箱涵结构设计中美规范的对比及应用

2022-01-05张凯李建强田永杰曾祥磊

水利水电工程设计 2021年4期

张凯李建强田永杰曾祥磊

由于受多种因素的约束和限制，国内外水利水电设计规范在一定程度上存在着差异性，对规范理解不够充分，就会导致在实际设计施工过程中发生质量不达标、工期延误等问题，因此加深对国内外设计规范的比较极其重要[1]。

我国水利水电工程设计、施工等技术水平均处于世界领先地位，加强国际间合作与交流，将国内技术和国际技术深度融合，对推动我国水利水电相关企业走出去，增强企业的国际竞争力有重要意义。在进行箱涵结构设计、计算时，我国主要使用的规范为SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》[2]，而目前世界各国主要参考和使用的规范为美国的ACI318M-05《Building Code Requirement for Structural Concrete》规范，即美国混凝土结构设计规范（ACI 318M-05）[3]。本文详细对比论述了中美规范在箱涵结构设计、计算方面的差异性，为海外工程该类建筑物海外设计、计算时提供参考意义。

1 中美规范箱涵结构计算的对比

1.1 混凝土抗压强度

1.1.1 中国规范

中国规范GB/T 50081—2002将立方体强度值作为混凝土强度的基本指标，并把立方体抗压强度（fcu）作为评定混凝土强度等级的标准。

1.1.2 美国规范

美国规范ASTM C31中，评定混凝土强度的基本指标是圆柱体强度值，混凝土强度等级评定标准也是圆柱体抗压强度（fc′）。经过比对，中美规范的混凝土抗压强度关系大约为fc′=0.8fcu。

1.2 设计表达式

（1）中国规范SL 191—2008规定，按承载能力极限状态进行钢筋混凝土结构的设计计算，应使用以下设计表达式：

式中K——承载力安全系数；

R——结构构件的截面承载力设计值；

S——荷载效应组合设计值。并有如下规定。

1）基本组合

当永久荷载对结构产生不利影响时，表达式如下：

当永久荷载对结构产生有利影响时，表达式如下：

2）偶然组合

式中SG1K——结构自身及设备重量等永久荷载标准值产生的荷载效应；

SG2K——土压力、淤沙压力及围岩压力等永久荷载标准值产生的荷载效应；

SQ1K——一般可变荷载标准值产生的荷载效应；

SQ2K——可控制其不超出规定限值的可变荷载标准值产生的荷载效应；

SAK——偶然荷载标准值产生的荷载效应。

（2）美国规范ACI 318M-05规定，在进行强度设计计算时，应使用以下计算表达式：

式中φ——强度折减系数，一般取0.9；

U——要求的强度。

1.3 受弯构件正截面承载力计算

为防止受弯构件混凝土开裂后，受拉钢筋屈服的情形，应控制构件纵向受拉钢筋的最小配筋率；此外，还要防止构件出现受压区混凝土在纵向钢筋受拉屈服之前就已被压碎的脆性破坏。

1.3.1 最小配筋率

（1）中国规范SL 191—2008要求，最小配筋率应满足：

（2）美国规范（ACI 318M-05）要求，最小配筋率应满足：

式中fc′——混凝土抗压强度标准值，MPa；

ft——混凝土抗拉强度设计值，MPa；

fy——钢筋抗拉强度设计值，MPa；

ρmin——最小配筋率，%。

1.3.2 最大配筋率

（1）中国规范SL 191—2008要求，最大纵筋配筋率与界限配筋率相同，同时受压混凝土被压碎时的配筋率，与构件界限（平衡）破坏时的相对受压区高度相对应，对于相对界限受压区高度有以下计算表达式：

（2）美国规范ACI 318M-05）要求，最大配筋率应满足：

式中Es——钢筋弹性模量，MPa；

β1——与等效矩形受压构件中性轴长度有关的系数，一般取0.85。

2 工程应用

2.1 工程概况

喀麦隆某水电站工程，位于喀麦隆南部的恩特姆河上，采用引水式开发，工程区地震基本烈度为Ⅵ度，设计烈度为Ⅵ度。主要建筑物级别为2级，如拦河坝、溢洪道、水电站厂房和输水渠道、尾水隧洞等。本工程箱涵结构主要为输水明渠排水涵，位于输水明渠进水口右侧，排水涵典型断面图如图1所示。

图1 排水涵洞（箱涵）典型断面图（单位：mm）

排水涵地基主要为全风化花岗片麻岩和残积黏土，涵洞基岩的力学参数见表1。

2.2 计算参数与荷载

箱涵结构承受的荷载主要有箱涵内外水的压力、箱涵外土的压力、箱涵顶部的车辆荷载，以及箱涵结构自身重量等。假设排水箱涵计算厚度0.4 m（底部厚度0.5 m）；将整个模型作为计算单元来计算负荷；排水箱涵计算单宽B=1 m；不考虑帷幕灌浆和排水设施，在扬压力计算中，不考虑折减系数α=1。

本文拟分析箱涵结构在施工期、运行期及检修期各个阶段下的受力情况，确定计算完工、运行和检修3种工况。

箱涵结构计算各项参数见表1～4。

表1 岩土体力学参数

表2 回填材料参数

表3 混凝土材料参数

表4 钢筋材料参数

2.3 有限元模型及边界条件

按照箱涵实际尺寸进行建模，尺寸为b×h=2.3 m×2.7 m，底板厚度为0.5 m，顶板及侧墙厚度均为0.4 m，单宽为1 m。坐标系x轴为垂直水流方向；y轴为顺水流方向；z轴为重力方向，向下为正，高程389.36 m处为z轴零点。边界条件确定采用基础梁板弹性地基梁法来模拟涵洞和基岩之间的弹性作用，根据George Gazetas计算方法，得到线弹簧刚度K，计算模型及边界条件如图2所示。

图2 箱涵计算模型及边界条件

2.4 箱涵结构计算成果比较分析

按照中、美规范技术要求，分别对箱涵结构进行了荷载、截面应力和正截面受弯构件配筋等方面的计算，得到了各自的配筋，对配筋结果的对比情况见表5。

通过表5可以看出：

表5 配筋结果的对比情况

（1）按照中国规范进行箱涵结构计算得到的实际配筋面积比按照美国规范进行计算得到的实际配筋面积要小，这主要是由于此箱涵结构各部位的弯矩较小，按最大弯矩进行配筋计算的配筋面积As小于按最小配筋率进行配筋的配筋面积As，min，为了满足最小配筋率的要求，最后的实际配筋面积Asa是按照最小配筋率进行的配筋，而中美规范中对于最小配筋率的要求相差较大，所以得到的实际配筋面积有差别。

（2）如果弯矩较大，使配筋率ρ超过最小配筋率ρmin，则要根据最大弯矩进行实际配筋，这样按两种规范进行计算后的配筋结果相差很小，在10%左右。

（3）利用中国规范进行配筋设计更经济，利用美国规范进行配筋设计更为安全，按两种规范进行设计各有所长。