论文部分内容阅读
摘要：对比不同条件下浅壁敞口水池壁板的厚度及配筋，结合材料的单价，通过计算结果分析不同条件下单位面积池壁的材料成本，结果表明：在确定的荷载作用下，壁板越薄配筋越大，壁板越厚配筋越小直至构造配筋，但两种情况都会使材料成本增加，故存在合理的壁厚及配筋;脚趾覆土厚度在一定范围内对已知壁板单位面积的材料成本不影响;壁板单位面积材料成本主要受池内最高水位的影响，池外脚趾覆土影响较小，由此给出工程设计时池内最大水位对应的经济配筋率及截面尺寸选取的经济范围，仅供参考。
关键词： 钢筋混凝土;壁板;材料成本
中图分类号：TU375
工程的建设成本与材料的用量有着直接的关系，选择合理的结构构件截面尺寸显得尤为重要，截面不易过大也不易过小。配筋率是保证结构安全、适用、经济的前提[1]，对钢筋混凝土结构受弯构件，截面大则配筋小、配筋率亦小，截面小则配筋大、配筋率亦大，故其存在较为经济且合理的截面尺寸及配筋率[2-3]。现行《钢筋混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）规定受力构件的最小配筋率为0.20% [4]，这与最大配筋率相差较大，而板的截面厚度对配筋率的影响较大[5]，且板厚取值及配筋率受多工况的影响，因此，对于常用材料，研究多工况下板厚及经济配筋率的取值是很有必要的。
1 截面受弯承载力计算方法
根据现行《钢筋混凝土结构设计规范》，无预应力的钢筋混凝土结构构件正截面受弯承载力应满足：
α_1 f_C bx=f_y A_S （1）
M=α_1 f_C bx（h_0-x/2） （2）
对于最高水位为H的单向壁板，其池内根部弯矩设计值为：
M_w=1/6 γγ_w H^3 （3）
式中，γ——荷載分项系数，取1.3[6];γ_w——水容重，取10.0kN/m3。
对于脚趾覆土厚度为L的单向壁板，其池外根部弯矩设计值为：
M_s=1/6 K_a γγ_s L^3 （4）
式中，γ——荷载分项系数;γ_s——土容重，取18.0kN/m3;K_a——主动土压力系数，取1/3。
经简化计算，池内外配筋面积分别为：
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）
池内外水平向钢筋均按构造确定，构造配筋率为0.20%。
2 单位面积壁板的材料成本分析
单位面积内，钢筋混凝土板的材料价格为：
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——混凝土每方价格;p_s——钢筋每吨价格。
水池池壁高度由池内水位控制，池内水位高度是决定单位面积壁板材料成本的主因。池壁高度高于池内水位0.5～1.0m，脚趾覆土厚度一般不大于池内水位。将（5）（6）式代入（7）式，根据常见设计，取池内水位高度H=4.0m、5.0m、6.0m、7.0m四种情况，混凝土强度等级C30、钢筋为三级钢、混凝土保护层厚度35mm、混凝土每方价格510元、钢筋每吨价格4600元，分别计算相同壁厚不同脚趾覆土厚度下单位面积池壁材料的成本、相同脚趾覆土厚度不同壁厚下单位面积池壁材料的成本，如图 1、图 2所示。
由图 1、图 2可以看出，池内水位、池外脚趾覆土厚度、壁板厚度都是单位面积钢筋混凝土壁板材料成本的影响因素。1）池内水位高度和脚趾覆土厚度相同时，壁板厚度越小或越大，成本均增大。壁板厚度减小则配筋增大，厚度过小时，将出现超筋，配筋量大幅增加，造成钢筋混凝土材料成本增加，且对结构造成不安全的影响;壁板厚度增大则配筋减小，配筋小于最小配筋率时按最小配筋率配筋，故壁板厚度较大时，材料成本会随壁板厚度的增加而增加。2）池内水位高度和壁板厚度相同时，脚趾覆土厚度在一定范围内不影响材料的成本，其原因是脚趾覆土厚度小，作用于池壁的弯矩对应的配筋小于构造配筋，此时壁板均按最小配筋率配筋，故材料成本不变;脚趾覆土厚度增加到一定量时，作用于池壁的弯矩对应的配筋大于构造配筋，此时壁板的材料成本会随之增加;池壁厚度过大时，脚趾覆土作用下池壁的弯矩对应的配筋均小于构造配筋，此时单位面积壁板的材料成本无变化。3）池内水位高度为4.0m时，壁板经济厚度取0.20-0.35m;池内水位高度为5.0m时，壁板经济厚度取0.30-0.45m;池内水位高度为6.0m时，壁板经济厚度取0.35-0.55m;池内水位高度为7.0m时，壁板经济厚度取0.45-0.65m。
计算整理各水位高度下不同壁厚内水工况的池壁配筋率，见表 1所示。
考虑壁板裂缝及挠度控制、耐久性等因素，壁板厚度不宜取太薄，故在选取壁板的经济厚度时应适当选较大值。对比图 2与表 1，得出以下结果：池内水位高度为4.0m时，壁板经济厚度取0.30-0.35m，内水工况下池壁的配筋率为0.52%-0.37%;池内水位高度为5.0m时，壁板经济厚度取0.35-0.45m，池内壁板配筋率为0.76%-0.43%;池内水位高度为6.0m时，壁板经济厚度取0.45-0.55m，池内壁板配筋率为0.78%-0.49%;池内水位高度为7.0m时，壁板经济厚度取0.55-0.65m，池内壁板配筋率为0.82%-0.56%。由此可见，脚趾覆土高度不大于池内水位高度时，池内水位较小时，内水工况下池壁的经济配筋率较小，池内水位较大时，内水工况下池壁的经济配筋率增大。池壁的经济厚度约为水位高度的1/11-1/13。
3 结语
浅壁敞口水池壁板单位面积成本受池内水位高度和脚趾覆土厚度、壁板厚度等因素的影响，不同因素的组合都对池壁厚度和经济配筋率有影响。设计时应综合考虑结构的承载力极限状态及正常使用极限状态、耐久性等因素，合理选取壁板的配筋率及截面尺寸。
参考文献
[1] 郭喜斌. 钢筋混凝土板类受弯构件的最小配筋率分析[J]. 山西建筑，2014，40（9）：38-39.
[2] 曹炜，成戎. 钢筋混凝土梁的经济配筋率研究[J]. 建筑结构，2010，40（增刊）：424-425.
[3] 刘相.混凝土矩形截面梁经济配筋率与造价探讨分析[J]. 辽东学院学报（自然科学版），2017，24（2）：129-140.
[4] GB50010-2010. 混凝土结构设计规范[S]. 2015.
[5] 曹锋. 钢筋混凝土受弯构件配筋率影响因素及变化规律研究[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版），2019，37（4）：525-528.
[6] GB50068-2018. 建筑结构可靠性设计统一标准[S]. 2018.
关键词： 钢筋混凝土;壁板;材料成本
中图分类号：TU375
工程的建设成本与材料的用量有着直接的关系，选择合理的结构构件截面尺寸显得尤为重要，截面不易过大也不易过小。配筋率是保证结构安全、适用、经济的前提[1]，对钢筋混凝土结构受弯构件，截面大则配筋小、配筋率亦小，截面小则配筋大、配筋率亦大，故其存在较为经济且合理的截面尺寸及配筋率[2-3]。现行《钢筋混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）规定受力构件的最小配筋率为0.20% [4]，这与最大配筋率相差较大，而板的截面厚度对配筋率的影响较大[5]，且板厚取值及配筋率受多工况的影响，因此，对于常用材料，研究多工况下板厚及经济配筋率的取值是很有必要的。
1 截面受弯承载力计算方法
根据现行《钢筋混凝土结构设计规范》，无预应力的钢筋混凝土结构构件正截面受弯承载力应满足：
α_1 f_C bx=f_y A_S （1）
M=α_1 f_C bx（h_0-x/2） （2）
对于最高水位为H的单向壁板，其池内根部弯矩设计值为：
M_w=1/6 γγ_w H^3 （3）
式中，γ——荷載分项系数，取1.3[6];γ_w——水容重，取10.0kN/m3。
对于脚趾覆土厚度为L的单向壁板，其池外根部弯矩设计值为：
M_s=1/6 K_a γγ_s L^3 （4）
式中，γ——荷载分项系数;γ_s——土容重，取18.0kN/m3;K_a——主动土压力系数，取1/3。
经简化计算，池内外配筋面积分别为：
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）
池内外水平向钢筋均按构造确定，构造配筋率为0.20%。
2 单位面积壁板的材料成本分析
单位面积内，钢筋混凝土板的材料价格为：
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——混凝土每方价格;p_s——钢筋每吨价格。
水池池壁高度由池内水位控制，池内水位高度是决定单位面积壁板材料成本的主因。池壁高度高于池内水位0.5～1.0m，脚趾覆土厚度一般不大于池内水位。将（5）（6）式代入（7）式，根据常见设计，取池内水位高度H=4.0m、5.0m、6.0m、7.0m四种情况，混凝土强度等级C30、钢筋为三级钢、混凝土保护层厚度35mm、混凝土每方价格510元、钢筋每吨价格4600元，分别计算相同壁厚不同脚趾覆土厚度下单位面积池壁材料的成本、相同脚趾覆土厚度不同壁厚下单位面积池壁材料的成本，如图 1、图 2所示。
由图 1、图 2可以看出，池内水位、池外脚趾覆土厚度、壁板厚度都是单位面积钢筋混凝土壁板材料成本的影响因素。1）池内水位高度和脚趾覆土厚度相同时，壁板厚度越小或越大，成本均增大。壁板厚度减小则配筋增大，厚度过小时，将出现超筋，配筋量大幅增加，造成钢筋混凝土材料成本增加，且对结构造成不安全的影响;壁板厚度增大则配筋减小，配筋小于最小配筋率时按最小配筋率配筋，故壁板厚度较大时，材料成本会随壁板厚度的增加而增加。2）池内水位高度和壁板厚度相同时，脚趾覆土厚度在一定范围内不影响材料的成本，其原因是脚趾覆土厚度小，作用于池壁的弯矩对应的配筋小于构造配筋，此时壁板均按最小配筋率配筋，故材料成本不变;脚趾覆土厚度增加到一定量时，作用于池壁的弯矩对应的配筋大于构造配筋，此时壁板的材料成本会随之增加;池壁厚度过大时，脚趾覆土作用下池壁的弯矩对应的配筋均小于构造配筋，此时单位面积壁板的材料成本无变化。3）池内水位高度为4.0m时，壁板经济厚度取0.20-0.35m;池内水位高度为5.0m时，壁板经济厚度取0.30-0.45m;池内水位高度为6.0m时，壁板经济厚度取0.35-0.55m;池内水位高度为7.0m时，壁板经济厚度取0.45-0.65m。
计算整理各水位高度下不同壁厚内水工况的池壁配筋率，见表 1所示。
考虑壁板裂缝及挠度控制、耐久性等因素，壁板厚度不宜取太薄，故在选取壁板的经济厚度时应适当选较大值。对比图 2与表 1，得出以下结果：池内水位高度为4.0m时，壁板经济厚度取0.30-0.35m，内水工况下池壁的配筋率为0.52%-0.37%;池内水位高度为5.0m时，壁板经济厚度取0.35-0.45m，池内壁板配筋率为0.76%-0.43%;池内水位高度为6.0m时，壁板经济厚度取0.45-0.55m，池内壁板配筋率为0.78%-0.49%;池内水位高度为7.0m时，壁板经济厚度取0.55-0.65m，池内壁板配筋率为0.82%-0.56%。由此可见，脚趾覆土高度不大于池内水位高度时，池内水位较小时，内水工况下池壁的经济配筋率较小，池内水位较大时，内水工况下池壁的经济配筋率增大。池壁的经济厚度约为水位高度的1/11-1/13。
3 结语
浅壁敞口水池壁板单位面积成本受池内水位高度和脚趾覆土厚度、壁板厚度等因素的影响，不同因素的组合都对池壁厚度和经济配筋率有影响。设计时应综合考虑结构的承载力极限状态及正常使用极限状态、耐久性等因素，合理选取壁板的配筋率及截面尺寸。
参考文献
[1] 郭喜斌. 钢筋混凝土板类受弯构件的最小配筋率分析[J]. 山西建筑，2014，40（9）：38-39.
[2] 曹炜，成戎. 钢筋混凝土梁的经济配筋率研究[J]. 建筑结构，2010，40（增刊）：424-425.
[3] 刘相.混凝土矩形截面梁经济配筋率与造价探讨分析[J]. 辽东学院学报（自然科学版），2017，24（2）：129-140.
[4] GB50010-2010. 混凝土结构设计规范[S]. 2015.
[5] 曹锋. 钢筋混凝土受弯构件配筋率影响因素及变化规律研究[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版），2019，37（4）：525-528.
[6] GB50068-2018. 建筑结构可靠性设计统一标准[S]. 2018.