EM111022104水工钢筋溷凝土结构强度设计中文稿.docx

1、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 Strength design for reinforced-concrete hydraulic structures ,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:1110-2-2104 2003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 ,EM11110-2-21041992年颁布, 2003年第一次修订 ,本次修订是

2、针对1992年6月30日颁布的EM ll10-2-2104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ACI 318有

3、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,ACI 318-02,二者有着紧密的联系。 EMll10-2-2104几乎处处引用ACI 318但不重复叙述。所以在用EMll10-2-2104时要同时放一本ACI 138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“H,l.3,对直接受拉的构件万H,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0.45c减至0.35c而0.45/0.35大约是H值?3。 EMll1

4、0-2-2104-2003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3 国规范明显不同的是用应变三角形相似的关系以s?y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

5、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: 4 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

6、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) 5 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

7、(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) 6 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

8、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.EM 1110-l-2101,结构设计的工作应力。 b.EM l110-2-2902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.ACI 318,美国混凝土协会,钢筋混凝土建筑规范及条文说明Box 19150Redford StationDetroitMI 48219。 e.ACI 350R,美国混凝土学会,环境工程混凝土结构Box

9、 191507 Redford StationDetroitMI 48219。 f.ASTMA 615,89,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,1916 Race St.Philadelphia,PA 19103。 g.AWS Dl.4-790,美国焊接学会,结构焊接规范-钢筋550 NW Le Jeune RD.P.O.Box 351040,Miami,FL 33135。 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,3909 Halls Ferry Road,Vicksburg,N

10、S 39180。 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3909 Halls Ferry Road,Vicksburg,NS 39180。 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, 3909 Halls Ferry Road,Vicksburg,NS 39180。 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

11、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EM l110-1-2101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,Liu 19801981及Liu和Gleason 1981,1981年9月15日发布的ETL 1110-2-265 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8 强度设计法设计水工结构提供指导的文

12、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ETL 1110-2-312水工钢筋混凝土结构强度设计准则。 C(在ETL 1110-2-312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ACI 318钢筋混凝土建筑规范的条文规定和说明。ETL 1110-2-312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ACI 318未包

13、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ACI 350R-89的方法修改并补充了ETL 1110-2-312。采纳ACI 318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ACI 318的更相似并考虑水工结构适用性的需要采用水力系数H对其作了修正。 f.与ETL 1110-2-312一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

14、规定 除下述规定之外水工钢筋混凝土结构应根据现行的ACI 318按强度设计法进行设计。采用的符号与ACI 318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9 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

15、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3909 Halls Ferry RoadVicksburgMississippi391806199,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ACI 318导则的程序都是可使用的。 1-8 废除 基于ETR 1110-2-312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

16、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ASTM A 615,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4010 级钢筋的设计过于保守。ACI 318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ACI 318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。

17、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ACI 318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6 in和8 in。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6 in。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

18、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 11 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24in 4 厚度等于12in小于24in 3 厚度等于或小于12in按ACI 318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

19、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ACI 318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

20、如果必须弧焊应按AWS D1.4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(y,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12 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ASTM A 615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

21、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

22、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H来实现。该系数适用于所有的13 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ACI 318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ACI 318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

23、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EM 2101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

24、应用单荷载系数法一般应用于这类结构的所有构件。基于ACI 318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14 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,Vc,之间的差其中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

25、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= H 1.7(D+L) (3.3) 式中:Uh - 水工结构的设计荷载, H - 水力系数。 对于水工结构基本荷载系数,1.7,乘以水力系数,H,其中H,1.3直接受拉的构件除外。对直接受拉的构件H,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.

26、4) W或E对于水工结构 U= H (0.75U) (3.5) W或E15 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ACI 318法。ACI 318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ACI 318规定的1.4。另外对于水工结构ACI 318规定的总设计荷载的系数荷载组合,U,应增加水力系数H = l.3直接受拉的构件除外。对直接受拉的构件,H = l.65。 对于非水工结构 U=1.4D+1.7L (3.6) 对于水工结构 U= HU= H(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

27、,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= H (1.4D+1.0L) (3.8) hd.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

28、的临界地震。 a,最大可信地震,MCE,。如ER l110-2-1806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。16 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ER 1ll0-2-1806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ER 1101-2-1806所定义OBE是可合理预期在工程使用期限内发生的地震