張凱 李建強 田永杰 曾祥磊

由于受多種因素的約束和限制，國內(nèi)外水利水電設(shè)計規(guī)范在一定程度上存在著差異性，對規(guī)范理解不夠充分，就會導致在實際設(shè)計施工過程中發(fā)生質(zhì)量不達標、工期延誤等問題，因此加深對國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范的比較極其重要[1]。

我國水利水電工程設(shè)計、施工等技術(shù)水平均處于世界領(lǐng)先地位，加強國際間合作與交流，將國內(nèi)技術(shù)和國際技術(shù)深度融合，對推動我國水利水電相關(guān)企業(yè)走出去，增強企業(yè)的國際競爭力有重要意義。在進行箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算時，我國主要使用的規(guī)范為SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2]，而目前世界各國主要參考和使用的規(guī)范為美國的ACI318M-05《Building Code Requirement for Structural Concrete》規(guī)范，即美國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（ACI 318M-05）[3]。本文詳細對比論述了中美規(guī)范在箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算方面的差異性，為海外工程該類建筑物海外設(shè)計、計算時提供參考意義。

1 中美規(guī)范箱涵結(jié)構(gòu)計算的對比

1.1 混凝土抗壓強度

1.1.1 中國規(guī)范

中國規(guī)范GB/T 50081—2002將立方體強度值作為混凝土強度的基本指標，并把立方體抗壓強度（fcu）作為評定混凝土強度等級的標準。

1.1.2 美國規(guī)范

美國規(guī)范ASTM C31中，評定混凝土強度的基本指標是圓柱體強度值，混凝土強度等級評定標準也是圓柱體抗壓強度（fc′）。經(jīng)過比對，中美規(guī)范的混凝土抗壓強度關(guān)系大約為fc′=0.8fcu。

1.2 設(shè)計表達式

（1）中國規(guī)范SL 191—2008規(guī)定，按承載能力極限狀態(tài)進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，應(yīng)使用以下設(shè)計表達式：

式中K——承載力安全系數(shù)；

R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面承載力設(shè)計值；

S——荷載效應(yīng)組合設(shè)計值。并有如下規(guī)定。

1）基本組合

當永久荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響時，表達式如下：

當永久荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有利影響時，表達式如下：

2）偶然組合

式中SG1K——結(jié)構(gòu)自身及設(shè)備重量等永久荷載標準值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；

SG2K——土壓力、淤沙壓力及圍巖壓力等永久荷載標準值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；

SQ1K——一般可變荷載標準值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；

SQ2K——可控制其不超出規(guī)定限值的可變荷載標準值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)；

SAK——偶然荷載標準值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)。

（2）美國規(guī)范ACI 318M-05規(guī)定，在進行強度設(shè)計計算時，應(yīng)使用以下計算表達式：

式中φ——強度折減系數(shù)，一般取0.9；

U——要求的強度。

1.3 受彎構(gòu)件正截面承載力計算

為防止受彎構(gòu)件混凝土開裂后，受拉鋼筋屈服的情形，應(yīng)控制構(gòu)件縱向受拉鋼筋的最小配筋率；此外，還要防止構(gòu)件出現(xiàn)受壓區(qū)混凝土在縱向鋼筋受拉屈服之前就已被壓碎的脆性破壞。

1.3.1 最小配筋率

（1）中國規(guī)范SL 191—2008要求，最小配筋率應(yīng)滿足：

（2）美國規(guī)范（ACI 318M-05）要求，最小配筋率應(yīng)滿足：

式中fc′——混凝土抗壓強度標準值，MPa；

ft——混凝土抗拉強度設(shè)計值，MPa；

fy——鋼筋抗拉強度設(shè)計值，MPa；

ρmin——最小配筋率，%。

1.3.2 最大配筋率

（1）中國規(guī)范SL 191—2008要求，最大縱筋配筋率與界限配筋率相同，同時受壓混凝土被壓碎時的配筋率，與構(gòu)件界限（平衡）破壞時的相對受壓區(qū)高度相對應(yīng)，對于相對界限受壓區(qū)高度有以下計算表達式：

（2）美國規(guī)范ACI 318M-05）要求，最大配筋率應(yīng)滿足：

式中Es——鋼筋彈性模量，MPa；

β1——與等效矩形受壓構(gòu)件中性軸長度有關(guān)的系數(shù)，一般取0.85。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

喀麥隆某水電站工程，位于喀麥隆南部的恩特姆河上，采用引水式開發(fā)，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，設(shè)計烈度為Ⅵ度。主要建筑物級別為2級，如攔河壩、溢洪道、水電站廠房和輸水渠道、尾水隧洞等。本工程箱涵結(jié)構(gòu)主要為輸水明渠排水涵，位于輸水明渠進水口右側(cè)，排水涵典型斷面圖如圖1所示。

圖1 排水涵洞（箱涵）典型斷面圖（單位：mm）

排水涵地基主要為全風化花崗片麻巖和殘積黏土，涵洞基巖的力學參數(shù)見表1。

2.2 計算參數(shù)與荷載

箱涵結(jié)構(gòu)承受的荷載主要有箱涵內(nèi)外水的壓力、箱涵外土的壓力、箱涵頂部的車輛荷載，以及箱涵結(jié)構(gòu)自身重量等。假設(shè)排水箱涵計算厚度0.4 m（底部厚度0.5 m）；將整個模型作為計算單元來計算負荷；排水箱涵計算單寬B=1 m；不考慮帷幕灌漿和排水設(shè)施，在揚壓力計算中，不考慮折減系數(shù)α=1。

本文擬分析箱涵結(jié)構(gòu)在施工期、運行期及檢修期各個階段下的受力情況，確定計算完工、運行和檢修3種工況。

箱涵結(jié)構(gòu)計算各項參數(shù)見表1～4。

表1 巖土體力學參數(shù)

表2 回填材料參數(shù)

表3 混凝土材料參數(shù)

表4 鋼筋材料參數(shù)

2.3 有限元模型及邊界條件

按照箱涵實際尺寸進行建模，尺寸為b×h=2.3 m×2.7 m，底板厚度為0.5 m，頂板及側(cè)墻厚度均為0.4 m，單寬為1 m。坐標系x軸為垂直水流方向；y軸為順水流方向；z軸為重力方向，向下為正，高程389.36 m處為z軸零點。邊界條件確定采用基礎(chǔ)梁板彈性地基梁法來模擬涵洞和基巖之間的彈性作用，根據(jù)George Gazetas計算方法，得到線彈簧剛度K，計算模型及邊界條件如圖2所示。

圖2 箱涵計算模型及邊界條件

2.4 箱涵結(jié)構(gòu)計算成果比較分析

按照中、美規(guī)范技術(shù)要求，分別對箱涵結(jié)構(gòu)進行了荷載、截面應(yīng)力和正截面受彎構(gòu)件配筋等方面的計算，得到了各自的配筋，對配筋結(jié)果的對比情況見表5。

通過表5可以看出：

表5 配筋結(jié)果的對比情況

（1）按照中國規(guī)范進行箱涵結(jié)構(gòu)計算得到的實際配筋面積比按照美國規(guī)范進行計算得到的實際配筋面積要小，這主要是由于此箱涵結(jié)構(gòu)各部位的彎矩較小，按最大彎矩進行配筋計算的配筋面積As小于按最小配筋率進行配筋的配筋面積As，min，為了滿足最小配筋率的要求，最后的實際配筋面積Asa是按照最小配筋率進行的配筋，而中美規(guī)范中對于最小配筋率的要求相差較大，所以得到的實際配筋面積有差別。

（2）如果彎矩較大，使配筋率ρ超過最小配筋率ρmin，則要根據(jù)最大彎矩進行實際配筋，這樣按兩種規(guī)范進行計算后的配筋結(jié)果相差很小，在10%左右。

（3）利用中國規(guī)范進行配筋設(shè)計更經(jīng)濟，利用美國規(guī)范進行配筋設(shè)計更為安全，按兩種規(guī)范進行設(shè)計各有所長。

3 結(jié)語

通過對比、分析中美規(guī)范在箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算的差異性，可得出以下結(jié)論：

（1）中美規(guī)范在箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的差異性主要體現(xiàn)在：混凝土強度基本指標和等級評定標準、承載力安全系數(shù)標準、正截面承載力計算公式和配筋率判別標準等方面。

（2）通過實際工程的應(yīng)用，中美規(guī)范在箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計差異性方面的優(yōu)缺點主要體現(xiàn)在：中國規(guī)范配筋設(shè)計更經(jīng)濟，美國規(guī)范配筋設(shè)計更安全。