中美规范沟道设计对比

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

1 概述

目前国家推进“一带一路”建设暨国际产能和装备制造合作，要求央企紧密结合“一带一路”建设积极推动国际产能合作，促进形成优进优出格局和新一轮高水平对外开放。华北电力设计院有限公司紧跟国家“一带一路”建设和国际产能合作战略导向，积极践行国际优先战略，牢牢把握发展机遇，持续巩固和拓展国际战略布局，坚持国际业务多元化发展，实现了国际业务的持续健康发展，随着国际项目的增加，设计也跟国际接轨，越来越多地采用美标、欧标等，沙特吉赞JIGCC取排水口项目就采用了美标进行设计。

沙特吉赞JIGCC取排水口项目是阿美石油公司为吉赞经济城的大型发电厂所招标的取排水口的项目，位于吉赞海边。JIGCC海水系统设计海水供应能力为501000 m3/h，用于供应电厂和炼化厂，使用新建人工湖用于储存供水并最终将水排到大海，并使用了次氯酸钠加药系统用于防止生物污染。该项目的合同类型为集详细设计、材料采购和施工于一体的总价交钥匙合同，华北院承担了包括取水水道(Intake Canal)、重载道路跨越桥(Heavy Haul Bridge)、取水格栅系统(Inlet Screens)、取水泵站(Inlet Pumpstation)、取水渠及溢流槽(Intake Channel and Bypass Channel)、 蓄 水湖 (Inplant Lagoon)、集水池(Collection Basin)、排水沟渠及雨水沟(Discharge channel and Stormwater conveyance system)、出水口结构(Outfall Tank and Structure)等。项目中沟道较多，下面将以取水渠(Intake Channel)的一个典型断面为例，对比国标和美标条件下的沟道设计。

图1 取水渠(Intake Channel)断面示意图

图1是取水渠(Intake Channel)的一个断面示意图，沟道侧壁及中间隔墙高度4.75 m，壁厚400mm，最大填土高度3.75 m，最大内水深度4.696 m，底板厚度0.6 m，长度23.2 m。

2 混凝土及钢筋

2.1 混凝土

取水渠采用的混凝土强度等级为5000 psi(约 35 MPa，1 psi=6.894757 kPa)，这是根据沙特阿美公司工程标准技术规范SAESQ－001选取的，沙特规范基本上是引用美标，在实际的计算过程中都是按美标的规定进行计算。不同于国标中按立方体抗压强度标准值确定混凝土强度等级，美标中混凝土强度采用的是圆柱体抗压强度，这里混凝土强度等级5000 psi混凝土基本对应现行国家标准《混凝土结构设计规范》 GB 50010中的C40混凝土。除5000 psi外，混凝土美标中经常用到的混凝土强度等级还有3000 psi、4000 psi、6000 psi，分别相当于国标中强度等级为C25、C35、C50的混凝土。

表1 美标和国标中混凝土强度等级对应关系及抗压强度设计值

取水渠所处的环境为海岸环境，内壁接触海水，如果按现行国家标准《混凝土结构设计规范》 GB 50010，环境类别按表3.5.2 混凝土结构的来分类，环境等级应为三b或四，按表3.5.3结构混凝土材料的耐久性基本要求，环境等级应为三b时混凝土的最低强度等级为C40。

取水渠的内壁均采用了海水涂层，外壁不与地下水接触，采用土体涂层。国内对类似的处于三类环境中的混凝土结构构件，也规定了采用涂层等增强耐久性的防护措施；耐久性环境类别为四类和五类的，耐久性要求还应符合相关标准的规定，海水环境可参考现行国家标准《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T 50476，四类环境可参考现行行业标准《港口工程混凝土结构设计规范》 JTJ 267，五类环境可参考现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》。

2.2 钢筋

取水渠采用钢筋级别为60级的钢筋，钢筋强度为fy=420 MPa(60000 psi)，与现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010中的HRB400级钢筋的屈服强度标准值(fyk=400 MPa)接近，但国标配筋计算中钢筋强度用的是设计值，HRB400级钢筋的抗拉强度设计值为fy=360 MPa，钢筋的强度设计值为强度标准值除以材料分项系数γs，除高强度500 MPa级钢筋γs取1.15外，其他延性较好的热轧钢筋γs取1.10，美标配筋计算中直接取屈服强度标准值而不需要除以材料分项系数。美标中除60级钢筋外，还有级别为40级、75级、80级的钢筋，其钢筋强度分别为40000 psi(280 MPa)、75000 psi(520 MPa)、80000 psi(550 MPa)。

国内钢筋的公称直径(单位mm)有6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、50等， 而 在 美 标 ASTM A615/A615M－2013中主要有10、13、16、19、22、25、29、32、36、43、57号钢筋，对应的公称直径(单位mm)分别为9.5、12.7、15.9、19.1、22.2、25.4、28.7、32.3、35.8、43.0、57.3。 在做国外项目时，应根据施工现场的材料采购沟通，确定可以采购到的钢筋直径，因为国外的情况与国内不同，很可能有些直径的钢筋采购不到，而且公称直径与国内不同，也有可能与美标的标准直径不同，沙特项目中用到的钢筋与国内类似，但有些直径的没有。及时良好的沟通能避免不必要的时间消耗，节省设计人员的时间和精力，加快出图进度。

在沙特项目中，钢筋采用的是环氧树脂涂层钢筋，需要注意的是，订购钢筋后，需要监理在加工现场确认对应采购钢筋的加工是合格的，方可进场使用，如果后面对钢筋的需求情况有变化，这些钢筋将不能直接用于其他项目，因此在钢筋大量采购后如果图纸有升版，最好不要改变所用钢筋的直径，尽量调整间距，以免造成浪费。

国内项目中，对处在三类环境中的混凝土构件，也需采用环氧树脂涂层钢筋、其他具有耐腐蚀性能的钢筋、阻锈剂、采取阴极保护措施或采用可更换的构件等措施以满足耐久性技术要求。

由于取水渠与海水接触，根据沙特阿美公司工程标准技术规范SAES－Q－001，钢筋的最小保护层厚度为75mm。现行国家标准《混凝土结构设计规范》 GB 50010中的表8.2.1 混凝土保护层的最小厚度c (mm)中，环境等级三b时保护层最小厚度为40mm(板、墙/壳)。美标对钢筋的最小保护层厚度的要求更高，在美标规范下设计时应注意。

3 设计荷载

3.1 设计荷载类型

在取水渠的结构计算中，考虑的荷载包括结构自重(后面荷载组合中用D表示)、水压力(F)、土压力(H)、地面堆积活荷载(L)、地震动荷载(E)。

除了地震动荷载外，结构自重计算、水压力计算、土压力计算等要根据材料的类型和参数进行计算，这与国内的设计是一样的。下面以侧壁为例，列出侧壁的部分荷载计算结果。

地震动荷载包括侧壁的惯性力、水的冲击荷载、水的对流荷载、动土压力、竖向动水压力，这些荷载简化为集中荷载加在侧壁上。对于国内的地下沟道计算，一般不考虑地震动荷载作用。

侧壁的惯性力计算主要依据ACI 350.3－06的公式4-1a计算：

图2 水压力

图3 土压力

图4 地面堆积活荷载

P'W施加位置距离池底的高度为0.5倍的侧壁高度。

水的冲击荷载主要依据ACI 350.3－06 的公式4-3计算：

但上式计算出来的水的冲击荷载是整个水池的冲击荷载，对每侧的侧壁应按1/2Pi施加。Pi施加位置距离池底的高度按ACI 350.3－06的公式9-3及9-4计算。

图5 侧壁的惯性力

图6 冲击荷载

水的对流荷载主要依据ACI 350.3－06 的公式4-4计算：

但式(3)计算出来的水的冲击荷载是整个水池的对流荷载，对每侧的侧壁应按1/2Pc施加。Pc施加位置距离池底的高度按ACI 350.3－06的公式9-5计算。

图7 对流荷载

竖向地震产生的动水荷载按ACI 350.3－06的公式4-14计算：

计算得到的动水荷载(等效静荷载)为9.518 kN/m，距离池底的高度为1/3的水深，即1.565 m。

动土压力按Mononobe－Okabe法计算：

其中PA为主动土压力：

地震产生的动土压力计算结果(等效静荷载)为PE=10.278 kN/m，距离池底的高度为0.6倍的填土高度(2.25 m)，对侧壁的弯矩为23.125 kN·m/m。而主动土压力的计算合力为为Pa=40.513 kN/m，距离池底的高度为1/3的填土高度(1.25 m)，对侧壁的弯矩为50.641 kN·m/m。动土压力的弯矩与主动土压力对侧壁的弯矩比值为0.457。

上面计算的各地震动荷载应按SRSS组合，计算出总的地震动荷载，包括合力和弯矩。

3.2 荷载组合

在取水渠的结构计算中，美标中考虑的荷载组合见表2。

表2 美标中考虑的荷载组合

而按国标设计时，对侧壁的结构计算，一般对外侧配筋按有土无水工况，将土压力按恒载取1.35的系数，地面堆积活荷载按活荷载取1.4的系数进行组合，对于内侧配筋，水压力按恒载取1.35的系数进行计算。

对于底板计算，国内一般按池壁处作为支点的连续梁进行计算，而在沙特项目中是不被接受的，在计算中可以用MIDAS等国际上认可的软件模拟计算，得出最大弯矩和剪力值，然后进行配筋计算。

3.3 稳定安全验算

与国内项目类似，美标中也要求进行结构的稳定安全验算，包括抗滑、抗倾覆、抗浮验算等，但安全系数的要求不同，如抗滑移安全系数国内要求1.3，在沙特项目中为1.33；抗倾覆安全系数国内要求1.6，在沙特项目中为1.5。

4 配筋计算

4.1 正截面配筋计算

在按国标进行配筋计算时，对于承载能力极限状态，采用的设计表达式是γ0Sd≤Rd，其中γ0是结构重要性系数，对不同的安全等级取值不同。而在美标中，设计时采用的是折减系数φ，正截面受弯计算中受拉钢筋φ=0.9，在抗剪计算中取φ=0.75。

在按美标计算配筋时，首先根据平衡方程求解初步的配筋面积：

初选钢筋，并应使配筋面积应满足ACI 350M－06中10.5.1章节中规定的最小配筋率要求。然后验算截面承载力，根据下面公式计算钢筋应力：

按选取的钢筋直径和间距，根据ACI 350M－06中公式10-5计算钢筋允许的最大应力，若大于上面算出的钢筋应力，则进一步验算钢筋间距，按ACI 350M－06中公式10-7计算钢筋最大间距。这与国标按裂缝控制钢筋有所不同。

4.2 配筋结果对比

按美标计算出的取水渠侧壁内侧配筋为直径20的钢筋，间距110mm，而用理正结构设计工具箱软件 7.0PB3 计算时，若采用相同的配筋，最大裂缝0.318mm，大于0.200mm的限值，若按裂缝控制钢筋，配筋为直径20的钢筋时，间距77mm，配筋面积大于美标算出的结果。但实际上，这是按裂缝控制钢筋的配筋结果，若只看按平衡方程算出的配筋面积，国标算出的配筋面积是2259mm2，美标算出的配筋面积是2195mm2，还是比较接近的。

按美标计算出的取水渠侧壁内侧配筋为直径14的钢筋，间距110mm，而用理正结构设计工具箱软件 7.0PB3 计算时，若采用相同的配筋，最大裂缝0.127mm，满足要求。若只看按平衡方程算出的配筋面积，国标算出的配筋面积是1202mm2，美标算出的配筋面积是1314mm2，也是比较接近的。

5 国外工程设计经验总结

在沙特吉赞JIGCC取排水口项目的设计中，业主方要求提供的不仅有施工图，还有详细规范的计算书。在国内按国标设计时，计算书是不需要提交业主和设计监理审查的，但在沙特项目中，计算书跟图纸需要同时提交审查，且对计算书要求很高，如计算中采用的公式需要列出引用的规范条款，计算采用的软件必须是国际上认可的软件。施工图及计算书一般要多次提交审查，如第一次提交审查(ISSUED FOR REVIEW)、第二次提交审查(ISSUED FOR SECOND CHECK)等，每次都会提出修改意见，需要设计人员与评审人员沟通闭合意见。当回复闭合意见后才能出下一阶段版本，直至最后意见闭合才可以出版作为施工依据的施工图(ISSUED FOR CONSTRUCTION)。后续过程中，若施工监理和业主提出合理的修改意见，图纸还需要进一步升版。

相比国内工程设计而言，国际工程施工图修改过程要繁琐很多，耗时较长。沙特工程施工图要求准确、详细，比如需要将伸缩缝和施工缝的位置详细表示在图纸中，配筋细节要考虑伸缩缝和施工缝的影响等。这是因为现场的施工监理对施工过程的监督相比国内严格很多，如果图纸上没有表述非常清楚详细，施工监理往往不允许施工。因此在伸缩缝和施工缝的位置设计时，可综合考虑现场采购的钢筋的规格、长度等，通过优化各种结构缝的位置，减少截断钢筋的浪费。沙特项目中取水渠的长度长达1600多米，节省的钢筋量是很可观的。