钢筋混凝土管结构计算程序研发

何姜江 饶俊勇

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)



·计算机技术及应用·

钢筋混凝土管结构计算程序研发

何姜江 饶俊勇

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

研究了现浇钢筋混凝土管结构的计算原理和方法，采用Visual Basic语言编制了钢筋混凝土管结构计算程序，并以某工程设计数据为例，对程序的功能进行测试和验证，经测试，该程序可准确计算钢筋混凝土排水卧管的荷载、内力、变形、配筋、裂缝开展宽度等，可满足工程设计需求。

钢筋混凝土管，结构计算程序，土压力，荷载

现浇钢筋混凝土管为内圆形外城门形结构，由于其施工方便，安全可靠，在水利、市政、电力、化工等领域应用非常广泛。火力发电厂常用于灰场排洪系统、厂区排洪系统及厂内供排水管道等。现浇钢筋混凝土管为三次超静定结构，荷载及结构沿中心轴对称，断面厚度沿圆周变化，常用内力计算方法主要有柏氏内力系数法、分块法和有限单元法。通过查阅相关资料和文献发现，目前国内无专门的现浇钢筋混凝土管结构计算程序。经调查，目前工程设计人员一般采用手算或者电子表格进行计算。现浇钢筋混凝土管主要承受内水压力、外水压力、土压力、汽车荷载等外部荷载，工况组合多，受力复杂，内力计算和结构计算异常复杂，工作量大，也容易出错，优化设计费时费力。通过对其算法进行研究，开发，可计算钢筋混凝土排水卧管的设计程序，准确计算钢筋混凝土排水卧管的荷载、内力、变形、配筋、裂缝开展宽度，为可研、初步设计提供比较准确的工程量，为施工图设计提供技术保证。

1 计算原理

1.1 荷载及荷载组合

作用在现浇钢筋混凝土管道上的荷载主要有管顶垂直土压力、地面活荷载(车辆、地面堆料以及其他施工荷载等)产生的垂直及水平压力、管侧水平土压力、管内活体重、管自重、管底地基反力以及管道内水压力(工作压力和试验压力)等。

1.1.1 土压力计算

1)管顶垂直土压力。

qs=KFSγS(Hs-Hw)+γbHw。

其中，qs为管顶均布垂直土压力，kN/m；γS为管顶覆土天然容重，kN/m3；γb为管顶覆土饱和容重，kN/m3；Hs为管顶覆土深度，m；Hw为管顶地下水深度，m；KFS为集中土压力系数，埋地式管道取1.0，根据水规，厂区地面式管道可取1.20。

2)管顶拱形荷载。

q拱=γb(t+0.5D)。

其中，q拱为管顶拱形荷载，kN/m；γb为管顶覆土饱和容重，kN/m3；t为管道壁厚，m；D为管道直径，m。

3)管侧均布荷载。

q侧=ξγS(Hs-Hw)+ξγfHw+γwHw。

4)管侧三角形荷载。

q侧三=ξγS(2t+D)(不考虑地下水作用)。

q侧三=ξγf(2t+D)+γw(2t+D)(考虑地下水作用)。

1.1.2 地面荷载

地面荷载考虑为地面堆载和汽车荷载，两者不同时存在，以大者计。汽车荷载分5个等级，分别是10 t汽车、15 t汽车、20 t汽车、30 t汽车和50 t履带，根据管道埋深通过查取表1相应的管顶作用均布压力计算，同时考虑汽车轮压动力系数，轮压动力系数与埋深有关，见表1和表2。

表1 汽车荷载压力系数计算表

表2 轮压动力系数计算表

1.2 荷载组合

根据钢筋混凝土管道运行情况，一般计算以下3个设计工况:工况1：管内无水，不考虑地下水作用。工况2：管内无水，考虑地下水作用。工况3：管内有水，不考虑外部荷载。根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合。

承载能力极限状态：S=γGSG+γkSk。

正常使用极限状态：S=SG+Sk。

其中,γG为永久荷载的分项系数，取1.35；γk为可变荷载的分项系数，取1.40；SG为按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；Sk为地面堆载(汽车荷载)效应值。

1.3 内力计算

钢筋混凝土管结构内力计算采用柏氏系数法。该法系采用柏氏变形仪实测出管道在不同荷载作用下，管壁中心线的管底(A点)、顶(B点)和腰(C点)三截面弯矩、轴向力和剪力系数。根据不同的管道壁厚δ与内半径r0的关系，即δ=r0/2，δ=r0/3和δ=r0/6，查出不同部位的各种内力系数值(如已知设计管道之壁厚与内半径的比值，可内插求取系数)，查出内力系数后，再乘以相应之荷载强度及半径，即可得出该点的内力。

1.4 结构计算

程序中的钢筋混凝土结构设计计算部分的程序编制以GB 50010—2010混凝土结构设计规范为依据。

2 工程应用

2.1 设计输入数据

某工程采用钢筋混凝土管，主要设计数据如下：内径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；饱和容重：17.000 kN/m3；覆土深度Hs：70.000 m；地下水深Hw：60.000 m；内水压力Hn：80.000 m；内摩擦角φ：20.000°；地面堆载：10.000 kN/m2；汽车等级：汽20 t；恒载分项系数：1.35；活载分项系数：1.40；基础类型：软基；保护层厚度c=30.0 mm；混凝土等级：C30；钢筋等级：HPB335。计算模型见图1。

2.2 计算结果

根据拟定算法，分别计算各荷载工况的内力，并根据内力计算结果进行结构设计，如下：内侧环向配筋：直径16，间距200 mm,配筋面积1 005.3 mm2,最大裂缝0.140。外侧环向配筋：直径16，间距200 mm,配筋面积1 005.3 mm2,最大裂缝0.225。纵向配筋：直径16，间距200 mm,配筋面积1 005.3 mm2。程序界面及计算结果见图2。

3 结语

基于成熟的钢筋混凝土管道内力计算算法，编制管道设计程序，可实现荷载、内力和配筋计算。经算例验证，程序计算准确，使用方便，可满足工程设计需求。该程序可应用于水利、市政、电力、化工等领域的钢筋混凝土管道设计。

[1] 何姜江.现浇钢筋混凝土管结构分析程序[Z].

[2] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[3] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[4] 李惠英.倒虹吸管[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[5] 给水排水工程结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[6] 约翰逊.Visual Studio 2012高级编程[M].北京：清华大学出版社，2014.

[7] CECS 145∶2002，给水排水工程埋地矩形管管道结构设计规程[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，硕士，高级工程师

TP311

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