钢筋混凝土暗涵配筋计算程序的研发

汪彪 赵静伊

(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)

0 引言

火力发电厂给、排水系统主要包括循环冷却水系统、补给水系统、雨水系统、污废水处理系统、灰场排水系统等。由于施工方便，对恶劣环境的适应能力强，钢筋混凝土暗涵在循环冷却水系统、雨水系统及灰场排水系统中的使用越来越广泛，其中主要有循环水沟、取排水沟道、灰场排洪卧管等。由于不同条件下，暗涵的使用环境区别很大，因此，混凝土沟道的断面尺寸差异大，形状及受力条件复杂，计算工况多[1]。

1 暗涵设计概况

对于圆形暗涵，当暗涵埋深较深时，会承受土压力、地面活荷载等外力，同时受到内(外)水压力的影响。由于受力条件好，许多的圆形管道的形式选用内圆外城门洞形，火电厂代表的就是灰场的排洪卧管。目前国内外常用的城门洞形暗涵计算方法为柏氏变形仪实测内力系数法，柏氏变形仪实测内力系数法最早出现于美国垦务局编制的DOZ-2574论文中第14号“在单元筒式管道上用柏氏变形仪做应力分析”，该论文中说明在三种单筒式管道上用柏氏变形仪推求应力，试验的结果在14种不同荷载作用下，得出管壁中线上各个位置的弯矩、法向力、剪力等内力系数[2]。使用柏氏变形仪实测出管道在不同荷载作用下，可查得相应内力系数，从而得到该点内力。对于暗涵基底压力，软弱地基和坚硬地基的压力曲线有较大区别，故内力系数法的使用需先明确地基条件。

对于矩形暗涵，作为超静定空间结构，底板、侧壁及顶板相互连接成为一个空间整体，将实际结构分解为平面结构后，矩形暗涵可以简化为单层刚架结构。依据《建筑结构静力计算实用手册》(中国建筑工业出版社)中单层刚架的计算方法[3]，根据不同的荷载条件，计算出支座和跨中反力和弯矩后，再进行配筋计算。

2 程序说明

程序对暗涵分别采用承载力极限状态和正常使用极限状态进行分析，根据现行GB 50010—2010混凝土结构设计规范(2015年版)，按正截面受弯进行配筋设计，满足正常使用极限状态下裂缝开展宽度的要求[4]。

2.1 荷载及荷载组合

针对暗涵特殊的工作环境，分为内水外空、内空外水土工况计算。对于内空外水土工况，考虑暗涵所处环境的积水对荷载的不同影响，将内空外水土工况分为考虑地下水作用和不考虑地下水作用的两种工况。计算的三种工况如下：

工况一，涵内无水，不考虑地下水作用。

工况二，涵内无水，考虑地下水作用。

工况三，涵内有水，不考虑外水土作用。

2.2 地面荷载

地面荷载考虑地面堆载[5]和汽车荷载，二者不同时存在，取二者的大者。地面堆载取10 kN/m2，准永久值系数取0.5，汽车荷载根据实际汽车等级选取。

3 程序应用

为验证程序的计算合理性，利用该程序与已有计算工具进行比较，并对计算结果进行对比分析。

3.1 圆形暗涵模块的应用

某电厂灰场钢筋混凝土排洪卧管，内径1.6 m，壁厚0.4 m。采用圆形暗涵计算模块进行结构计算，与设计计算结果进行对比。

3.1.1设计输入

圆形暗涵设计输入见表1。

表1 圆形暗涵计算参数表

3.1.2设计计算结果

设计计算的A,B,C处，各工况下弯矩设计值见表2。

表2 各工况下A,B,C处弯矩设计值 kN·m

3.1.3程序计算

程序首先根据计算参数进行了结构及配筋计算，计算结果见图1。

结果显示，程序计算内、外环最大弯矩与手算结果差均为0.163 kN·m，相差为0.11%。

3.2 矩形压力沟道应用

某电厂雨水暗涵埋深较深，拟采用矩形暗涵，净空尺寸为1 m×1 m。利用程序矩形暗涵模块进行结构计算，与理正计算结果进行对比。

3.2.1设计输入

矩形暗涵设计输入见表3。

表3 矩形暗涵计算参数表

3.2.2理正计算

矩形暗涵利用理正工具箱计算，各工况下弯矩设计值见图2。

3.2.3程序计算

程序进行了暗涵的结构及配筋计算，满足裂缝与抗剪切的计算结果，见图3。

程序计算与理正工具箱计算各部位最大弯矩差0.342 kN·m，最大相差为0.39%。

4 结语

利用所研发的钢筋混凝土暗涵配筋计算程序对圆形和矩形暗涵进行结构配筋计算后，结果表明：

1)程序可自动对圆形及矩形暗涵进行内力计算，选取最大弯矩进行配筋计算，省去了设计人员弯矩计算和配筋计算的工作量。

2)程序可自动统计工程量，对于矩形暗涵，可同时进行暗涵顶板、底板的抗剪切验算；对于配筋，可显示当前的计算配筋面积，实际配筋面积和裂缝宽度，方便校核。

3)程序计算与设计人员计算、理正计算弯矩值相比，计算结果基本一致，最大相差仅为0.39%，表明程序计算结果合理准确；程序在保证准确性的前提下，满足工程设计需要，提高了设计效率。