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第12章 水工大体积混凝土结构设计中的若干问题（第1页）

　　与普通钢筋混凝土板、梁、柱构件相比，水工建筑物中的某些混凝土结构有它独特的地方，主要有如下5个方面：

　　（1）结构尺寸因稳定（抗滑、抗倾、抗浮）或运用的需要常为大体积块体结构。

　　（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，配筋量仍然很多。

　　（3）大体积混凝土中水泥水化热很大，结硬后的混凝土内部有很大的温升，从而形成内外温差使得块体表面出现拉应力，当拉应变超过混凝土极限拉应变时就导致温度裂缝的发生。为限制温度裂缝的开展宽度，就需配置相当数量的温度钢筋。

　　（4）结构常浸没在水中，或承受水压，或处于干湿交替环境，有的还遭受冻融、冲刷或空蚀等作用。故耐久性常为水工混凝土结构的重要问题。

　　（5）不少水工钢筋混凝土结构型体十分复杂，如蜗壳、尾水管、坝内孔口、坝内埋管、背管等，均属于非杆件体系，无法求出截面内力、按一般极限状态理论计算配筋量。

　　由于水工结构具有上述特点，用普通钢筋混凝土结构的设计理论设计时，会遇到一些无法解决的困难。现行水工混凝土结构设计规范对上述这些问题作了尽可能的反映，这也是水工混凝土结构设计规范的特色。有关耐久性要求的内容已在本教材第8章作了介绍，本章将简述剩余的三个问题：最小配筋率、温度作用设计、非杆件体系的配筋。

　　12。1水工钢筋混凝土结构的最小配筋率

　　钢筋混凝土结构构件的最小配筋率pmin是一个至今未能透彻解决的问题。对水工结构来说，由于运用上的需要和满足稳定的要求，构件截面尺寸常常十分巨大，而外力荷载却并不很大，按承载力计算所需要的配筋率常常远小于最小配筋率。但按规定，这时的配筋面积应按最小配筋率乘以构件截面面积计算。在水工结构中，厚度为1～2m的底板和墩墙是常见的，4～5m或以上的底板和墩墙也不少，此时，即使取用了最低限度的最小配筋率（如0。1%），需要配置钢筋截面面积仍有4000～5000mm2之多，也就是每米要配置5根直径为32～36mm的钢筋。有时由于配筋量过大，还得配置2层或3层钢筋。所以，对水工钢筋混凝土结构来说，最小配筋率的正确制定是一个十分关键的问题。本节介绍水工混凝土结构设计规范最小配筋率规定的变革过程、确定最小配筋率的原则及现行水工混凝土结构设计规范对最小配筋率的规定。

　　12。1。1我国水工混凝土结构设计规范最小配筋率规定的变革

　　许多国家的设计规范都规定了最小配筋率限值，但相互间差别相当大，所依据的原则也不尽一致，主要是根据国家经济实力和技术经济政策，并尊重传统经验而定的。

　　我国设计规范中，有关最小配筋率的规定长期以来是照套前苏联早期规范的。例如，用于房屋建筑的《钢筋混凝土结构设计规范》（tj10—74）所规定的纵向钢筋最小配筋率，就是完全套用前苏联规范的；后来的《混凝土结构设计规范》（gbj10—89）也只是在tj10—74规范的基础上，对受拉钢筋的最小配筋率作了一些小小的调整。直到《混凝土结构设计规范》（gb50010—2002），才把tj10—74规范规定的最小配筋率数值有所提高，并考虑了钢筋等级对最小配筋率的影响。

　　《水工钢筋混凝土结构设计规范》（sdj20—78）（以下简称水工78规范）对最小配筋率是这样处理的：它把最小配筋率的条文列入“强度（即承载力）计算”中，又把水工结构构件分为两类：对于截面尺寸由承载力条件确定的构件，规定纵向受力钢筋的配筋率应不小于规范规定的最小配筋率，其限值则与tj10—74规范完全一样，见表12-1；对于截面尺寸由抗滑、抗倾、抗浮或布置等条件所确定的大体积结构，则规定可以不受最小配筋率的限制，在某些情况下，其配筋量还可按“少筋混凝土理论”，降低其承载力安全系数后计算得出。

　　表12-1水工78规范采用的纵向受力钢筋的最小配筋百分率（%）

　　水工78规范如此处理最小配筋率，存在如下几个问题：

　　（1）将最小配筋率列入强度（承载力）计算章节，是只从承载力的观点来考虑最低限度的配筋量，而没有同时从正常使用功能（如限制裂缝宽度）的角度来衡量配筋限度。

　　（2）将结构分成截面尺寸由强度（承载力）条件和非强度（承载力）条件确定的两大类，并认为后一类构件可以不受最小配筋率的限制。但对如何划分这两类结构却没有提出明确的标准，在实际工程中，有些结构就很难判断应归于哪一类。而且对于后一类构件，由于没有最小配筋率的限制，当其截面尺寸很大时，由承载力计算得出的配筋量理论上可降低到接近于零，这对于构件的安全与否，无法加以确切的论证。

　　（3）对于需要遵守最小配筋率的构件，从表12-1可知，在截面尺寸和外力荷载条件完全相同的情况下，当承载力计算所需的配筋率小于最小配筋率时，混凝土强度越高（也就是混凝土质量越好），所需配置的受拉钢筋用量反而越多，这在本质上是难以理解的。

　　（4）它没有规定受弯构件必须配置受压钢筋，但对于受压区受力条件更为有利的偏心受拉构件，却限定了受压钢筋的最小配筋率p′min，这显然不够合理。

　　（5）由于它采用了定值的最小配筋率，因此截面尺寸越大，所需配置的钢筋量就越多，这在外荷载和材料强度不变的条件下，从本质上讲也是不够合理的。这对于截面尺寸不会太大的房屋建筑来说，影响还不是很大，但对于水工结构来说，影响就很大了。

　　（6）它是以构件的受力状态划定最小配筋率的，但同为受弯构件的梁和板，及同为受压构件的柱和墙，受力的条件并不完全一样。板、墙全面超载的可能性就小得多，所以它们的最小配筋率理应与梁、柱有所不同。

　　（7）和国外规范相比，它的最小配筋率定得过低，特别是受压柱的最小配筋率。

　　在综合对比分析世界各国规范的规定，吸收国内外规范中的合理部分的基础上，《水工混凝土结构设计规范》（slt191—96）和《水工混凝土结构设计规范》（dlt5057—1996）[1]对最小配筋率进行了两条重大的修改：

　　（1）对于一般钢筋混凝土结构构件，纵向受力钢筋的最小配筋百分率修改为表12-2所列的数值。

　　表12-2水工96规范的纵向受力钢筋的最小配筋百分率（%）

　　（2）对于大厚度的受弯构件（底板）及大偏压构件（墩墙），其受拉钢筋的最小配筋率可由表12-2所列的最小配筋率pmin乘以截面所承受的外力矩γdm（γd为结构系数，m为弯矩设计值）与该截面的极限弯矩mu的比值

　　）得出，即其最小配筋率改为

　　，从而使得厚板和墩墙的配筋量不随板厚或墙厚的增加而增大。

　　与以往的规范相比，水工96规范对最小配筋率的改革是比较彻底的。首先，它所列的最小配筋率不再与混凝土等级有关，而变为与钢筋等级有关；其次，它取消了偏心受拉构件的受压钢筋的最小配筋率；第三，它把偏心受压构件的受拉钢筋和受压钢筋的最小配筋率取为同一值；第四，它对梁与板、柱与墙的最小配筋率分别取值；最后，也是最重要的，对于大尺寸的厚板和墩墙，它既没有像水工78规范那样取消最小配筋率的限制，也没有像《钢筋混凝土结构设计规范》（tj10—74）那样固守一个定值的最小配筋率，而采用了一个能随截面尺寸增大而降低的最小配筋率，从而使最终得出的配筋用量能保持在一个不变的水平上。

　　从多年的工程设计实践来看，水工96规范关于最小配筋率的条文总体上是合理的。