EM111022104水工钢筋溷凝土结构强度设计中文稿.docx
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EM111022104水工钢筋溷凝土结构强度设计中文稿
EM1110-2-2104--水工钢筋溷凝土结构强度设计--中文稿
内部资料
注意保存
国外水电标准译文
水工钢筋混凝土结构强度设计Strengthdesignforreinforced-concretehydraulicstructures
美,EM1110-2-2104
2003年修订版,
中国水电工程顾问集团公司编译
二?
?
五年八月
1
工程师手册
编号:
1110-2-21042003年8月20日修订
工程与设计
水工钢筋混凝土结构强度设计
EM11110-2-2104～1992年颁布,
2003年第一次修订
本次修订是针对1992年6月30日颁布的EMll10-2-2104中
第3章的正文和图表。
此外～还增加了第3章的条文说明,
美国陆军工程师团
2
编译者序
《水工混凝土结构设计规范》DL,T5057-1996颁布执行近九年～为推动可靠度理论在水电工程中的应用～并为进一步修订《水工钢筋混凝土结构设计规范》,DL,T5057-1996,奠定基础～中国水电工程顾问集团公司组织翻译美国陆军工程师团的工程师手册《水工钢筋混凝土结构强度设计》,EM1110-2-2104,,2003年修订版,。
我国《混凝土结构设计规范》,GB50010-2002,在条文说明7.7中专门指出对美国混凝土学会编制的《美国混凝土结构建筑规范》ACI318有所借鉴。
而美国陆军工程师团的工程师手册《水工钢筋混凝土结构强度设计》,EMll10-2-2104,与美国混凝土学会的《美国混凝土结构建筑规范》,ACI318-02,二者有着紧密的联系。
EMll10-2-2104几乎处处引用ACI318～但不重复叙述。
所以在用EMll10-2-2104时～要同时放一本ACI138规范在手边一起用。
EMll10-2-2104反映水工结构特殊性是采用水力系数“Hƒ,l.3,对直接受拉的构件万Hƒ,l.65,～在条文说明中指出H,1.3的来历是:
在过去使用允许应力设计方法时～水工结构中的混凝土构件的允许应力从0.45ƒc’'减至0.35ƒc’'而0.45/0.35大约是Hƒ值?
3。
EMll10-2-2104-2003年版在“l-4背景”里阐述了一个观点～以前采用多荷载系数～使得计算工作量大～所以2003年版允许用单荷载系数,这反映了一种尽量简化的设计思想。
在采用系数尽量简化的同时对公式的推导却不惜笔墨,力求要使用者明白～如在附件B的推导。
在美国规范公式的推导和应用中,偏好利用应变三角形相似的关系。
在附录C的算例中～已知截面和钢筋～校核承载能力～其算法与我
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国规范明显不同的是用应变三角形相似的关系～以εs?
εy校验钢筋屈服先于混凝土开裂。
这有利于对概念的理解和应用。
EMll10-2-2104提供了应用算例～通过算例使规范的条文具体化了～方便了对该手册的学习应用。
本手册由中国水电工程顾问集团公司组织编译～主要供内部参考使用。
在中国水电工程集团公司周建平总工程师的指导下,由水利水电勘测设计标准化信息网组织翻译,并在西北勘测设计研究院的大力支持下～保证了编译工作的顺利进行。
本手册由西北勘测设计研究院赵书丽、陈明莉、李可佳翻译,杨超校核,冯兴中技审;北京勘测设计研究院刘更新、陈建苏统校、编辑。
对给予本手册编译过程中支持和关心的人员～特此表示感谢:
由于时间仓促,水平有限,在编译过程中可能存在不少问题在所难免,希望大家指正,并在此表示由衷谢意:
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第1章前言………………………………………………………
（1）1-1用途………………………………………………………
（1）1-2适用性………………………………………………………
（1）1-3参考文献……………………………………………………
（1）1-4背景…………………………………………………………
（1）1-5一般规定……………………………………………………
（2）1-6范围…………………………………………………………
（2）1-7计算机程序…………………………………………………
（2）1-8废除…………………………………………………………
（2）
第2章配筋的细部设计…………………………………………（3）2-1概述…………………………………………………………（3）2-2质量…………………………………………………………（3）2-3锚固、钢筋设臵和接头……………………………………（3）2-4弯钩与弯筋…………………………………………………（3）2-5钢筋的间距…………………………………………………（3）2-6钢筋的混凝土保护…………………………………………（3）2-7搭接…………………………………………………………（4）2-8温度和收缩钢筋……………………………………………（4）
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第3章强度及适用性……………………………………………（5）
3-1总则…………………………………………………………（5）
3-2稳定性分析…………………………………………………（5）
3-3需要的强度…………………………………………………（5）
3-4钢筋的设计强度……………………………………………（8）
3-5最大受拉钢筋………………………………………………（8）
3-6变形与开裂的控制…………………………………………（9）
3-7墙的最小厚度………………………………………………（9）
强度及适用性条文说明………………………………………（9）
C（3-1总则……………………………………………………（9）
C（3-2稳定性分析……………………………………………（11）
C（3-3需要的强度……………………………………………（11）
第4章弯曲和轴向荷载………………………………………（15）
4-1设计假定和一般规定……………………………………（15）
4-2受弯和受压能力------仅对受拉钢筋…………………（15）
4-3受弯和受压能力------受拉和受压钢筋………………（16）
4-4受弯和受拉能力…………………………………………（18）
4-5双轴弯曲和轴向荷载……………………………………（18）
第5章剪切………………………………………………………（19）
5-1抗剪强度…………………………………………………（19）
5-2特殊直线构件的抗剪强度………………………………（19）
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5-3孤形构件的抗剪强度……………………………………（19）
5-4经验方法…………………………………………………（19）
附件A符号………………………………………………………（20）
附件B弯曲荷载和轴向荷载的公式推导………………………（21）
附录C验证实例…………………………………………………（28）
附录D设计实例…………………………………………………（32）
附录E相互作用图………………………………………………（38）
附录F具有双向弯曲的轴向荷载的实例………………………（41）
第1章前言
1-1用途
本手册为采用强度设计法设计水工钢筋混凝土结构提供指导。
1-2适用性
本手册适用于所有负责土木工程的美国陆军工程师团总部/总工程师办公室所有部门、主要的下属单位、分区、实验室以及现场作业活动。
1-3参考文献
a.EM1110-l-2101,结构设计的工作应力。
b.EMl110-2-2902～水道、涵洞以及管道。
c.CW-03210,混凝土配筋用的钢筋、焊接钢筋网和附件的土建工程施工准则规范。
d.ACI318,美国混凝土协会,～钢筋混凝土建筑规范及条文说明～Box19150～RedfordStation～Detroit～MI48219。
e.ACI350R,美国混凝土学会,～环境工程混凝土结构～Box19150～
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RedfordStation～Detroit～MI48219。
f.ASTMA615,89,美国材料试验学会,,混凝土配筋用的变形和光面坯段钢钢筋的标准规范,1916RaceSt.～Philadelphia,PA19103。
g.AWSDl.4-790,美国焊接学会,～结构焊接规范-钢筋～550NWLeJeuneRD.～P.O.Box351040,Miami,FL33135。
h.美国陆军工程师团水道试验站技术报告SL-80-4,Jul.1980,,水工钢筋混凝土结构的强度设计～报告1:
初步强度设计准则,3909HallsFerryRoad,Vicksburg,NS39180。
i.美国陆军工程师团水道试验站技术报告SL-80-4,Sep.1981,～水工钢筋混凝土结构的强度设计,报告2:
用于设计和分析受弯曲和轴向组合荷载作用的水工钢筋混凝土结构构件的设计辅助工具～3909HallsFerryRoad,Vicksburg,NS39180。
j.美国陆军工程师团水道试验站技术报告SL-80-4,Sep.1981,～水工钢筋混凝土结构的强度设计～报告3:
T型墙设计,3909HallsFerryRoad,Vicksburg,NS39180。
1-4背景
a.水工钢筋混凝土结构物是受下列一种或多种影响的结构:
浸没～波浪作用～射流～化学污染的空气～以及恶劣的气候条件。
常用的水工结构物有消力池底板和边墙、混凝土衬砌的渠道、部分电站厂房、溢洪道闸墩、扩散与束流墙、挡水墙、最高水位和波浪作用以下的进水口和出水口结构、闸墙、导水墙及护墙～以及与水接触的挡土墙。
b.总体来说～工程师团采用EMl110-1-2101的工作应力法设计的现有水工钢筋混凝土结构物仍然非常好。
为与本行业、大学和其它工程设计机构保持协调～工程师团在1981年开始采用强度设计法,Liu1980～1981及Liu和Gleason1981,～1981年9月15日发布的ETL1110-2-265《水工钢筋混凝土结构强度设计准则》～是陆军工程师团第一份为采用
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强度设计法设计水工结构提供指导的文件。
该准则应用多荷载系数需要的工作量很大～某些荷载系数组合条件做出的设计比采用工作应力法的设计更保守～这一事实最终导致编制并于1988年3月10日发布了ETL1110-2-312《水工钢筋混凝土结构强度设计准则》。
C（在ETL1110-2-312中荷载修正系数是用来确保最终设计如同采用工作应力法一样安全。
此外还引进了单荷载系数概念。
该准则最初在荷载系数、混凝土应力-应变关系和60级钢筋屈服强度方面不同于ACI318《钢筋混凝土建筑规范》的条文规定和说明。
ETL1110-2-312旨在使其设计与采用工作应力法做出的设计相同。
D（陆军工程师团早期的强度设计法与ACI规范有区别～因为ACI318未包括适用于水工结构需要的规定。
强度和稳定性是必须的～但适用的挠曲、开裂和耐久性同样需要考虑。
水工结构物的重要性已促使陆军工程师团小心而慎重地朝着只用强度设计法的方向发展。
e.本手册用一种类似于ACI350R-89的方法修改并补充了ETL1110-2-312。
采纳ACI318中给出的混凝土应力-应变关系和60级钢筋的屈服强度。
同样～荷载系数ACI318的更相似～并考虑水工结构适用性的需要～采用水力系数Hƒ对其作了修正。
f.与ETL1110-2-312一样～本手册允许在恒载和活载中使用单一荷载系数。
另外～当作用在结构构件上的荷载包括土壤结构稳定分析得出的反作用力时～需采用单一荷载系数法。
1-5一般规定
除下述规定之外～水工钢筋混凝土结构应根据现行的ACI318～按强度设计法进行设计。
采用的符号与ACI318及其条文说明中所用的符号一样～但本文规定的除外。
1-6范围
a本手册十分详细～不仅为设计人员提供设计程序～而且提供了应
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用实例。
此外～为了增强设计人员的领会和理解～还给出了组合弯曲和轴向荷载公式的推导。
b第2章介绍细部设计的一般规定。
第3章介绍强度和适用性要求～包括受弯钢筋的荷载系数及限值。
第4章给出受弯曲和/或轴向荷载作用的构件的设计公式,包括双向弯曲,。
第5章介绍剪切设计导则～包括对弯曲构件和专用直线构件的规定。
附录中包括符号说明、公式推导和实例。
实例内容为:
荷载系数应用、受弯曲和轴向组合荷载作用的构件设计、剪切设计、相互作用特性曲线的绘制以及受双向弯曲作用的构件设计。
1-7计算机程序
用于设计和分析水工钢筋混凝土结构的计算机程序复本及文件可从工程技术计算机程序库,美国陆军工程师团水道试验站～3909HallsFerryRoad～Vicksburg～Mississippi～39180ˉ6199,获得。
对于考虑弯曲和轴向组合荷载的设计～只要遵照本手册给出的荷载系数和配筋率～任何符合ACI318导则的程序都是可使用的。
1-8废除
基于ETR1110-2-312的陆军工程师团CSTR计算机程序,X0066,
CASTER程序是基于这本新的工由CASTR计算机程序,X0067,所替代。
程师手册编制的。
第2章筋的细部设计
2-1概述
本章给出了水工结构混凝土各种构件配臵和铺设钢筋的导则。
2-2质量
钢筋的类型和等级限定在ASTMA615,坯段钢,～60级。
应避免采用40级钢筋～因为它的可用性是有限的～而且采用本手册程序基于40
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级钢筋的设计过于保守。
ACI318允许使用的其它类型和等级的钢筋～在得到更高一级部门同意的情况下允许特例使用。
2,3锚固、钢筋设臵和接头
锚固、钢筋设臵和接头要求应符合ACI318和下述的要求。
由于设臵长度要依据混凝土强度及钢筋位臵、功能、尺寸、类型、间距和保护层等众多因素而定～设计人员必须在合同图纸上标明钢筋设臵所需的埋入长度。
同样的理由～图纸应示出接头长度和特殊要求～如接头的搭接等。
应认真编制施工技术规范～以确保它们与图纸上示出的钢筋细部设计相吻合。
2,4弯钩与弯筋
弯钩与弯筋应符合ACI318的要求。
2,5钢筋间距
a最小间距。
平行钢筋之间的净距不得小于钢筋额定直径的1-l/2倍～也不得小于粗骨料最大直径的1-l/2倍。
14号和18号钢筋的间距,中到中,分别不得小于6in和8in。
当铺设两层或更多层平行钢筋时～层与层之间的净距不得小于6in。
在水平层中～上层钢筋应正对铺设在下层钢筋上。
在垂直层中～应采用同一取向。
施工大体积钢筋混凝土结构时～一层钢筋的中心间距只要可能应设为12in～以方便施工。
b最大间距。
主钢筋和辅助钢筋的最大中心间距不得超过18in。
2-6钢筋的混凝土保护
各类混凝土截面钢筋的最小保护层应符合下示尺寸。
标明的尺寸是从钢筋边缘到混凝土表面的净距。
钢筋的最小净保护
混凝土截面
层～in与基础连接的不成形表面4
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受空蚀或磨耗侵蚀影响的成形或修平表面～如消力
墩和静水池底板
6成形和修平表面～如消力池墙～陡槽式溢洪底板和
斜槽渠道衬砌底板
厚度等于或大于24in4厚度等于12in～小于24in3厚度等于或小于12in～按ACI318确定注:
任何情况下保护层不得小于骨料最大额定粒径的l.5倍～或最大钢筋直径的2.5倍。
2,7连接
a概述。
钢筋应按要求连接～并应在合同图纸上标出接头位臵。
应避免在最大拉应力点处连接（当必须进行这样的连接时～应错开接头。
钢筋接头可搭接或对接。
b搭按接头。
大于11号的钢筋不得搭接。
受拉接头应纵向错开连接～在规定搭接长度内任一截面处搭接的钢筋不超过一半。
如果错开接头不实际～则应遵循ACI318的适用规定。
c对接接头。
1,概述。
大于1l号的钢筋应对接。
ll号或小于l1号的钢筋不得对接～除非经细部设计清楚证明其对接是正确的或是经济的。
由于大于11号的钢筋～特别是18号钢筋的对接成本高～所以应认真考虑采用小号钢筋的替代设计方案。
应按照下面段落中的规定～用铝热焊法或经批准的机械对接法完成对接接头。
通常～由于焊接钢筋有内在的不定因素～所以不允许采用弧焊接头。
但是～如果必须弧焊～应按AWSD1.4《结构焊接规范-钢筋》的要求进行。
对接接头的受拉强度应达到钢筋规定屈服强度（ƒy,的125,。
对大于ll号的钢筋～其受拉接头应纵向错接至少5ft～错开距离相当于11号或更小号钢筋规定的搭接长度～使
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任一截面处连接的钢筋不超过一半。
小于14号钢筋的受拉接头应纵向错接～错距等于规定的搭接长度。
14号和18号钢筋应纵向错接至少5ft～使任一断面处连接的钢筋不超过一半。
2,铝热焊。
铝热焊应只限于符合ASTMA615的钢筋,坯段钢,～基于桶样分析的硫含量不超过0.05,。
铝热焊法应符合指导性规范CW-03210的规定。
3,机械对接。
机械对接应依据指导性规范CW-03210的规定～采用经批准的散热螺纹连接器、模锻套管～或其它有利的连接形式完成。
设计人员应认识到机械接头有错动的可能性～并应坚持将本手册中规定的试验条款写入合同文件～并在施工中应用。
2-8温度和收缩钢筋
a在设计受温度与收缩应力影响的结构构件时～钢筋面积应为混凝
in间土毛截面面积,每面一半,的0.0028倍～最大面积等于每面按12距设臵的9号钢筋。
一般来说～薄截面的温度与收缩钢筋不小于每面按12in间距设臵的4号钢筋。
b如果钢筋必须用来分散应力和温度与收缩～经验和/或分析可能表明～需要设臵多于2-8a段中规定的钢筋量。
c通常～当分析中考虑约束力时～就没有必要在主受拉钢筋的平面和方向上增加温度与收缩钢筋。
但是～主钢筋不得少于上述确定的收缩与温度钢筋。
第三章强度及适用性
3-1总则
a.非水工结构与水工结构。
所有钢筋混凝土水工结构必须满足强度和适用性的双重要求。
在强度设计法中～这用适当的荷载系数乘以工作荷载～对水工结构乘一个附加水力系数Hƒ来实现。
该系数适用于所有的
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荷载系数公式。
然后用增加的荷载求得水工结构所需的标准强度。
采用水力系数替代附加的适用性分析。
b.单荷载系数法和修正ACI318系数法。
两种方法都适合于确定采用强度设计法设计水工结构物所需的计算力矩、剪力和推力。
它们是单荷载系数法和以略有修改的ACI318为基础的方法。
在此对这两种方法做一介绍。
c.稳定性要求。
除满足强度和适用性要求外,许多水工结构还必须满足各种荷载和基础条件下的稳定性要求。
d.非水工结构。
不能归入水工类的钢筋混凝土结构和结构构件按本手册设计～但不使用水力系数。
3,2稳定性分析
a.无系数荷载。
必须按照EM2101《水工结构稳定性分析》～用无系数荷载对水工结构进行稳定性分析。
然后用无系数荷载和最终的反作用力来确定结构临界截面处的无系数力矩、剪切和推力。
然后用适当的载荷系数、水力系数乘以无系数力矩、剪力和推力～以确定用于决定截面特征所需的标准强度。
b.土与结构相互作用的荷载系数。
当作用在被分析的结构构件上的荷载包括自土与结构相互作用,SSI,稳定性分析得到的反作用力,如墙基础,时～必须采用单荷载系数法。
为简化和方便应用～单荷载系数法一般应用于这类结构的所有构件。
基于ACI318的荷载系数法可用于结构的一些非-SSI的相关构件～但必须谨慎使用～以保证荷载组合不会产生不安全后果。
3,3需要的强度
a.一般规定。
钢筋混凝土水工结构和水工结构构件的设计应根据
下
列规定达到所需的强度Uh～以承受恒载和活载。
应采用水力系数确定所
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有轴向荷载、力矩和剪力,斜向拉力,组合所需的标准强度。
特别是～抗剪钢筋的设计应考虑过大剪力、水力系数计算的极限剪力,Vuh,与混凝土提供的抗剪强度,φVc,之间的差～其中φ为混凝土抗剪设计系数。
因此～钢筋的剪力设计Vs由下式得出:
,,,V1.3Vuhc（3.1）,,,Vs,,,,,
b.单荷载系数法。
在单荷载系数法中～恒载和活载乘以同一荷载系数。
=1.7（+）（3.2）UDL
式中:
U---非水工结构的系数荷载,
D---恒载的内力和力矩,
E---活载的内力和力矩。
Uh=Hƒ[1.7（D+L）]（3.3）
式中:
Uh---水工结构的设计荷载,
Hƒ---水力系数。
对于水工结构～基本荷载系数,1.7,乘以水力系数,Hƒ,～其中Hƒ,1.3～直接受拉的构件除外。
对直接受拉的构件～Hƒ,1.65。
经与CECW-ED协商和同意后也可采用其它值。
除上述情况外～本设计还包括非正常或极端荷载影响的抗力～如风、地震或其它历时短和发生概率低的力。
在这些情况下～应采用下列荷载组合之一:
对于非水工结构
U=0.75U（3.4）W或E
对于水工结构
U=Hƒ（0.75U）（3.5）W或E
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式中:
U---包括风或地震影响的非水工系数荷载。
W或E
c.修正的ACI318法。
ACI318规定的荷载系数可直接用于水工结构～但有两处改动。
侧向流体压力系数,F,应取17～而不是ACI318规定的1.4。
另外～对于水工结构～ACI318规定的总设计荷载的系数荷载组合,U,～应增加水力系数Hƒ=l.3～直接受拉的构件除外。
对直接受拉的构件,Hƒ=l.65。
对于非水工结构
U=1.4D+1.7L（3.6）
对于水工结构
U=HƒU=Hƒ（1.4D+1.7L）（3.7）h
对特定的水工结构,如U形框架的船闸和水道,活载可对用于确定总系数荷载影响的系数荷载组合起卸荷作用。
在此情况下,应对系数恒载和活载,活载系数为1,组合进行研究～并在设计文件中报告。
U=Hƒ（1.4D+1.0L）（3.8）h
d.地震影响。
如果需要抵御地震荷载,E,～应采用下列定义和荷载组合。
l,异常和极端荷载。
地震荷载被认为是异常或极端荷载～因为它们的发生概率低而且持续时间短。
因它们的发生概率低～在推求荷载组合时～还可把它们与正常工作荷载,如水工结构的正常运行水位,组合。
2,设计地震的定义。
在推求地震荷载时～需考虑三种不同的地震。
最大可信地震,MCE,、最大设计地震,MDE,和运行基本地震,OBE,都是在进行强度和适用性设计时可能采用的的临界地震。
a,最大可信地震,MCE,。
如ERl110-2-1806所定义～MCE是基于地震学和地质资料可合理预计在结构物位臵附近震源发生的最大地震。
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对一个特定的位臵来说～可确定多个MCE～每个MCE都有它们各自特定的地面运动参数和波谱形状。
b,最大设计地震,MDE,。
如ER1ll0-2-1806所定义～MDE是所设计或评价的结构物的最大地面运动。
尽管容许发生严重的损坏或经济损失～但相关的性能要求是～工程维持运行不发生灾难性破坏。
对于重要结构物～MDE与MCE相同。
对于其它结构物～MDE应选择比MCE小的地震～它可提供达到适当安全标准的经济的设计。
MDE可称为决定性或概率性地震事件,在许多情况下～合理地震由百年超越概率l0,～即950年重现期得出,。
MDE荷载由于发生概率极低,可能震级高,～被认为是极端荷载情况～应与常见荷载、预期的正常荷载和库水位组合使用。
c,运行基本地震,OBE,。
如ER1101-2-1806所定义～OBE是可合理预期在工程使用期限内发生的地震
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