淺壁敞口水池壁板截面尺寸及配筋經濟性分析

白貴斌

摘要：對比不同條件下淺壁敞口水池壁板的厚度及配筋，結合材料的單價，通過計算結果分析不同條件下單位面積池壁的材料成本，結果表明：在確定的荷載作用下，壁板越薄配筋越大，壁板越厚配筋越小直至構造配筋，但兩種情況都會使材料成本增加，故存在合理的壁厚及配筋;腳趾覆土厚度在一定范圍內對已知壁板單位面積的材料成本不影響;壁板單位面積材料成本主要受池內最高水位的影響，池外腳趾覆土影響較小，由此給出工程設計時池內最大水位對應的經濟配筋率及截面尺寸選取的經濟范圍，僅供參考。

關鍵詞： 鋼筋混凝土;壁板;材料成本

中圖分類號：TU375

工程的建設成本與材料的用量有著直接的關系，選擇合理的結構構件截面尺寸顯得尤為重要，截面不易過大也不易過小。配筋率是保證結構安全、適用、經濟的前提[1]，對鋼筋混凝土結構受彎構件，截面大則配筋小、配筋率亦小，截面小則配筋大、配筋率亦大，故其存在較為經濟且合理的截面尺寸及配筋率[2-3]。現行《鋼筋混凝土結構設計規范》GB50010-2010（2015年版）規定受力構件的最小配筋率為0.20% [4]，這與最大配筋率相差較大，而板的截面厚度對配筋率的影響較大[5]，且板厚取值及配筋率受多工況的影響，因此，對于常用材料，研究多工況下板厚及經濟配筋率的取值是很有必要的。

1? 截面受彎承載力計算方法

根據現行《鋼筋混凝土結構設計規范》，無預應力的鋼筋混凝土結構構件正截面受彎承載力應滿足：

α_1 f_C bx=f_y A_S? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

M=α_1 f_C bx（h_0-x/2）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

對于最高水位為H的單向壁板，其池內根部彎矩設計值為：

M_w=1/6 γγ_w H^3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，γ——荷載分項系數，取1.3[6];γ_w——水容重，取10.0kN/m3。

對于腳趾覆土厚度為L的單向壁板，其池外根部彎矩設計值為：

M_s=1/6 K_a γγ_s L^3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，γ——荷載分項系數;γ_s——土容重，取18.0kN/m3;K_a——主動土壓力系數，取1/3。

經簡化計算，池內外配筋面積分別為：

A_ws=（α_1 f_C b）/f_y? h_0 （1-√（1-（γγ_w H^3）/（3α_1 f_C bh_0^2 ）））? ? ? ? ? ? ? （5）

A_ss=（α_1 f_C b）/f_y? h_0 （1-√（1-（K_a γγ_s L^3）/（3α_1 f_C bh_0^2 ）））? ? ? ? ? ? ? （6）

池內外水平向鋼筋均按構造確定，構造配筋率為0.20%。

2? 單位面積壁板的材料成本分析

單位面積內，鋼筋混凝土板的材料價格為：

P=1.0*1.0*hp_c+7.85*1.0*（A_ws+A_ss+2*0.002*h） p_s? （7）

式中，p_c——混凝土每方價格;p_s——鋼筋每噸價格。

水池池壁高度由池內水位控制，池內水位高度是決定單位面積壁板材料成本的主因。池壁高度高于池內水位0.5～1.0m，腳趾覆土厚度一般不大于池內水位。將（5）（6）式代入（7）式，根據常見設計，取池內水位高度H=4.0m、5.0m、6.0m、7.0m四種情況，混凝土強度等級C30、鋼筋為三級鋼、混凝土保護層厚度35mm、混凝土每方價格510元、鋼筋每噸價格4600元，分別計算相同壁厚不同腳趾覆土厚度下單位面積池壁材料的成本、相同腳趾覆土厚度不同壁厚下單位面積池壁材料的成本，如圖 1、圖 2所示。

由圖 1、圖 2可以看出，池內水位、池外腳趾覆土厚度、壁板厚度都是單位面積鋼筋混凝土壁板材料成本的影響因素。1）池內水位高度和腳趾覆土厚度相同時，壁板厚度越小或越大，成本均增大。壁板厚度減小則配筋增大，厚度過小時，將出現超筋，配筋量大幅增加，造成鋼筋混凝土材料成本增加，且對結構造成不安全的影響;壁板厚度增大則配筋減小，配筋小于最小配筋率時按最小配筋率配筋，故壁板厚度較大時，材料成本會隨壁板厚度的增加而增加。2）池內水位高度和壁板厚度相同時，腳趾覆土厚度在一定范圍內不影響材料的成本，其原因是腳趾覆土厚度小，作用于池壁的彎矩對應的配筋小于構造配筋，此時壁板均按最小配筋率配筋，故材料成本不變;腳趾覆土厚度增加到一定量時，作用于池壁的彎矩對應的配筋大于構造配筋，此時壁板的材料成本會隨之增加;池壁厚度過大時，腳趾覆土作用下池壁的彎矩對應的配筋均小于構造配筋，此時單位面積壁板的材料成本無變化。3）池內水位高度為4.0m時，壁板經濟厚度取0.20-0.35m;池內水位高度為5.0m時，壁板經濟厚度取0.30-0.45m;池內水位高度為6.0m時，壁板經濟厚度取0.35-0.55m;池內水位高度為7.0m時，壁板經濟厚度取0.45-0.65m。

計算整理各水位高度下不同壁厚內水工況的池壁配筋率，見表 1所示。

考慮壁板裂縫及撓度控制、耐久性等因素，壁板厚度不宜取太薄，故在選取壁板的經濟厚度時應適當選較大值。對比圖 2與表 1，得出以下結果：池內水位高度為4.0m時，壁板經濟厚度取0.30-0.35m，內水工況下池壁的配筋率為0.52%-0.37%;池內水位高度為5.0m時，壁板經濟厚度取0.35-0.45m，池內壁板配筋率為0.76%-0.43%;池內水位高度為6.0m時，壁板經濟厚度取0.45-0.55m，池內壁板配筋率為0.78%-0.49%;池內水位高度為7.0m時，壁板經濟厚度取0.55-0.65m，池內壁板配筋率為0.82%-0.56%。由此可見，腳趾覆土高度不大于池內水位高度時，池內水位較小時，內水工況下池壁的經濟配筋率較小，池內水位較大時，內水工況下池壁的經濟配筋率增大。池壁的經濟厚度約為水位高度的1/11-1/13。

3? 結語

淺壁敞口水池壁板單位面積成本受池內水位高度和腳趾覆土厚度、壁板厚度等因素的影響，不同因素的組合都對池壁厚度和經濟配筋率有影響。設計時應綜合考慮結構的承載力極限狀態及正常使用極限狀態、耐久性等因素，合理選取壁板的配筋率及截面尺寸。

參考文獻

[1] 郭喜斌. 鋼筋混凝土板類受彎構件的最小配筋率分析[J]. 山西建筑，2014，40（9）：38-39.

[2]? 曹煒，成戎. 鋼筋混凝土梁的經濟配筋率研究[J]. 建筑結構，2010，40（增刊）：424-425.

[3] 劉相.混凝土矩形截面梁經濟配筋率與造價探討分析[J]. 遼東學院學報（自然科學版），2017，24（2）：129-140.

[4]? GB50010-2010. 混凝土結構設計規范[S]. 2015.

[5] 曹鋒. 鋼筋混凝土受彎構件配筋率影響因素及變化規律研究[J]. 佳木斯大學學報（自然科學版），2019，37（4）：525-528.

[6]? GB50068-2018. 建筑結構可靠性設計統一標準[S]. 2018.