《水工混凝土结构设计规范》的结构计算探析

闫国新，张晓磊

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475001）

0 引言

《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008（以下简称新《规范》）在结构构件的安全度表达、环境类别的划分、钢筋的分类、斜截面承载力计算公式和构件裂缝宽度计算公式等方面对《水工混凝土结构设计规范》SL/T191-96 （以下简称1996 《规范》）和《水工钢筋混凝土结构设计规范》SDJ20-78（以下简称1978《规范》）进行了修订。为了更好地学习新《规范》，满足结构设计的应用，对比和分析新旧规范的结构计算差异是必要的。

1 承载能力极限状态设计公式

1.1 旧《规范》承载能力极限状态计算公式

1978《规范》采用的是以单一安全系数表达的极限状态设计方法，其计算式如公式1 所示[1]。 1996《规范》按《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》GB50199-94 的规定，采用以概率论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，并据此用5 个分项系数的设计表达式进行设计，具体如公式2 所示[2]。

式中：K 为强度安全系数；N 为设计荷载作用下截面内力；Rh为混凝土设计强度；Rg为钢筋设计强度；S 为构件及截面的几何特征。

式中：γ0为结构重要性系数；ψ 为设计状况系数；S 为荷载效应组合值；R 为结构构件抗力设计值；γd为结构系数；γG、γQ为永久、可变荷载分项系数；fc、fy为材料强度设计值；ak为结构构件几何参数标准值；Gk、Qk为永久荷载、可变荷载标准值。

1.2 新《规范》承载能力极限状态计算公式

水工混凝土结构中，除材料强度和少数荷载采用统计资料外，不少荷载由于无法取得实测资料，难以体现真正概率意义上的荷载变异性，并且《水工混凝土结构设计规范》SL/T191-96 缺乏一个直观的总的安全度。 因此，新《规范》采用在多系数分析的基础上，用安全系数法进行设计（如公式3所示）[3]。

式中：K 为承载力安全系数；S 为荷载效应组合设计值；R 为结构构件的截面承载力设计值。

1.3 新老《规范》承载能力极限状态计算公式比较

新《规范》的K 值是由1996《规范》承载能力极限状态设计式中的γd、γ0、ψ3 个系数合并而来的。 因此，该设计表达式和1996《规范》设计表达式可靠度一致，都属于水准Ⅱ近似概率极限状态设计法。 但新《规范》表达式简洁，便于运用和掌握。 新《规范》和1978《规范》安全系数虽然同为K，但内涵隶属不同水准。 1978《规范》属于水准Ⅰ半理论半经验设计法，K 值不具有可靠度的概念。 与旧《规范》相比，新《规范》的承载力安全系数K 更加合理、科学和符合实际。

新《规范》钢筋混凝土结构的承载力安全系数K的取值如表1 所示。

2 斜截面承载力计算公式

2.1 新《规范》斜截面承载力计算公式的特点

新《规范》对1996《规范》的混凝土项受剪承载力Vc计算公式进行了两点修订[3]：

表1 承载力安全系数K 取值Table 1 Bearing capacity safe index K value

（1）将混凝土项受剪承载力Vc计算公式中的混凝土强度设计指标由fc改为ft表达，以适应从低强到高强混凝土构件受剪承载力变化的情况，避免采用fc时，出现高强混凝土构件的受剪承载力计算不安全的现象。

（2）将混凝土项受剪承载力Vc计算公式合为一个，消除集中荷载作用为主的独立梁计算中剪跨比对受剪承载力的影响。 在计算公式中，不再考虑荷载形式的不同。

2.2 斜截面承载力计算公式比较

新旧《规范》关于斜截面承载力的计算公式如表2 所示。

从表2 可以看出，新《规范》第一次没有考虑荷载的类型，使荷载和抗力成为两个互相独立的变量，简化了计算公式。 由于斜截面抗剪承载力公式是半经验半理论公式，是试验值的下包线，因此，具有足够的安全性。

3 新《规范》的其他修订内容

3.1 新增非线性有限元计算原则

水工结构中常有一些形体或受力复杂的结构，如厂房蜗壳、弧门闸墩、坝体内空口、坝面背管等。对这些结构，无法按杆件结构力学求出截面的内力，并按照承载力极限状态设计法进行配筋计算。因此，现在对一些比较复杂的结构，常常要进行有限元数值分析。 目前，常用的大型有限元软件有德国的ASKA、英国的PAEEC 和美国的ANSYS 等。

有限元方法作为一种有效的数值计算方法，在钢筋混凝土结构的非线性分析中得到越来越广泛的应用。 新《规范》此次修订把非杆件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则作为单独的一章，说明有限元计算在水工混凝土结构中发挥了越来越重要的作用。

表2 斜截面承载力计算公式Table 2 Oblique section bearing capacity calculation formula

3.2 对环境类别的划分进行了调整

结构的耐久性要求及裂缝控制与结构所处的环境条件有很大的关系，因此，在进行工程设计时，应首先明确工程结构所处的环境类别。 工程实践表明，1996《规范》将水工建筑物的类别划分为一至四类是比较恰当的。 但是，为了进一步将淡水水位变化区与海水水位变化区、淡水水下区与海水水下区等不同的侵蚀程度加以区分，新《规范》将环境类别划分为一至五类，更符合工程实际情况[3]。

3.3 对混凝土和钢筋材料性能设计指标进行修订

混凝土强度设计值取为混凝土强度标准值与混凝土材料性能分项系数γc的比值。 新《规范》将γc从1.35 提高到1.40， 相应的混凝土强度设计值与GB50010-2002 的取值相同[3]。

为适当提高安全度设置水平， 参考GB50010-2002 的规定，将HRB335 级钢筋的材料性能分项系数γc由1996《规范》的1.08 提高为1.1[3]。

4 新旧规范配筋案例分析

4.1 案例背景

某厂房（2 级建筑物）的钢筋混凝土简支梁，两端支撑在240 mm 厚的砖墙上。 该梁处于室内正常环境，梁净距ln=3.56 m，梁截面尺寸b×h=200 mm×500 mm。 在正常使用期间，该梁承受永久荷载标准值gk=20 kN/m（包括自重）、可变均布荷载标准值qk=38 kN/m，采用C25 混凝土，箍筋为HPB235 级。 试求仅配箍筋时所需要的箍筋间距（取as=40mm）。

4.2 案例计算

4.2.1 按1996《规范》计算受弯构件斜截面承载力

基 本 资 料：fc=12.5 MPa，ft=1.30 MPa，fy=210 Mpa，γ0=1.0，ψ=1.0，γd=1.2，γG=1.05，γQ=1.20，h0=460 mm，b=200 mm。

由于V=γ0Ψ(g+q)ln=118.55kN，hw/b=2.3＜4.0，0.25fcbh0=287.5kN>γdV=142.26 kN。 所以，截面尺寸满 足 抗 剪 要 求。 Vc=0.07fcbh0=80.50 kN<γdV=142.26 kN， 所以， 需要按计算配置箍筋。， 选用双肢Φ8 箍筋，Asv1=50.3 mm2，n=2，s≤197 mm，smax=200 mm，取s=190 mm。

4.2.1 按“新《规范》”计算受弯构件斜截面承载力

基 本 资 料：fc=11.9 MPa，ft=1.27 MPa，fy=210 MPa，K=1.20，h0=460 mm，b=200 mm。

4.3 案例分析

从上面的计算可以看出，新《规范》与1996《规范》相比有以下不同：（1）混凝土强度设计值取值有所降低。 （2）取消了荷载分项系数这一术语。 （3）斜截面承载力计算公式简单，参数少，因为用K 值取代了原来的3 个参数。 （4）二者计算结果差别不大，对工程实际影响甚微，因为二者处于同一设计水准。

5 结语

新《规范》与1996《规范》和1978《规范》相比较，在结构构件的安全度表达、环境类别的划分、钢筋的分类、斜截面承载力计算公式和构件裂缝宽度计算公式等方面进行了修订。 它还增加了具有水工特点的闸门门槽、水电站钢筋混凝土蜗壳、尾水管和坝体内孔的设计方法和构造要求。 只有对新老规范进行对比分析，才能更好地掌握和应用。

[1] SDJ20-78，水工钢筋混凝土结构设计规范[S].

[2] SL191-96，水工混凝土结构设计规范[S].

[3] SL191-2008，水工混凝土结构设计规范[S].

[4] GB50010-2002，混凝土结构设计规范[S].