淺談水工少筋混凝土結構設計方法

陽運青 李運福

（衡陽市水利水電規劃設計院 衡陽市421008）

少筋混凝土結構是指配筋率低于普通鋼筋混凝土結構的最小配筋率、介于素混凝土結構和鋼筋混凝土結構之間的一種少量配筋的結構，簡稱少筋混凝土結構。

這類結構在水利工程設計中是在所難免的，有時，它在某些水工混凝土工程結構中處于制約設計的重要地位。從邏輯概念講，只要有素混凝土結構的存在，必定會有少筋混凝土結構的應用范圍，因為它畢竟是素混凝土和適筋混凝土結構之間的中介產物。

凡經常或周期性地受環境水作用的水工建筑物所用的混凝土稱水工混凝土，水工混凝土多數為大體積混凝土，水工混凝土對強度要求則往往不是很高。在一般水工建筑物中，如閘墩、閘底板、水電站廠房的擋水墻、尾水管、船塢閘室等，在外力作用下，一方面要滿足抗滑、抗傾覆的穩定性要求，結構應有足夠的自重；另一方面，還應滿足強度、抗滲、抗凍等要求，不允許出現裂縫，因此結構的尺寸比較大。若按鋼筋混凝土結構設計，常需配置較多的鋼筋而造成浪費，若按素混凝土結構設計，則又因計算所需截面較大，需使用大量的混凝土。

對于這類結構，如在混凝土中配置少量鋼筋，在滿足穩定性的要求下，考慮此少量鋼筋對結構強度安全方面所起的作用，就能減少混凝土用量，從而達到經濟和安全的要求。因此，在大體積的水工建筑物中，采用少筋混凝土結構，有其特殊意義。

關于少筋混凝土結構的設計思想和原則，我國《水工混凝土結構設計規范》（SL191—2008）作了明確的規定。

1 規范對少筋混凝土結構的設計規定

對少筋混凝土結構的設計規定體現在最小配筋率規定上，這里將《水工混凝土結構設計規范》（SL191—2008）（下文簡稱“規范”）有關最小配筋率的規定，進行摘錄并闡述。

1.1 一般構件的縱向鋼筋最小配筋率

一般鋼筋混凝土構件的縱向受力鋼筋的配筋率不應小于“規范”中表9.5.1（附表）規定的數值。溫度、收縮等因素對結構產生的影響較大時，最小配筋率應適當增大。當結構有抗震設防要求時，鋼筋混凝土框架結構構件的最小配筋率應按“規范”第13章的規定取值。

1.2 大尺寸底板的縱向鋼筋最小配筋率

臥置在地基上以承受豎向荷載為主、板厚大于2.5m的底板，當按受彎承載力計算得出的縱向受拉鋼筋配筋率ρ小于表9.5.1項次1規定的最小配筋率ρ0min時，配置的縱向受拉鋼筋最小截面面積A，可按下列近似公式計算：

附表 規范中表9.5.1鋼筋混凝土構件縱向受力鋼筋基本最小配筋率ρ0min %

式中 K——承載力安全系數，按“規范”中表3.2.4采用；

M——底板承受的彎矩設計值（N/mm），按“規范”中3.2.2條的規定計算；

fy——縱向鋼筋的抗拉設計值（N/mm2），按“規范”中表4.2.3-1確定；

b——板寬（mm）；

ρmin——板的受拉鋼筋最小配筋率，按“規范“中表9.5.1項次1取值。底板受拉鋼筋配筋面積不得小于截面面積的0.05%；對于厚度大于5m的底板，可不受此限制，但每米寬度內的鋼筋面積不小于2500mm2。

底板受壓區的縱向鋼筋可按構造要求配置。

1.3 大尺寸墩墻的縱向鋼筋最小配筋率

厚度大于2.5m的墩墻，當按承載力計算得出的豎向鋼筋的配筋率小于規范中表9.5.1規定的最小配筋率時，可按下列方法處理：

（1）當墩墻按大偏心受壓構件計算，計算得出的墩墻一側的豎向受拉鋼筋As的配筋率小于規范中表9.5.1項次3規定的最小配筋率ρ0min時，受拉鋼筋As的最小截面面積可按式（9.5.2）計算，但式中M用Ne’替代，N為墩墻承受的軸向壓力設計值，e’為軸向壓力至受壓區混凝土合力點的距離。

（2）當墩墻按軸心受壓或小偏心受壓構件計算，計算得出的全部豎向鋼筋的配筋率小于規范中表9.5.1項次2規定的最小配筋率ρ0min時，全部豎向鋼筋的最小截面面積As’可按下列近似公式計算，但不小于截面面積的0.04%（或一側不小于0.02%）：

式中 N——墩墻承受的軸向壓力設計值（N），按“規范”中3.2.2條的規定計算；

fc——混凝土軸心抗壓強度設計值（N/mm2），按“規范”中表4.1.5確定；

ρ’min——軸心受壓構件全部縱向鋼筋的最小配筋率,按“規范“中表9.5.1項次2取值。

1.4 特大截面的最小配筋用量

對于截面尺寸由抗傾、抗滑、抗浮或布置等條件確定的厚度大于5m的結構構件，規范規定：如經論證，其縱向受拉鋼筋可不受最小配筋率的限制，鋼筋截面面積按承載力計算確定，但每米寬度內的鋼筋截面面積不得小于2500mm2。

規范對最小配筋率作了三個層次的規定，即對一般尺寸的梁、柱構件必須遵循規范中表9.5.1的規定；對于截面厚度較大的板、墻類結構，則可按規范中表9.5.2及表9.5.3規定計算最小配筋率；設計時可根據具體情況分別對待。

為慎重考慮，目前僅建議對臥置于地基上的底板和墩墻可采用此最小配筋率計算方法，對于其他結構，則仍建議采用規范中表9.5.1所列的基本最小配筋率計算，以避免因配筋過少，發生裂縫情況。

經驗算，按以上方法的最小配筋率配筋，其最大裂縫寬度在容許范圍內。對處于惡劣環境的結構，為控制裂縫不過寬，宜將本規范中表9.5.1所列受拉鋼筋最小配筋率提高0.05%。大體積構件的受壓鋼筋按計算不需配筋時，則可僅配構造鋼筋。

2 規范的應用舉例

（1）例1。一水閘底板，板厚3.0m，采用C20級混凝土和HRB335級鋼筋，每米板寬承受彎矩設計值M=220 kN/m（已包含γ0、φ系數在內），試配置受拉鋼筋As。

解：①取1m板寬，按受彎構件承載力公式計算受拉鋼筋截面面積As。

按規范中表9.5.1計算As=ρ0minbh=0.15%×000×3000= 4500mm2

實際選配每米6Φ18（As=1526mm2）

討論：對大截面尺寸構件，采用規范中9.5.2計算的可變的ρmin比采用規范表9.5.1所列的固定的ρ0min可節省大量鋼筋，本例為1500/4500=1∶3。

② 若將此水閘底板的板厚h增大為4.5m，按式（1）計算的As為：

可見，采用規范中9.5.2計算最小配筋率時，當承受的內力不變（未計自重），則不論板厚再增大多少，配筋面積As將保持不變。

實際須按滿足ρ≥0.05%條件，則As=ρminbh=0.05%× 1000×4500=2250mm2配筋。

（2）例2。一軸心受壓柱，承受軸向壓力設計值N= 9000kN；采用C20級混凝土和HRB335級鋼筋；柱計算高度L0=7m；試分別求柱截面尺寸為b×h=1.0m×1.0m及2.0m×2.0m時的受壓鋼筋面積。

解：①當b×h=1.0m×1.0m時，軸心受壓柱承載力公式為：

L0／b＝7＜8，屬于短柱，穩定系數φ=1.0，

由規范表9.5.1項次2查得ρ0min=0.6%，對一般構件，應按ρ0min配筋，As=ρ0min×A=0.6%×106=6000mm2

② 當b×h=3.0m×3.0m時，若仍按一般構件配筋，則As=0.6%×3.0×3.0×106=54000mm2

現因構件尺寸已較大，按式（2）計算最小配筋：

討論：對大截面尺寸構件，采用規范中9.5.3計算的可變的ρmin比采用規范中表9.5.1所列的固定的ρ0min可節省大量鋼筋，本例為7313/54000=1∶7.38。

3 結 語

規范對最小配筋率作了三個層次的規定：

（1）對一般尺寸的梁、板、墻、柱構件必須遵循規范中表9.5.1的規定。

（2）對于臥置在地基上以承受豎向荷載為主、板厚大于2.5m的底板，當按受彎承載力計算得出的縱向受拉鋼筋配筋率ρ小于規范中表9.5.1項次1規定的最小配筋率ρ0min時，計算縱向受拉鋼筋最小截面面積As，則可按規范中9.5.2式計算。

（3）厚度大于2.5m的墩墻，當按承載力計算得出的豎向鋼筋的配筋率小于規范中表9.5.1規定的最小配筋率時：

●當墩墻按大偏心受壓構件計算，計算得出的墩墻一側的豎向受拉鋼筋As的配筋率小于規范中表9.5.1項次3規定的最小配筋率ρ0min時，受拉鋼筋As的最小截面面積可按式（1）計算，但式中M用Ne’替代，N為墩墻承受的軸向壓力設計值，e’為軸向壓力至受壓區混凝土合力點的距離。

●當墩墻按軸心受壓或小偏心受壓構件計算，計算的全部豎向鋼筋的配筋率小于規范中表9.5.1項次2規定的最小配筋率ρ0min時，全部豎向鋼筋的最小截面面積As’可按式（2）計算，但不小于截面面積的0.04%（或一側不小于0.02%）：

對于截面尺寸由抗傾、抗滑、抗浮或布置等條件確定的厚度大于5m的結構構件則可按規范9.5.3處理。設計時可根據具體情況分別對待。

為慎重考慮，目前僅建議對臥置于地基上的底板和墩墻可采用變化的最小配筋率，對于其他結構，則仍建議采用規范中表9.5.1所列的最小配筋率計算，以避免因配筋過少，發生裂縫無法抑制的情況。

經驗算，按所建議變化的最小配筋率配筋，其最大裂縫寬度在容許范圍內。對于處于惡劣環境的結構，為控制裂縫不過寬，宜將本規范中表9.5.1所列受拉鋼筋最小配筋率提高0.05%。大體積構件的受壓鋼筋按計算不需配筋時，則可僅配構造鋼筋。

設計人員要用價值工程的原理來進行設計方案分析，要以提高價值為目標，以功能分析為核心，以系統觀念為指針，以總體效益為出發點。不能片面強調節約投資，設計中既要反對片面強調節約，忽視技術上的合理要求，使工程項目達不到功能要求，又要反對只重視技術、輕經濟比較、設計保守浪費的現象，從而真正地達到優化設計效果。