鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)計(jì)算程序研發(fā)

何姜江 饒俊勇

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

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·計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用·

鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)計(jì)算程序研發(fā)

何姜江 饒俊勇

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

研究了現(xiàn)澆鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)的計(jì)算原理和方法，采用Visual Basic語言編制了鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，并以某工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為例，對程序的功能進(jìn)行測試和驗(yàn)證，經(jīng)測試，該程序可準(zhǔn)確計(jì)算鋼筋混凝土排水臥管的荷載、內(nèi)力、變形、配筋、裂縫開展寬度等，可滿足工程設(shè)計(jì)需求。

鋼筋混凝土管，結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，土壓力，荷載

現(xiàn)澆鋼筋混凝土管為內(nèi)圓形外城門形結(jié)構(gòu)，由于其施工方便，安全可靠，在水利、市政、電力、化工等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。火力發(fā)電廠常用于灰場排洪系統(tǒng)、廠區(qū)排洪系統(tǒng)及廠內(nèi)供排水管道等。現(xiàn)澆鋼筋混凝土管為三次超靜定結(jié)構(gòu)，荷載及結(jié)構(gòu)沿中心軸對稱，斷面厚度沿圓周變化，常用內(nèi)力計(jì)算方法主要有柏氏內(nèi)力系數(shù)法、分塊法和有限單元法。通過查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)無專門的現(xiàn)澆鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)計(jì)算程序。經(jīng)調(diào)查，目前工程設(shè)計(jì)人員一般采用手算或者電子表格進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土管主要承受內(nèi)水壓力、外水壓力、土壓力、汽車荷載等外部荷載，工況組合多，受力復(fù)雜，內(nèi)力計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算異常復(fù)雜，工作量大，也容易出錯(cuò)，優(yōu)化設(shè)計(jì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。通過對其算法進(jìn)行研究，開發(fā)，可計(jì)算鋼筋混凝土排水臥管的設(shè)計(jì)程序，準(zhǔn)確計(jì)算鋼筋混凝土排水臥管的荷載、內(nèi)力、變形、配筋、裂縫開展寬度，為可研、初步設(shè)計(jì)提供比較準(zhǔn)確的工程量，為施工圖設(shè)計(jì)提供技術(shù)保證。

1 計(jì)算原理

1.1 荷載及荷載組合

作用在現(xiàn)澆鋼筋混凝土管道上的荷載主要有管頂垂直土壓力、地面活荷載(車輛、地面堆料以及其他施工荷載等)產(chǎn)生的垂直及水平壓力、管側(cè)水平土壓力、管內(nèi)活體重、管自重、管底地基反力以及管道內(nèi)水壓力(工作壓力和試驗(yàn)壓力)等。

1.1.1 土壓力計(jì)算

1)管頂垂直土壓力。

qs=KFSγS(Hs-Hw)+γbHw。

其中，qs為管頂均布垂直土壓力，kN/m；γS為管頂覆土天然容重，kN/m3；γb為管頂覆土飽和容重，kN/m3；Hs為管頂覆土深度，m；Hw為管頂?shù)叵滤疃?，m；KFS為集中土壓力系數(shù)，埋地式管道取1.0，根據(jù)水規(guī)，廠區(qū)地面式管道可取1.20。

2)管頂拱形荷載。

q拱=γb(t+0.5D)。

其中，q拱為管頂拱形荷載，kN/m；γb為管頂覆土飽和容重，kN/m3；t為管道壁厚，m；D為管道直徑，m。

3)管側(cè)均布荷載。

q側(cè)=ξγS(Hs-Hw)+ξγfHw+γwHw。

4)管側(cè)三角形荷載。

q側(cè)三=ξγS(2t+D)(不考慮地下水作用)。

q側(cè)三=ξγf(2t+D)+γw(2t+D)(考慮地下水作用)。

1.1.2 地面荷載

地面荷載考慮為地面堆載和汽車荷載，兩者不同時(shí)存在，以大者計(jì)。汽車荷載分5個(gè)等級，分別是10 t汽車、15 t汽車、20 t汽車、30 t汽車和50 t履帶，根據(jù)管道埋深通過查取表1相應(yīng)的管頂作用均布壓力計(jì)算，同時(shí)考慮汽車輪壓動力系數(shù)，輪壓動力系數(shù)與埋深有關(guān)，見表1和表2。

表1 汽車荷載壓力系數(shù)計(jì)算表

表2 輪壓動力系數(shù)計(jì)算表

1.2 荷載組合

根據(jù)鋼筋混凝土管道運(yùn)行情況，一般計(jì)算以下3個(gè)設(shè)計(jì)工況:工況1：管內(nèi)無水，不考慮地下水作用。工況2：管內(nèi)無水，考慮地下水作用。工況3：管內(nèi)有水，不考慮外部荷載。根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載效應(yīng)組合。

承載能力極限狀態(tài)：S=γGSG+γkSk。

正常使用極限狀態(tài)：S=SG+Sk。

其中,γG為永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取1.35；γk為可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取1.40；SG為按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk計(jì)算的荷載效應(yīng)值；Sk為地面堆載(汽車荷載)效應(yīng)值。

1.3 內(nèi)力計(jì)算

鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算采用柏氏系數(shù)法。該法系采用柏氏變形儀實(shí)測出管道在不同荷載作用下，管壁中心線的管底(A點(diǎn))、頂(B點(diǎn))和腰(C點(diǎn))三截面彎矩、軸向力和剪力系數(shù)。根據(jù)不同的管道壁厚δ與內(nèi)半徑r0的關(guān)系，即δ=r0/2，δ=r0/3和δ=r0/6，查出不同部位的各種內(nèi)力系數(shù)值(如已知設(shè)計(jì)管道之壁厚與內(nèi)半徑的比值，可內(nèi)插求取系數(shù))，查出內(nèi)力系數(shù)后，再乘以相應(yīng)之荷載強(qiáng)度及半徑，即可得出該點(diǎn)的內(nèi)力。

1.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

程序中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算部分的程序編制以GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)。

2 工程應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)

某工程采用鋼筋混凝土管，主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：內(nèi)徑D：1.600 m；壁厚t：0.400 m；天然容重：12.000 kN/m3；浮容重：6.000 kN/m3；飽和容重：17.000 kN/m3；覆土深度Hs：70.000 m；地下水深Hw：60.000 m；內(nèi)水壓力Hn：80.000 m；內(nèi)摩擦角φ：20.000°；地面堆載：10.000 kN/m2；汽車等級：汽20 t；恒載分項(xiàng)系數(shù)：1.35；活載分項(xiàng)系數(shù)：1.40；基礎(chǔ)類型：軟基；保護(hù)層厚度c=30.0 mm；混凝土等級：C30；鋼筋等級：HPB335。計(jì)算模型見圖1。

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)擬定算法，分別計(jì)算各荷載工況的內(nèi)力，并根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如下：內(nèi)側(cè)環(huán)向配筋：直徑16，間距200 mm,配筋面積1 005.3 mm2,最大裂縫0.140。外側(cè)環(huán)向配筋：直徑16，間距200 mm,配筋面積1 005.3 mm2,最大裂縫0.225?？v向配筋：直徑16，間距200 mm,配筋面積1 005.3 mm2。程序界面及計(jì)算結(jié)果見圖2。

3 結(jié)語

基于成熟的鋼筋混凝土管道內(nèi)力計(jì)算算法，編制管道設(shè)計(jì)程序，可實(shí)現(xiàn)荷載、內(nèi)力和配筋計(jì)算。經(jīng)算例驗(yàn)證，程序計(jì)算準(zhǔn)確，使用方便，可滿足工程設(shè)計(jì)需求。該程序可應(yīng)用于水利、市政、電力、化工等領(lǐng)域的鋼筋混凝土管道設(shè)計(jì)。

[1] 何姜江.現(xiàn)澆鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)分析程序[Z].

[2] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4] 李惠英.倒虹吸管[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[5] 給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[6] 約翰遜.Visual Studio 2012高級編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[7] CECS 145∶2002，給水排水工程埋地矩形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

Development of calculation program for reinforced concrete pipes

He Jiangjiang Rao Junyong

(ChinaPowerEngineeringConsultingGroup,SouthwestElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,Chengdu610021,China)

The calculation principle and method of reinforced concrete pipe structure are studied. Then, the calculation program of reinforced concrete pipe structure is compiled by using Visual Basic language, and the function of the program is tested and verified with an engineering design data. After testing, the program can accurately calculate the load, internal force, deformation, reinforcement, crack width, etc. of reinforced concrete drainage horizontal pipe, to meet the engineering design requirements.

reinforced concrete pipes, structural calculation program, earth pressure, load

1009-6825(2017)07-0257-02

2016-12-17

何姜江(1984- )，男，碩士，高級工程師

TP311

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