大体积混凝土结构抗剪设计配筋计算方法与流程

本发明涉及一种适用于大体积混凝土结构抗剪设计配筋计算方法，尤其是一种应用于土木工程领域竖向荷载作用下的大体积混凝土结构抗剪设计配筋计算方法。

背景技术：

现有技术中没有大体积混凝土抗剪设计的配筋计算方法，工程中对于大体积混凝土的开裂问题多归因于温度荷载的影响。实际上，对于顶部受较大竖向荷载作用的大体积混凝土结构（如基岩上高心墙堆石坝坝底的廊道结构），除温度荷载外，结构本身受到的剪应力特别大，根据材料力学第三强度理论：“引起材料屈服的主要因素是最大剪应力，而且不论材料处于何种应力状态，只要最大剪应力达到材料单向拉伸屈服时的最大剪应力，材料即发生屈服”，可见剪应力是大体积混凝土结构开裂的重要原因之一。

通过对长河坝、糯扎渡及瀑布沟等现有在建和已建工程实测资料的分析，发现高心墙堆石坝工程心墙的拱效应其实并不明显，心墙主应力的方向以竖直向为主，底部（即廊道顶部）的压应力约等于竖直方向的土柱重量，对于200m级、300m级的堆石坝而言，底部的压应力高达4MPa～6MPa，在廊道顶部及底部四个角区，形成较大的剪应力区，通过核算，这四个地方的剪应力通常都远超过混凝土的抗剪切强度，需要进行抗剪配筋设计，而目前工程实际中，并没有进行过抗剪配筋设计。因此可以断定，基岩上的高心墙堆石坝坝底廊道无一不出现开裂，漏水现象，高剪应力的影响是一重要原因。

对于高心墙堆石坝坝底廊道的配筋，现有技术中只按照正应力（更确切说是拉应力）进行配筋，而对于剪应力的影响尝尝会被忽略掉。其实剪应力的影响是造成高心墙堆石坝坝底廊道开裂、漏水的重要原因之一，然而现有技术中还没有一种可以有效避免基岩上的高心墙堆石坝坝底廊道出现开裂，漏水现象的大体积混凝土结构抗剪设计配筋计算方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以有效避免基岩上的高心墙堆石坝坝底廊道出现开裂，漏水现象的大体积混凝土结构抗剪设计配筋计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的大体积混凝土结构抗剪设计的配筋计算方法，包括以下几个步骤：

a、作出大体积混凝土结构分别在竖向均布荷载4单独作用下，集中荷载5单独作用下以及竖向均布荷载4和集中荷载5混合作用下的剪应力分布等值线图；

b、在图上选取剪力最大的应力路径3，沿该应力路径3按式进行积分，得到沿该应力路径3的剪力值V；

c、利用沿应力路径3的总剪力V，混凝土承担的剪力V_c与需要钢筋承担的剪力V_s之间的关系式：

和式V_s=f_yA_s计算出配筋面积；式中，γ_d为钢筋混凝土结构的结构系数，取1.2，f_y为钢筋抗拉强度设计值，A_s为配筋面积；f_y单位为N/mm²，A_s单位为mm²。

进一步的是，其中V_c的计算方法为：根据式计算出V_c，其中h为结构的截面高度，单位为mm，h₀为结构的截面计算高度，单位为mm，f_t为混凝土抗拉强度，单位为N/mm²，b为单位宽度，取值为1m l₀为结构的计算跨度，单位为mm。

进一步的是，其中V_c的计算方法为：根据式V_c=f_t/2bh₀计算出V_c，其中f_t为混凝土抗拉强度，单位为N/mm²，b为单位宽度，取值为1m，h₀为结构的截面计算高度，单位为mm。

进一步的是，其中V_c的计算方法为：根据式V_c=f_tbh₀计算出V_c，其中f_t为混凝土抗拉强度，单位为N/mm²，b为单位宽度，取值为1m，h₀结构的截面计算高度，单位为mm。

本发明的有益效果是：采用本申请的计算方法，充分考虑了剪应力对大体积混凝土结构的影响，计算结果科学合理，从提高结构抗剪性能方面显著改善大体积混凝土的抗剪承载能力，通过合理的配筋布置，使得结构更加牢靠，可以有效避免基岩上的高心墙堆石坝坝底廊道出现开裂，漏水的现象。

附图说明

图1是大体积混凝土结构承受竖向荷载作用及剪应力分布等值线示意图；

图2是沿压力路径的剪应力分布图；

图中零部件、部位及编号：大体积混凝土结构1、剪应力等值线2、应力路径3、均布荷载4、集中荷载5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的大体积混凝土结构抗剪设计配筋计算方法，包括以下几个步骤：

a、做出大体积混凝土结构1分别在竖向均布荷载4单独作用下，集中荷载5单独作用下以及竖向均布荷载4和集中荷载5混合作用下的剪应力分布等值线图。本步骤的剪应力分布等值线可通过有限元计算方法得到，可借助有限元分析软件方便快捷的得到剪应力分布等值线图；

b、在图上选取剪力最大的应力路径3，沿该应力路径3按式进行积分，得到该应力路径3的剪力值V。其中τ为剪应力，dl为沿应力路径的微分。在图中如果不能一眼就看出哪个应力路径3的剪力最大时，可以对几个有可能是最大应力的路径进行剪力计算，然后经过比较得出最大剪力值；

c、利用沿应力路径3的总剪力V，混凝土承担的剪力V_c与需要钢筋承担的剪力V_s之间的关系式：

和式V_s=f_yA_s计算出配筋面积；式中，γ_d为钢筋混凝土结构的结构系数，取1.2，f_y为钢筋抗拉强度设计值，A_s为配筋面积；f_y单位为：N/mm²；A_s单位为mm²。对剪应力的积分实际上就是求图2中剪应力图形与坐标轴所围成的面积，可据此简化计算。采用前述计算方法，充分考虑了剪切应力对大体积混凝土结构的影响，计算结果精确，从提高结构抗剪性能方面显著改善大体积混凝土的配筋布置，以使得结构更加牢固，可以有效避免基岩上的高心墙堆石坝坝底廊道出现开裂，漏水现象。

为了使计算结果更加精确，本申请还提供以下几种优选的V_c的计算方法：

其中第一种V_c的计算方法为：根据式计算出V_c，其中h为结构的截面高度，单位为mm，h₀为结构的截面计算高度，单位为mm，f_t为混凝土抗拉强度，单位为N/mm²，b为单位宽度，取值为1m，1₀为结构的计算跨度，单位为mm。前述各个参数的物理意义可以参见《水工混凝土结构设计规范》（DL/T 5057-2009）第13.7.5条。当大体积混凝土结构顶部竖向荷载只有均布荷载4作用或者均布荷载4作用占主要优势的情况下采用本方法可以提高计结果的准确性。

第二种V_c的计算方法为：根据式V_c=f_t/2bh₀计算出V_c，其中f_t为混凝土抗拉强度，单位为N/mm²，b为单位宽度，取值为1m，h₀为结构的截面计算高度，单位为mm。本方法根据材料力学第三强度理论，强度条件为：σ_r3=σ_1`-σ₃≤[σ]取[σ]=f_t/2，

得到混凝土的受剪承载能力为V_c=[σ]bh₀=f_t/2bh₀。当大体积混凝土结构顶部竖向荷载只有集中荷载5作用或者集中荷载5作用占主要优势的情况下采用本方法可以提高计结果的准确性。

第三种V_c的计算方法为：根据式V_c=f_tbh₀计算出V_c，其中f_t为混凝土抗拉强度，单位为N/mm²，b为单位宽度，取值为1m，h₀为结构的截面计算高度，单位为mm。将第二种方法中的强度调节适当放松，取[σ]=f_t，得混凝土的受剪承载力：V_c=[σ]bh₀=f_tbh₀。当大体积混凝土结构顶部竖向荷载的作用既有均布荷载4作用，又有集中荷载作用，且各种荷载对结果影响程度相近时采用本方法可以提高计结果的准确性。

实施例：

现以某高心墙堆石坝坝底灌浆廊道的抗剪设计配筋为例，说明大体积混凝土结构抗剪设计配筋计算方法的应用：

某高心墙堆石坝，坝高303m，坝基为基岩，心墙高度295m，廊道顶部采用微拱形结构，顶部承受竖向均布荷载4约为6MPa，根据有限元计算成果，廊道顶部沿上下游靠近廊道边墙约三分之一的位置形成两个剪应力较大区域，剪应力最大值为5.8MPa，远大于混凝土的抗剪强度，需要进行抗剪设计。因此，在剪应力较大的每个区域沿剪力值可能较大的地方选取应力路径3。

以上游应力路径3为例进行配筋面积计算，首先沿应力路径3积分得到剪力值为9779KN，采用第一种方法计算得到混凝土受剪承载力V_c=9891KN，带入式中求得Vs=1844KN，再带入式V_s=f_yA_s得到配筋面积As=5122mm²；采用第二种方法计算得到混凝土受剪承载力V_c=3983KN，带入式中求得Vs=7752KN，再带入式V_s=f_yA_s中得到配筋面积As=21532mm²；采用第三中方法计算得到混凝土受剪承载力V_c=7966KN，带入式Vs=3769KN，再带入式V_s=f_yA_s中得到配筋面积As=10468mm²；由于廊道顶部承受竖向均布荷载4的作用，所以，廊道配筋方式选用以第一种为准进行，廊道的配筋面积As=5122mm²。