水工纯弯构件计算分析及应用软件

陈亮亮 张晓勇 陆健 潘静

(1.安徽省城建设计研究院 安徽合肥 230601；2.安徽省电力设计院 安徽合肥 230601）

水工纯弯构件计算分析及应用软件

陈亮亮1张晓勇2陆健2潘静2

(1.安徽省城建设计研究院 安徽合肥 230601；2.安徽省电力设计院 安徽合肥 230601）

本文首先针对水工结构的自身特点，分析了按纯弯构件计算配筋的可行性。然后按照强度和裂缝两种限值要求下，得到纯弯构件计算用表和应用软件。为结构分析提供了理论基础，并提高了工作效率。

水工结构 纯弯构件 应用软件

在钢筋混凝土结构设计过程中，对于构件配筋计算，已有很多软件可以实现此步骤。但是，在整个设计过程中，此计算仅仅属于试算过程。如何利用计算得到的内力，快速查询可能的配筋、截面以及两者组合方式，才是设计人员更加希望得到的数据。因此有必要制作相关的计算用表和计算软件。

对于水工构筑物结构计算，经常按单筋矩形截面的纯弯构件计算配筋。但实际上，绝对的纯弯构件是不多的，通常都是压弯构件或者拉弯构件。如按纯弯构件进行配筋计算，必须要解决两个问题：

（1）按单筋矩形截面计算的可行性。

（2）纯弯构件配筋与拉压弯构件配筋的差别。

在解决这两个问题之前，应先对纯弯构件、压弯构件、拉弯构件的配筋计算过程进行分析。

1 纯弯构件结构计算适用性分析

1.1 纯弯构件、压弯构件、拉弯构件计算

（1）纯弯构件计算简图及平衡条件。

图1 纯弯构件计算简图

（2）压弯构件计算平衡条件（大偏心受压构件）。

图2 压弯构件计算简图

考虑到水工构筑物尺寸均便大，保护层厚度a值相当于结构尺寸来说较小，附加偏心距值相对于大偏心构件的偏心距来说较小，故取；则

将此式代入平衡条件后，平衡条件为：

（3）拉弯构件计算平衡条件（大偏心受拉构件）。

图3 拉弯构件计算简图

将此式代入平衡条件后，平衡条件为：

1.2 单筋矩形截面计算的可行性

表1 不同截面条件下截面抗弯承载力

水工结构实际工程中通常采用的钢筋为HRB335（或HRB400），混凝土为C25，C30， C35。选取不同的混凝土截面（h）及相应的保护层厚度（c），得到单筋矩形截面的弯矩限值，结果见表1。

为了进一步说明，特对截面按0.3%进行配筋，计算钢筋所能承受的弯矩及其与混凝土承受的弯矩进行对比，结果见表2。

表2 不同截面条件下截面抗弯和钢筋抗弯

从上表可以看出，由混凝土承受的弯矩限值均较大。对于实际工程中，采用单筋矩形截面进行受弯分析是合理的。根据水工结构混凝土自身特点，钢筋所能承受的弯矩值比混凝土截面承受的弯矩值要小，约是混凝土抗弯能力的20%左右。因此，在受力较大的条件下，为达到经济合理的设计，提高混凝土截面尺寸的做法比增加钢筋配筋的做法更有效。

根据以上分析，得到下面两个结论：

（1）混凝土承受的弯矩限值较大，一般均能满足实际工程的计算要求；

（2）钢筋承受的弯矩值较小，提高钢筋截面不如提高混凝土截面尺寸；

因此，根据水工结构混凝土自身特点，按单筋矩形截面计算配筋是可行的。

1.3 纯弯构件配筋与拉压弯构件配筋的差别

将三种形式的结构计算平衡式均改为单筋配筋形式，如下所列：

（1）纯弯构件计算平衡条件。

（2）压弯构件计算平衡条件（大偏心受压构件）。

（3）拉弯构件计算平衡条件（大偏心受拉构件）。

根据单筋矩形截面平衡条件，对不同构件进行配筋计算，配筋过程如下：

（1）纯弯构件。

（2）压弯构件。

（3）拉弯构件。

则：纯弯构件： CkAs1= ；压弯构件：As= k2C；拉弯构件： As= k3C；

k1、 k2、 k3直接反映了纯弯、压弯、拉弯构件的配筋大小，其值受 h0,M,N,fc影响，与fy的大小无关。

对于2k，由于，使得sA增加，同时由于N的存在，又使得As减小；

对于3k，由于使得sA减小，同时由于N的存在，又使得As增加；

因此，需采用试算法验证1k、2k、3k之间的关系。

根据水工结构常用地下池体，对以下条件分别进行计算，见表3。

表3 用于验算的结构尺寸条件

池体受外土水压力，为简化计算，采用重液压力公式： zq ⋅=γ ，其中，γ为水土混合重液的重度，可取13kN/m3。取：，得到不同条件下池体受力如下表所示，见表4。

表4 不同条件下结构受力

根据内力计算结果，采用C25混凝土时，不同条件下的配筋参数1k、2k、3k值，见表5。

表5 不同条件下纯弯、压弯、拉弯配筋比较（C25）

采用C30混凝土时，不同条件下的配筋参数1k、2k、3k值，见表6。

表6 不同条件下纯弯、压弯、拉弯配筋比较（C30）

采用C35混凝土时，不同条件下的配筋参数值，见表7。

表7 不同条件下纯弯、压弯、拉弯配筋比较（C30）

根据以上分析结果可以看出，压弯构件较纯弯构件配筋要小，平均减小量大约为10%左右，因此，对于压弯构件按纯弯构件计算是偏安全的。

拉弯构件较纯弯构件配筋要大，平均增加约15%左右，因此，对于压弯构件不可按纯弯构件进行计算，如采用纯弯构件计算，应乘以一定的放大系数。

2 纯弯构件结构计算

2.1 纯弯构件正截面承载力

（1）配筋过程。

一般计算步骤：

（2）抗弯承载能力。

2.2 纯弯构件裂缝计算

（1）裂缝宽度计算。

根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB 50069-2002）附录A，钢筋混凝土处于受弯状态时的最大裂缝宽度为：

其中：

Ψ<0.4时取0.4，Ψ>1.0时取1.0， v =0.7。

（2）抗裂承载力计算。

根据裂缝宽度计算公式，代入相应的数值，得到：

3 纯弯构件计算用表及应用软件

表格形式：表格左一列为钢筋直径，左二为设计条件（强度、最大裂缝宽度），最上一行为钢筋间距（mm），中间每一小格给出三个弯矩值，分别为：

M—按强度计算的弯矩值，为设计值；

Mq—按最大裂缝宽度（w＝0.2mm和w＝0.3mm）计算的弯矩值，为长期效应准永久作用下的弯矩值。

使用方法：由作用效应基本组合和长期效应的准永久组合求出弯矩值M，Mq后，根据同时满足强度和最大裂缝宽度的设计条件，从相关的表中直接查得钢筋的直径和间距。

从抗裂角度讲，在保证施工质量的前提下，

尽可能采用小直径密间距的配筋，同时兼顾经济的原则。

计算用表列举的数值为常用的一些数据，所表达的数据量并不全。更详细的数据显示可以在计算软件中加以实现。为便于在实际工作中使用，特制作纯弯构件计算应用软件，软件根据不同的混凝土等级、保护层厚度、钢筋级别以及不同的结构尺寸，可以生产不同条件下的弯矩承载力并供选用，软件界面见图4。

4 软件的应用及结论

根据本文分析，对于水工结构构件计算，可得到如下几个结论：

（1）按单筋矩形截面计算是可行的。

（2）压弯构件较纯弯构件配筋要小，平均减小约10%左右，因此，对于压弯构件按纯弯构件计算是偏安全的。

（3）拉弯构件较纯弯构件配筋要大，平均增加约15%左右，因此，对于压弯构件不可按纯弯构件进行计算，如采用纯弯构件计算，应乘以一定的放大系数。

随着《混凝土结构设计规范》2010版本的发布，根据本文制作的结构计算用表和计算软件，可以代替原有计算用表，提高了工作效率，已在我院多个实际工作中得到了很好的应用。

根据本文内容，制作的《水工结构纯弯构件计算软件（1.0版本）》，已获得国家版权局计算机软件著作权登记证书，证书号：软著登字第0484788号。

图4 纯弯构件计算用表应用程序界面

1 混凝土结构设计规范[S].(GB50010-2010).

2 给水排水工程构筑物结构设计规范[S].(GB50069-2002).

3 给水排水工程结构设计手册编委会. 给水排水工程结构设计手册[K]. 北京：中国建筑工业出版社.

下水位逐年下降，造成局部地段地表水补给地下水的情况。

5 结语

通过对葫芦岛市南票区节水增粮项目区域的地质与水文地质条件分析，节水增粮项目在地质和水文地质条件方面可行。

参考文献

1 史正银.银川平原地理地质与水文地质条件分析[J].科技信息,2011(21).

2 薛灵.岩土工程勘察中水文地质条件浅析[J].城市建设理论研究,2011(12).

3 卢福光.工程地质勘察中的水文地质危害分析及对策研究[J].城市建设理论研究，2013(44).

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.015

TV314

B

1672-2469(2014)09-0045-05

陈亮亮（1962年—），男，高级工程师。