鋼筋混凝土暗涵配筋計算程序的研發

汪彪 趙靜伊

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川成都610021)

0 引言

火力發電廠給、排水系統主要包括循環冷卻水系統、補給水系統、雨水系統、污廢水處理系統、灰場排水系統等。由于施工方便，對惡劣環境的適應能力強，鋼筋混凝土暗涵在循環冷卻水系統、雨水系統及灰場排水系統中的使用越來越廣泛，其中主要有循環水溝、取排水溝道、灰場排洪臥管等。由于不同條件下，暗涵的使用環境區別很大，因此，混凝土溝道的斷面尺寸差異大，形狀及受力條件復雜，計算工況多[1]。

1 暗涵設計概況

對于圓形暗涵，當暗涵埋深較深時，會承受土壓力、地面活荷載等外力，同時受到內(外)水壓力的影響。由于受力條件好，許多的圓形管道的形式選用內圓外城門洞形，火電廠代表的就是灰場的排洪臥管。目前國內外常用的城門洞形暗涵計算方法為柏氏變形儀實測內力系數法，柏氏變形儀實測內力系數法最早出現于美國墾務局編制的DOZ-2574論文中第14號“在單元筒式管道上用柏氏變形儀做應力分析”，該論文中說明在三種單筒式管道上用柏氏變形儀推求應力，試驗的結果在14種不同荷載作用下，得出管壁中線上各個位置的彎矩、法向力、剪力等內力系數[2]。使用柏氏變形儀實測出管道在不同荷載作用下，可查得相應內力系數，從而得到該點內力。對于暗涵基底壓力，軟弱地基和堅硬地基的壓力曲線有較大區別，故內力系數法的使用需先明確地基條件。

對于矩形暗涵，作為超靜定空間結構，底板、側壁及頂板相互連接成為一個空間整體，將實際結構分解為平面結構后，矩形暗涵可以簡化為單層剛架結構。依據《建筑結構靜力計算實用手冊》(中國建筑工業出版社)中單層剛架的計算方法[3]，根據不同的荷載條件，計算出支座和跨中反力和彎矩后，再進行配筋計算。

2 程序說明

程序對暗涵分別采用承載力極限狀態和正常使用極限狀態進行分析，根據現行GB 50010—2010混凝土結構設計規范(2015年版)，按正截面受彎進行配筋設計，滿足正常使用極限狀態下裂縫開展寬度的要求[4]。

2.1 荷載及荷載組合

針對暗涵特殊的工作環境，分為內水外空、內空外水土工況計算。對于內空外水土工況，考慮暗涵所處環境的積水對荷載的不同影響，將內空外水土工況分為考慮地下水作用和不考慮地下水作用的兩種工況。計算的三種工況如下：

工況一，涵內無水，不考慮地下水作用。

工況二，涵內無水，考慮地下水作用。

工況三，涵內有水，不考慮外水土作用。

2.2 地面荷載

地面荷載考慮地面堆載[5]和汽車荷載，二者不同時存在，取二者的大者。地面堆載取10 kN/m2，準永久值系數取0.5，汽車荷載根據實際汽車等級選取。

3 程序應用

為驗證程序的計算合理性，利用該程序與已有計算工具進行比較，并對計算結果進行對比分析。

3.1 圓形暗涵模塊的應用

某電廠灰場鋼筋混凝土排洪臥管，內徑1.6 m，壁厚0.4 m。采用圓形暗涵計算模塊進行結構計算，與設計計算結果進行對比。

3.1.1設計輸入

圓形暗涵設計輸入見表1。

表1 圓形暗涵計算參數表

3.1.2設計計算結果

設計計算的A,B,C處，各工況下彎矩設計值見表2。

表2 各工況下A,B,C處彎矩設計值 kN·m

3.1.3程序計算

程序首先根據計算參數進行了結構及配筋計算，計算結果見圖1。

結果顯示，程序計算內、外環最大彎矩與手算結果差均為0.163 kN·m，相差為0.11%。

3.2 矩形壓力溝道應用

某電廠雨水暗涵埋深較深，擬采用矩形暗涵，凈空尺寸為1 m×1 m。利用程序矩形暗涵模塊進行結構計算，與理正計算結果進行對比。

3.2.1設計輸入

矩形暗涵設計輸入見表3。

表3 矩形暗涵計算參數表

3.2.2理正計算

矩形暗涵利用理正工具箱計算，各工況下彎矩設計值見圖2。

3.2.3程序計算

程序進行了暗涵的結構及配筋計算，滿足裂縫與抗剪切的計算結果，見圖3。

程序計算與理正工具箱計算各部位最大彎矩差0.342 kN·m，最大相差為0.39%。

4 結語

利用所研發的鋼筋混凝土暗涵配筋計算程序對圓形和矩形暗涵進行結構配筋計算后，結果表明：

1)程序可自動對圓形及矩形暗涵進行內力計算，選取最大彎矩進行配筋計算，省去了設計人員彎矩計算和配筋計算的工作量。

2)程序可自動統計工程量，對于矩形暗涵，可同時進行暗涵頂板、底板的抗剪切驗算；對于配筋，可顯示當前的計算配筋面積，實際配筋面積和裂縫寬度，方便校核。

3)程序計算與設計人員計算、理正計算彎矩值相比，計算結果基本一致，最大相差僅為0.39%，表明程序計算結果合理準確；程序在保證準確性的前提下，滿足工程設計需要，提高了設計效率。