水工非杆系结构配筋方法的研究与实践

洪 伟 倪言波 秦忠国 曾斯亮

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

水工非杆系结构配筋方法的研究与实践

洪 伟1倪言波1秦忠国2曾斯亮1

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

水工结构大都为厚体非杆系结构，如采用以往的经典钢筋混凝土内力配筋理论，很难满足截面实际应力状态要求，针对水工结构的特点并结合新规范的应力配筋理论，对水工非杆件结构在有限元应力计算的基础上，采用规范的应力配筋方法，符合结构的受力本质，满足结构安全度要求。

非杆系结构 极限内力状态法 应力配筋法 里运河楚州控制工程

1 引言

随着电子计算机和有限元法的应用，数值计算有限元法作为一种精细的力学分析法，逐渐地运用于非杆系结构，从而取代以往对非杆系结构在简化基础上的解析计算法。运用计算机作为手段的数值计算方法使非杆件结构的计算应力更符合其实际受力状态下的应力。针对非杆件结构截面的应力分布特征，要求配筋计算理论采用应力配筋法与之相协调。本文对结构计算理论与相应的配筋方法进行了论述，并通过对淮安市里运河楚州控制工程节制闸底板的结构计算与配筋设计过程的分析，说明了应力法配筋在水工非杆系结构中的运用。

2 结构计算理论演变及适用条件

解析法作为一种经典的结构分析计算方法是建立在一定的假设条件基础之上的，并由此建立了结构内力与外力的解析关系，通过求解方程（或方程组），得到结构的应力、应变、内力、变形。解析法主要适用于线弹性材料、小变形杆系结构，在这些条件的基础上易于建立结构内力与外力的解析关系，且易于求解解析方程。对于非杆系结构，很难建立结构整体的受力解析关系，即使建立，但由于是复杂的偏微分方程，导致无法求解。随着电子计算机技术发展，基于有限元理论的数值解法运用而生，有限元理论的数值解法是应用能量原理（或变分原理）将单元体的偏微分方程组转化为矩阵形式的线性方程组，利用电子计算机求解矩阵方程，从而得到结构的应力、应变、内力、变形。数值法的适用范围很广，除了杆系结构外，还可求解实体结构、壳体结构、异形结构、复合材料结构、材料非线形结构以及大变形结构，甚至复合结构嵌入体系均可以解决，而且可以准确地求出截面的应力、应变。

3 经典结构配筋理论的实质及条件

3.1 经典结构配筋理论的实质

经典的结构配筋理论是采用概率理论的极限内力状态法，确保KS≤R（内力≤抗力）。分析内力和抗力的计算方法可知：结构内力主要是采用经典的解析法理论计算出来的，这种条件下，截面的变形是按平截面假定；结构的抗力是在对杆件体系破坏过程进行分析的基础上，运用破坏阶段法，得出了各种极限状态下截面拉区应力（由钢筋承担）和压区应力（由混凝土或混凝土和钢筋共同承担）组合的弯矩（或剪力、轴力、扭矩）抗力，由此推导出杆系结构各种受力（弯、剪、扭，或复合受力）模型下结构的配筋理论计算公式，通过公式求解钢筋量。破坏阶段截面的混凝土和钢筋的材料应力按下列方法确定：

混凝土只计压应力，压应力与应变的本构关系为：

钢筋的应力应变关系采用理想弹塑性模型：

3.2 经典结构配筋理论的适用条件

从以上经典结构配筋计算理论分析可知，经典结构配筋计算理论适用于杆系结构，因为杆系结构受力变形截面变形可按平截面假定考虑，其次截面混凝土应力图形和钢筋应力图形可分别概化为公式（1）～（4）。

而以上两个条件，非杆系结构受力后均不符合。

4 结构配筋理论的改进

对于非杆件体系钢筋混凝土结构，根据《水工混凝土结构设计规范》（SL191—2008），其钢筋用量可由弹性理论分析方法求得的弹性主拉应力图形面积确定。

方法：按主拉应力在配筋方向的投影图形的总面积计算钢筋截面积As（见图1），并应符合下式要求：

式中：K——承载力安全系数；

fy——钢筋抗拉强度设计值；

T——由钢筋承担的拉力设计值，T=ωb；

ω——截面主拉应力在配筋方向投影图形的总面积扣除其中拉应力值小于0.45ft后的面积图形，但扣除部分的面积不宜超过主拉应力总面积的30%；

b——结构截面宽度。

钢筋的配置方式应根据应力图形及结构受力特点确定。当配筋主要由承载力控制，且结构具有明显的弯曲破坏特征时，受拉钢筋可集中配置在受拉区边缘；当配筋主要由裂缝宽度控制时，钢筋可在拉应力较大范围内分层布置，各层钢筋的数量与拉应力图形的分布相对应。

图1 按弹性应力图配筋

5 应力配筋法的实践

以淮安市里运河楚州控制工程节制闸底板结构计算及配筋说明应力法配筋的设计过程。

5.1 工程简介

淮安市里运河楚州控制工程为闸站桥三结合方案，闸底板与两侧边墩均采用空箱结构。节制闸与泵站并列布置，节制闸闸室为开敞式平底板结构，1孔，闸孔净宽为30m，底板顺水流方向长34m，闸底板厚3.8m，闸室两侧布置液压启闭机及其配套电气设备。闸门采用底轴驱动下翻门，共计1扇，相应配置2台QPPYⅠ－3200kN液压启闭机和一套电气及自动化设备。

5.2 结构分析

采用有限元分析软件ABAQUS对节制闸底板及闸墩结构整体建模进行结构分析，现摘录底板跨中应力云图进行分析如下。

根据节制闸底板应力云图，选择顺水流向最不利的上游端0.5m处进行断面配筋计算。将应力云图转化为该断面的应力图，如图2。

图2 节制闸上游端（0.5m处）断面应力图

5.3 配筋设计

6 结语

随着计算机技术的发展，结构的计算理论发展迅速，但对结构配筋理论的研究和运用却显得滞后。运用应力图形进行配筋法来解决水工非杆件结构的承载状态配筋是一种行之有效的方法，但仍需进一步研究其正常使用条件下的配筋设计问题，使配筋体系逐步完善■