浅谈水工少筋混凝土结构设计方法

阳运青 李运福

（衡阳市水利水电规划设计院 衡阳市421008）

少筋混凝土结构是指配筋率低于普通钢筋混凝土结构的最小配筋率、介于素混凝土结构和钢筋混凝土结构之间的一种少量配筋的结构，简称少筋混凝土结构。

这类结构在水利工程设计中是在所难免的，有时，它在某些水工混凝土工程结构中处于制约设计的重要地位。从逻辑概念讲，只要有素混凝土结构的存在，必定会有少筋混凝土结构的应用范围，因为它毕竟是素混凝土和适筋混凝土结构之间的中介产物。

凡经常或周期性地受环境水作用的水工建筑物所用的混凝土称水工混凝土，水工混凝土多数为大体积混凝土，水工混凝土对强度要求则往往不是很高。在一般水工建筑物中，如闸墩、闸底板、水电站厂房的挡水墙、尾水管、船坞闸室等，在外力作用下，一方面要满足抗滑、抗倾覆的稳定性要求，结构应有足够的自重；另一方面，还应满足强度、抗渗、抗冻等要求，不允许出现裂缝，因此结构的尺寸比较大。若按钢筋混凝土结构设计，常需配置较多的钢筋而造成浪费，若按素混凝土结构设计，则又因计算所需截面较大，需使用大量的混凝土。

对于这类结构，如在混凝土中配置少量钢筋，在满足稳定性的要求下，考虑此少量钢筋对结构强度安全方面所起的作用，就能减少混凝土用量，从而达到经济和安全的要求。因此，在大体积的水工建筑物中，采用少筋混凝土结构，有其特殊意义。

关于少筋混凝土结构的设计思想和原则，我国《水工混凝土结构设计规范》（SL191—2008）作了明确的规定。

1 规范对少筋混凝土结构的设计规定

对少筋混凝土结构的设计规定体现在最小配筋率规定上，这里将《水工混凝土结构设计规范》（SL191—2008）（下文简称“规范”）有关最小配筋率的规定，进行摘录并阐述。

1.1 一般构件的纵向钢筋最小配筋率

一般钢筋混凝土构件的纵向受力钢筋的配筋率不应小于“规范”中表9.5.1（附表）规定的数值。温度、收缩等因素对结构产生的影响较大时，最小配筋率应适当增大。当结构有抗震设防要求时，钢筋混凝土框架结构构件的最小配筋率应按“规范”第13章的规定取值。

1.2 大尺寸底板的纵向钢筋最小配筋率

卧置在地基上以承受竖向荷载为主、板厚大于2.5m的底板，当按受弯承载力计算得出的纵向受拉钢筋配筋率ρ小于表9.5.1项次1规定的最小配筋率ρ0min时，配置的纵向受拉钢筋最小截面面积A，可按下列近似公式计算：

附表 规范中表9.5.1钢筋混凝土构件纵向受力钢筋基本最小配筋率ρ0min %

式中 K——承载力安全系数，按“规范”中表3.2.4采用；

M——底板承受的弯矩设计值（N/mm），按“规范”中3.2.2条的规定计算；

fy——纵向钢筋的抗拉设计值（N/mm2），按“规范”中表4.2.3-1确定；

b——板宽（mm）；

ρmin——板的受拉钢筋最小配筋率，按“规范“中表9.5.1项次1取值。底板受拉钢筋配筋面积不得小于截面面积的0.05%；对于厚度大于5m的底板，可不受此限制，但每米宽度内的钢筋面积不小于2500mm2。

底板受压区的纵向钢筋可按构造要求配置。

1.3 大尺寸墩墙的纵向钢筋最小配筋率

厚度大于2.5m的墩墙，当按承载力计算得出的竖向钢筋的配筋率小于规范中表9.5.1规定的最小配筋率时，可按下列方法处理：

（1）当墩墙按大偏心受压构件计算，计算得出的墩墙一侧的竖向受拉钢筋As的配筋率小于规范中表9.5.1项次3规定的最小配筋率ρ0min时，受拉钢筋As的最小截面面积可按式（9.5.2）计算，但式中M用Ne’替代，N为墩墙承受的轴向压力设计值，e’为轴向压力至受压区混凝土合力点的距离。

（2）当墩墙按轴心受压或小偏心受压构件计算，计算得出的全部竖向钢筋的配筋率小于规范中表9.5.1项次2规定的最小配筋率ρ0min时，全部竖向钢筋的最小截面面积As’可按下列近似公式计算，但不小于截面面积的0.04%（或一侧不小于0.02%）：

式中 N——墩墙承受的轴向压力设计值（N），按“规范”中3.2.2条的规定计算；

fc——混凝土轴心抗压强度设计值（N/mm2），按“规范”中表4.1.5确定；

ρ’min——轴心受压构件全部纵向钢筋的最小配筋率,按“规范“中表9.5.1项次2取值。

1.4 特大截面的最小配筋用量

对于截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置等条件确定的厚度大于5m的结构构件，规范规定：如经论证，其纵向受拉钢筋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。

规范对最小配筋率作了三个层次的规定，即对一般尺寸的梁、柱构件必须遵循规范中表9.5.1的规定；对于截面厚度较大的板、墙类结构，则可按规范中表9.5.2及表9.5.3规定计算最小配筋率；设计时可根据具体情况分别对待。

为慎重考虑，目前仅建议对卧置于地基上的底板和墩墙可采用此最小配筋率计算方法，对于其他结构，则仍建议采用规范中表9.5.1所列的基本最小配筋率计算，以避免因配筋过少，发生裂缝情况。

经验算，按以上方法的最小配筋率配筋，其最大裂缝宽度在容许范围内。对处于恶劣环境的结构，为控制裂缝不过宽，宜将本规范中表9.5.1所列受拉钢筋最小配筋率提高0.05%。大体积构件的受压钢筋按计算不需配筋时，则可仅配构造钢筋。

2 规范的应用举例

（1）例1。一水闸底板，板厚3.0m，采用C20级混凝土和HRB335级钢筋，每米板宽承受弯矩设计值M=220 kN/m（已包含γ0、φ系数在内），试配置受拉钢筋As。

解：①取1m板宽，按受弯构件承载力公式计算受拉钢筋截面面积As。

按规范中表9.5.1计算As=ρ0minbh=0.15%×000×3000= 4500mm2

实际选配每米6Φ18（As=1526mm2）

讨论：对大截面尺寸构件，采用规范中9.5.2计算的可变的ρmin比采用规范表9.5.1所列的固定的ρ0min可节省大量钢筋，本例为1500/4500=1∶3。

② 若将此水闸底板的板厚h增大为4.5m，按式（1）计算的As为：

可见，采用规范中9.5.2计算最小配筋率时，当承受的内力不变（未计自重），则不论板厚再增大多少，配筋面积As将保持不变。

实际须按满足ρ≥0.05%条件，则As=ρminbh=0.05%× 1000×4500=2250mm2配筋。

（2）例2。一轴心受压柱，承受轴向压力设计值N= 9000kN；采用C20级混凝土和HRB335级钢筋；柱计算高度L0=7m；试分别求柱截面尺寸为b×h=1.0m×1.0m及2.0m×2.0m时的受压钢筋面积。

解：①当b×h=1.0m×1.0m时，轴心受压柱承载力公式为：

L0／b＝7＜8，属于短柱，稳定系数φ=1.0，

由规范表9.5.1项次2查得ρ0min=0.6%，对一般构件，应按ρ0min配筋，As=ρ0min×A=0.6%×106=6000mm2

② 当b×h=3.0m×3.0m时，若仍按一般构件配筋，则As=0.6%×3.0×3.0×106=54000mm2

现因构件尺寸已较大，按式（2）计算最小配筋：

讨论：对大截面尺寸构件，采用规范中9.5.3计算的可变的ρmin比采用规范中表9.5.1所列的固定的ρ0min可节省大量钢筋，本例为7313/54000=1∶7.38。

3 结 语

规范对最小配筋率作了三个层次的规定：

（1）对一般尺寸的梁、板、墙、柱构件必须遵循规范中表9.5.1的规定。

（2）对于卧置在地基上以承受竖向荷载为主、板厚大于2.5m的底板，当按受弯承载力计算得出的纵向受拉钢筋配筋率ρ小于规范中表9.5.1项次1规定的最小配筋率ρ0min时，计算纵向受拉钢筋最小截面面积As，则可按规范中9.5.2式计算。

（3）厚度大于2.5m的墩墙，当按承载力计算得出的竖向钢筋的配筋率小于规范中表9.5.1规定的最小配筋率时：

●当墩墙按大偏心受压构件计算，计算得出的墩墙一侧的竖向受拉钢筋As的配筋率小于规范中表9.5.1项次3规定的最小配筋率ρ0min时，受拉钢筋As的最小截面面积可按式（1）计算，但式中M用Ne’替代，N为墩墙承受的轴向压力设计值，e’为轴向压力至受压区混凝土合力点的距离。

●当墩墙按轴心受压或小偏心受压构件计算，计算的全部竖向钢筋的配筋率小于规范中表9.5.1项次2规定的最小配筋率ρ0min时，全部竖向钢筋的最小截面面积As’可按式（2）计算，但不小于截面面积的0.04%（或一侧不小于0.02%）：

对于截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置等条件确定的厚度大于5m的结构构件则可按规范9.5.3处理。设计时可根据具体情况分别对待。

为慎重考虑，目前仅建议对卧置于地基上的底板和墩墙可采用变化的最小配筋率，对于其他结构，则仍建议采用规范中表9.5.1所列的最小配筋率计算，以避免因配筋过少，发生裂缝无法抑制的情况。

经验算，按所建议变化的最小配筋率配筋，其最大裂缝宽度在容许范围内。对于处于恶劣环境的结构，为控制裂缝不过宽，宜将本规范中表9.5.1所列受拉钢筋最小配筋率提高0.05%。大体积构件的受压钢筋按计算不需配筋时，则可仅配构造钢筋。

设计人员要用价值工程的原理来进行设计方案分析，要以提高价值为目标，以功能分析为核心，以系统观念为指针，以总体效益为出发点。不能片面强调节约投资，设计中既要反对片面强调节约，忽视技术上的合理要求，使工程项目达不到功能要求，又要反对只重视技术、轻经济比较、设计保守浪费的现象，从而真正地达到优化设计效果。