水工钢筋混凝土结构-第十二章 1

1、水工大体积混凝土结构设计中的若干问题,第十二章,第节 水工钢筋混凝土结构的最小配筋率 第二节 温度作用下混凝土抗裂性能验算 及温度配筋 第三节 非杆件体系结构的配筋设计,一、结构耐久性的重要性 水工钢筋混凝土的特点： 1、结构尺寸因稳定（抗滑、倾、浮）或运用的需要所决定，常为大体积结构或块体结构。 2、按截面承载力计算所需的配筋率往往小于普通梁、板、柱所规定的最小配筋率。但若按此最小配筋率配筋，因截面尺寸很大，配筋量仍会很多。 3、水化热大-温度变形大-为限制温度裂缝的宽度，需要配置相当数量的温度钢筋。,概述,4、结构常浸没在水里，或承受水压，或处于干湿交替环境，又的还受冻融，冲刷或空蚀等作用

2、。所以耐久性为水工混凝土结构的重要问题。 5、水工建筑物结构形体复杂，很多结构为非杆件体系，无法求出截面内力，并按一般极限强度理论计算配筋量。 所以本章专门针对以上的一些问题进行解决。,一、最小配筋率规定的变革 水工96规范的最小配筋率 1、对于一般的钢筋混凝土构件（板、梁、柱），纵向受力钢筋的配筋率不应小于下表规定的数值。 2、对于截面厚度很大的受弯构件（底板）及大偏心受压构件（墩墙），其受拉钢筋的最小配筋率可由下表所列的基本最小配筋率乘以截面弯矩设计值与截面受弯极限承载力之比得出。即可按下式计算：,第一节 水工钢筋混凝土结构的最小配筋率,截面厚度很大的受弯构件（底板）及大偏心受压构件（墩墙

3、）的受压钢筋可不受最小配筋率限制，但对于墩墙的受压区应配置适量的构造钢筋。,截面尺寸很大的轴心受压或小偏心受压墩墙结构，其受压钢筋的最小配筋率 可由上表所列的基本最小配筋率 乘以截面轴向压力设计值与截面受压极限承载力之比得出，即： 3、截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置等条件确定的厚度大于5m的结构构件，如经论证，其纵向受拉钢筋也可不受最小配筋率的限制，钢筋截面面积按承载力计算确定，但每米宽度内的钢筋截面面积不得小于2500mm2。,二、配置最小配筋量的原因和确定最小配筋率的原则 见P376 三、08规定的最小配筋率,一、概述 大体积混凝土在硬结过程中产生的水化热，-内 外温差过大表层产生拉应力

4、产生早期表层裂缝或 贯通性裂缝。 块体升温到最高后开始降温结构底部的温度变 形受到基岩或老混凝土的约束无法自由伸缩发生深 层的基础裂缝。 结构稳定后外界温度的变化导致结构表层裂缝。,第二节 温度作用下混凝土抗裂性验算 及温度配筋,在大体积混凝土中，由温度作用产生的应力常比其 他的外荷载产生的总合还大。所以温控计算就十分重 要。温度问题应从控制温度和改变约束两方面解决。 用配置钢筋的办法来防止温度裂缝是不可行的。但 配置适当的温度钢筋可以限制裂缝开展的宽度，有利 于减轻发生裂缝后的严重性。 温控计算相当困难和复杂，一般只对重要的大体积 混凝土才考虑温度作用。较小的混凝土坝可以参照类 似工程的经验

5、，做好温控措施。,二、混凝土的热学性能指标 温控设计中用到的混凝土热学性能指标主要有： 1、比热：1Kg的混凝土温度升高1吸收的热量 。 2、导热系数：面积为1平方及厚度为1m的混凝土，当其两侧存在1度温差时，在1h中传导过来的热量。 3、导温系数 4、放热系数 5、线膨胀系数 一般工程或初步设计时，可参考表12-3。,三、浇筑温度、水化热绝热温升及外界温度 混凝土块体的温度场与块体的浇筑温度、本身的水泥水化热温升以及外界介质的温度有关。 （一）浇筑温度Tp 由混凝土的机口温度加上运输浇筑过程中的温度回升而定。 （二）水化热绝热温升 浇筑块在硬结过程中出现的水化热计算公式参考12-5到12-8

6、。 （三）外界介质温度 主要指气温、水温、表面日照辐射以及地温等。,四、混凝土块体的温度场计算 大体积混凝土结构的温度场可由热传导基本方程求解。 根据结构的边界条件和初始条件，求解微分方程，即可求得块体的温度场。边界条件即混凝土块体表面与周围介质的热交换条件，初始条件为浇筑温度。 但是如果结构形式和边界条件比较复杂是，温度场的计算应采用差分法或有限单元法。 五、混凝土块体的温度应力 温度作用下，由变形引起应力。 温度应力分为两种：1、自生应力；2、约束应力。,六、混凝土的应力松弛 应力松弛：混凝土在保持应变不变的条件下，应力随时间的延续而衰减的现象。 七、大体积混凝土抗裂验算 大体积混凝土结构

7、在温度作用下的抗裂验算可按下列公式进行：,八、钢筋混凝土框架的温度配筋 目前工程界对钢筋混凝土框架结构的温度配筋设计，有以下几种处理方法： 1、认为混凝土一旦开裂，温度应力自行松弛，无需专门配置温度钢筋。 2、按经验适当配置温度钢筋。 3、不考虑混凝土开裂对温度作用效应的影响，将温度作用与其他外力荷载一样对待和组合。 4、温度计算时，考虑构件开裂后刚度的降低，对构件刚度降低的估计是经验。 5、考虑混凝土的开裂，按非线性矩阵分析程序经多次叠代后，求得外力荷载和温度作用共同作用下的最终内力，并根据此配筋。,目前对水工中的非杆件体系结构的配筋设计，主要有以下3种方法： 1、对某些常用的结构构件，进行

8、了一定数量的实测试验，根据试验成果，总结出这类结构的极限承载力配筋计算公式；但这只限于少数结构，目前已有的为深受弯构件、牛腿、弧门支座等。 2、按弹性应力图形面积计算钢筋用量的方法，可通用于所有非杆件体系。 3、按钢筋混凝土非线性有限单元法，复核配筋结构的承载力和裂缝区域。,第三节 非杆件体系结构的配筋设计,一、按弹性应力图形面积配筋法 先按弹性力学或通过模型试验得出结构在工作阶段的弹性应力，按其主拉应力图形面积，算出主拉应力的合力，按主拉力的全部或部分由钢筋承担的原则，计算钢筋用量。,二、钢筋混凝土有限元分析方法 基本观点：将一连续结构离散化为有限个能满足 一定连续性条件的单元，利用虚功原理

9、，将单元的节 点荷载与单元的节点位移通过单元刚度矩阵联系起 来，然后将结构的全部节点整体编号，归并所有单元 的节点位移列阵和节点荷载列阵，分别组成整体位移 列阵和整体荷载列阵，再将所有单元刚度矩阵集合成 整体刚度矩阵，得到整个结构的平衡方程组。 结合边界条件，解出整体节点位移，由整体节点位 移得到单元节点位移，再由单元节点位移求出所需的 单元应力和单元应变。,一、概述 跨高比 的钢筋混凝土深梁、短梁和厚板，应按深受弯构件设计。此处，h为构件的截面高度； 为计算跨度，对于深梁可取 两者中的较小值，对于短梁可取 两者中的较小值，在此 为支座中心线之间的距离， 为净跨。厚板的计算跨度l0可按照深梁和

10、短梁的规定确定。 深受弯构件的正截面应变不符合平面假定。要按本节的公式计算。 工程上常将l0 /h2的简支梁或l0 /h2.5的连续梁称为深梁；将2（或2.5) l0 /h5的梁称为短梁。,第五节 深受弯构件的计算和配筋,简支深受弯构件的内力可按一般简支梁计算。连续深受弯构件的内力当 时应按弹性理论的方法计算，当 时可按一般连续梁用结构力学方法计算。 二、深受弯构件的正截面受弯承载力计算 深受弯构件的正截面受弯承载力应按下式计算：,12-27,12-28,深受弯构件的相对受压区计算高度 可按下列公式计算： 1、跨中截面： 2、支座截面： 深受弯构件的截面受弯计算高度 可按下式计算：,12-29

11、,12-30,12-31,设计时，可先按一般受弯构件，取定 及计算出 ，然后由式（12-31）求出 ，由式（12-29）或式（12-30）求出 ，再将 或 代入式（12-28）求出z，即可由式（12-27）求出所需配筋截面积 。,三、深受弯构件的斜截面受剪承载力计算 根据实验，当截面尺寸、材料强度等条件相同 时，跨高比越小，混凝土能承受的受剪承载力就越 大；而且在跨高比较大时，抵抗剪力的钢筋主要靠竖 向箍筋（或竖向分布钢筋），当跨高比较小时，则主 要靠水平箍筋（或水平分布钢筋）受力。因此在深受 弯构件中，常需要布置水平钢筋和竖向钢筋，两者各 自的受剪承载力随l0/h的变化而彼此长消。,（一）为

12、避免发生斜压破坏，深梁和短梁的截面尺寸应符合下列要求：,截面受剪计算高度可按下式计算：,（二）深梁和短梁的斜截面受剪承载力应按下列公式计算：,（三）承受分布荷载的实心厚板，其正截面受弯承载力应按下列公式计算：,按上式计算的,四、深受弯构件的正常使用极限状态验算 （一）抗裂验算 1、使用上不允许出现垂直裂缝的深受弯构件应进行抗裂验算。其验算公式可采用第八章式（8-7）和式（8-8），但截面抵抗矩塑性系数 按附录五表4取用后，尚应再乘以修正系数ar= ，此处当 时，取 2、使用上要求不出现斜裂缝的深梁，应满足下式的要求：,（二）裂缝宽度验算 使用上要求限制裂缝宽度的深受弯构件应验算裂缝宽度，按荷载

13、效应的短期组合（并考虑部分荷载的长期作用的影响）及长期组合所求得的最大裂缝宽度 不应超过附录五表2规定的允许值。其最大垂直裂缝宽度可按第八章式（8-36)和式（8-37)计算,但构件受力特征系数取为: 且当 时,可不作验算。 （三) 扰度验算 深受弯构件可不进行扰度验算。,五、深受弯构件的配筋构造 （一）深梁 1、深梁的构造尺寸 A、为了保证深梁的出平面稳定，当深梁的跨高比大于1时，其高度比不宜大于25；当深跨比小于1时，其跨宽比不宜大于25。 B、为了将深梁的荷载通过与柱的交接面传至支柱，并改善深梁的受剪与局部受压性能，支撑梁的柱宜延伸至梁顶，形成为深梁的加劲肋。深梁的中面宜与柱的中心线重合

14、。 C、当深梁的支承长度满足下列条件，可不进行支座局部受压承载力计算。,2、深梁的纵向受拉钢筋 A、深梁的下部纵向受拉钢筋应均匀地布置在下边缘以上0.2h的高度范围内，如下图所示。,B、连续深梁和连续短梁中间支座截面上部纵向受拉钢筋应按下图规定的分段范围和比例，在各段内均匀布置。对于连续深梁，可利用水平分布钢筋作为纵向受拉钢筋。当该段计算的配筋率大于水平分布钢筋最小配筋率时，超出部分应配置附加水平钢筋，并均匀配置在该段支座两边离支座中点距离为 的范围内（下图)。对 的连续深梁在中间支座以上0.2h-0.6h高度范围内总配筋率不应小于0.5%。,C、简支深梁或连续深梁的下部纵向受拉钢筋应全部伸入支座，不得在跨中弯起或切断。纵向受拉钢筋应在端部沿水平方向弯折锚固（如下图），且锚固长度不应小于附录四表2规定的数值增加5d。当不能满足上述规定时，应采取在纵向受拉钢筋上加焊横向短筋，或可靠地焊在锚固钢板上，或将纵向受拉钢筋末端搭焊成环形等有效锚固措施。,D、深梁、短梁的纵向受拉钢筋配筋率 和水平分布钢筋配筋率 、竖向分布钢筋配筋率 不应小于下表的规定。,3、深梁的水平和竖向分布钢筋 1、深梁应配置不少于两片由水平和竖向分布钢筋组成的钢筋网。 2、分布钢筋直径不应小于8mm,间距不应大于200mm,且不宜小于100mm。