設計管道之壁厚與內半徑的比值，可內插求取系數)，查出內力系數后，再乘以相應之荷載強度及半徑，即可得出該點的內力。

1.4 結構計算

程序中的鋼筋混凝土結構設計計算部分的程序編制以GB 50010—2010混凝土結構設計規范為依據。

2 工程應用

2.1 設計輸入數據

某工程采用鋼筋混凝土管，主要設計數據如下：內徑D：1.600 m；壁厚t：0.400 m；天然容重：12.000 kN/m3；浮容重：6.000 kN/m3；飽和容重：17.000 kN/m3；覆土深度Hs：70.000 m；地下水深Hw：60.000 m；內水壓力Hn：80.000 m；內摩擦角φ：20.000°；地面堆載：10.000 kN/m2；汽車等級：汽20 t；恒載分項系數：1.35；活載分項系數：1.40；基礎類型：軟基；保護層厚度c=30.0 mm；混凝土等級：C30；鋼筋等級：HPB335。計算模型見圖1。

2.2 計算結果

根據擬定算法，分別計算各荷載工況的內力，并根據內力計算結果進行結構設計，如下：內側環向配筋：直徑16，間距200 mm,配筋面積1 005.3 mm2,最大裂縫0.140。外側環向配筋：直徑16，間距200 mm,配筋面積1 005.3 mm2,最大裂縫0.225。縱向配筋：直徑16，間距200 mm,配筋面積1 005.3 mm2。程序界面及計算結果見圖2。

3 結語

基于成熟的鋼筋混凝土管道內力計算算法，編制管道設計程序，可實現荷載、內力和配筋計算。經算例驗證，程序計算準確，使用方便，可滿足工程設計需求。該程序可應用于水利、市政、電力、化工等領域的鋼筋混凝土管道設計。

[1] 何姜江.現澆鋼筋混凝土管結構分析程序[Z].

[2] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[3] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[4] 李惠英.倒虹吸管[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[5] 給水排水工程結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[6] 約翰遜.Visual Studio 2012高級編程[M].北京：清華大學出版社，2014.

[7] CECS 145∶2002，給水排水工程埋地矩形管管道結構設計規程[S].

Development of calculation program for reinforced concrete pipes

He Jiangjiang Rao Junyong

(ChinaPowerEngineeringConsultingGroup,SouthwestElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,Chengdu610021,China)

The calculation principle and method of reinforced concrete pipe structure are studied. Then, the calculation program of reinforced concrete pipe structure is compiled by using Visual Basic language, and the function of the program is tested and verified with an engineering design data. After testing, the program can accurately calculate the load, internal force, deformation, reinforcement, crack width, etc. of reinforced concrete drainage horizontal pipe, to meet the engineering design requirements.

reinforced concrete pipes, structural calculation program, earth pressure, load

1009-6825(2017)07-0257-02

2016-12-17

何姜江(1984- )，男，碩士，高級工程師

TP311

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