水工钢筋混凝土设计规范要点

SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》

要点

SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》对SDJ20-78和SL/T191-96两规范进行了整合，对部分条文进行了合理修订，并补充了新的内容。

SL191-2008修订的主要内容有：

1  结构构件的安全度表达，在考虑荷载与材料强度的不同变异性的基础上，采用经多系数分析的安全系数K的表达方式；

2  对环境类别的划分进行了调整；对结构设计的耐久性要求作了补充；

3  按照新的钢材国家标准，取消了热处理钢筋，对钢筋的品种进行了调整；对混凝土和钢筋的材料性能设计指标作了修订；

4  斜截面承载力计算公式由原规范的两个公式改为一个公式；受冲切承载力计算增加了考虑荷载作用面积影响等因素；

5  对大保护层厚度构件裂缝宽度的计算公式进行了修正；增加了非杆件体系钢筋混凝土结构通过钢筋应力来间接控制裂缝宽度的规定； 

6  增加了小剪跨比的牛腿配筋计算公式；对壁式连续牛腿单位长度吊车轮压的计算方法作了调整；

7  增加了具有水工特点的闸门门槽、水电站钢筋混凝土蜗壳、尾水管和坝体内孔洞的设计构造要求。

SL191-2008规范所替代标准的历次版本为：

——SDJ20-78

——SL/T191-96

一、荷载效应组合设计值计算

SL191-2008引入荷载效应组合系数，相当于SL/T191-96规范荷载分项系数，但略有不同。

1.荷载类别

《建筑结构荷载规范》GB50009-2001将荷载分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载3类。

《水工建筑物荷载设计规范》DL5077-1997附录A列举水工结构常用荷载分类。

《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008把永久荷载分为两类：

一类是变异性很小的自重、设备重等，它所产生的荷载效应用表示；另一类为变异性稍大的土压力、围岩压力等，其荷载效应用表示。

可变荷载也分为两类：

一类是一般可变荷载，其荷载效应用表示；另一类是可严格控制其不超出规定限值的可变荷载（或称为“有界荷载”），如按制造厂家铭牌额定值设计的吊车轮压，以满槽水位设计时的水压力等，其荷载效应用表示。

  

2.荷载效应组合设计值

承载能力极限状态计算时，荷载效应组合设计值S应按下列规定计算：

(1 ) 基本组合

当永久荷载对结构起不利作用时：  

S＝1.05Sg1k＋1.20Sg2k＋1.20Sq1k＋1.10Sq2k

当永久荷载对结构起有利作用时：  

S＝0.95Sg1k＋0.95Sg2k＋1.20Sq1k＋1.10Sq2k

式中  Sg1k — 自重、设备等永久荷载标准值产生的荷载效应；

      Sg2k — 土压力、淤沙压力及围岩压力等永久荷载标准值产生的荷载效应；

      Sq1k — 一般可变荷载标准值产生的荷载效应；

      Sq2k — 可控制其不超出规定限值的可变荷载标准值产生的荷载效应。

    (2 ) 偶然组合

          S＝1.05Sg1k＋1.20Sg2k＋1.20Sq1k＋1.10Sq2k＋1.0Sak

式中  Sak  — 偶然荷载标准值产生的荷载效应。

荷载效应组合系数：

(1) 自重、设备等永久荷载  

 对结构起不利作用时：1.05

对结构起有利作用时： 0.95

(2) 土、淤沙及围岩压力等永久荷载

对结构起不利作用时：1.20

对结构起有利作用时： 0.95

(3) 一般可变荷载   1.20

(4) 可控可变荷载   1.10

(5) 偶然荷载   1.0

二、环境类别划分

  结构的耐久性要求及裂缝控制与结构所处环境条件有很大关系。SL/T191-96将水工建筑物的环境类别划分为一至四类，为了进一步将淡水水位变化区与海水水位变化区、淡水水下区与海水水下区等不同的侵蚀程度加以区分，SL191-2008将环境类别划分为一至五类，以期更符合工程实际情况。

不同的环境条件类别，要求不同的耐久性设计。

表3.1.8  水工混凝土结构所处的环境类别

环境类别	环    境    条    件
一	室内正常环境
二	室内潮湿环境；露天环境；长期处于水下或地下的环境
三	淡水水位变化区；有轻度化学侵蚀性地下水的地下环境；海水水下区
四	海上大气区；轻度盐雾作用区；海水水位变化区；中度化学侵蚀性环境
五	使用除冰盐的环境；海水浪溅区；重度盐雾作用区；严重化学侵蚀性环境
注1：海上大气区与浪溅区的分界线为设计最高水位加1.5m；浪溅区与水位变化区的分界线为设计最高水位减1.0m；水位变化区与水下区的分界线为设计最低水位减1.0m；重度盐雾作用区为离涨潮岸线50m内的陆上室外环境；轻度盐雾作用区为离涨潮岸线50m至500m内的陆上室外环境； 注2：冻融比较严重的二、三类环境条件下的建筑物，可将其环境类别分别提高为三、四类； 注3：化学侵蚀性程度的分类见本规范表3.3.9。

三、混凝土和钢筋强度设计值

SL191-2008与SL/T191-96混凝土和钢筋强度设计值不同。

表4.1.5  混凝土强度设计值（N/mm2）

强度种类	符号	混凝土强度等级
		C15	C20	C25	C30	C35	C40	C45	C50	C55	C60
轴心抗压		7.2	9.6	11.9	14.3	16.7	19.1	21.1	23.1	25.3	27.5
轴心抗拉		0.91	1.10	1.27	1.43	1.57	1.71	1.80	1.	1.96	2.04
注：计算现浇钢筋混凝土轴心受压和偏心受压构件时，如截面的长边或直径小于300mm，则表中的混凝土强度设计值应乘以系数0.8；当构件质量（如混凝土成型、截面和轴线尺寸等）确有保证时，可不受此。

混凝土强度设计值取为混凝土强度标准值除以混凝土材料性能分项系数。SL/T191－96混凝土的材料性能分项系数=1.35，与国内外相关规范的取值相比，取值偏低。GB 50010-2002取=1.4；美国规范ACI 318-05取=1/=1/0.65=1.54；欧洲规范和英国规范取=1.5。本次修订时将从1.35提高到1.4，相应的混凝土强度设计值与GB 50010-2002的取值相同。

表4.2.3－1  普通钢筋强度设计值（N/mm2）

种  类		符号
热轧钢筋	HPB235		210	210
	HRB335		300	300
	HRB400		360	360
	RRB400		360	360
注：在钢筋混凝土结构中，轴心受拉和小偏心受拉构件的钢筋抗拉强度设计值大于300N/mm2时，仍应按300N/mm2取用。

为适当提高安全度设置水平，参考GB 50010-2002规范的规定，将HRB 335级钢筋的材料性能分项系数由SL/T191-96的1.08提高为1.1。这样， HPB235、HRB335和HRB400这三个级别的热轧钢筋的材料性能分项系数都取为1.1。

四、承载力安全系数

SL191-2008将SL/T191-96中3个系数可合并为一个，即承载力安全系数K，其中，为结构系数，为结构重要性系数，为设计状况系数。

安全系数K见表3.2.4，与水工建筑物级别、荷载效应组合及结构受力特点相关。

表3.2.4  混凝土结构构件的承载力安全系数K

水工建筑物级别		1		2、3		4、5
荷载效应组合		基本 组合	偶然 组合	基本 组合	偶然 组合	基本 组合	偶然 组合
钢筋混凝土、预应力混凝土		1.35	1.15	1.20	1.00	1.15	1.00
素混凝土	按受压承载力计算的受压构件、局部承压	1.45	1.25	1.30	1.10	1.25	1.05
	按受拉承载力计算的受压、受弯构件	2.20	1.90	2.00	1.70	1.90	1.60
注1：水工建筑物的级别应根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000）确定； 注2：结构在使用、施工、检修期的承载力计算，安全系数K应按表中基本组合取值；对地震及校核洪水位的承载力计算，安全系数K应按表中偶然组合取值； 注3：当荷载效应组合由永久荷载控制时，表列安全系数K应增加0.05； 注4：当结构的受力情况较为复杂、施工特别困难、荷载不能准确估计、缺乏成熟的设计方法或结构有特殊要求时，承载力安全系数K宜适当提高。

五、斜截面承载力计算

SL191-2008第6.5.3条  矩形、T形和I形截面的受弯构件，其斜截面受剪承载力应符合下列规定：

1  当仅配有箍筋时

ft——混凝土轴心抗拉强度设计值（N/mm2），

注：对承受集中力为主的重要的梁，式中的系数0.7应改为0.5，系数1.25应改为1.0。

96规范               

有集中力时，   

fc——混凝土轴心抗压强度设计值（N/mm2），

x——剪跨比。

本次修订时，通过对国内外各主要混凝土结构设计规范的分析和试验资料的对比，在SL/T191-96计算方法的基础上，对混凝土项受剪承载力计算公式进行了以下两点修订：

1） 将混凝土项受剪承载力计算公式中的混凝土强度设计指标由改为表达，以适应从低强到高强混凝土构件受剪承载力的变化，避免采用时使高强混凝土构件的受剪承载力计算偏不安全。

2） 将混凝土项受剪承载力计算公式合为一个，取消集中荷载作用为主的梁计算中剪跨比对受剪承载力的影响，对承受集中力为主的重要的梁，式中的系数0.7应改为0.5，系数1.25应改为1.0。

6.5.4  不配置抗剪钢筋的实心板，其斜截面的受剪承载力应符合下列规定：

                 

                           

                                              

式中  ——截面高度影响系数：当＜800mm时，取=800mm；当＞2000mm时，取=2000mm。

对不配置腹筋的厚板的斜截面受剪承载力计算公式，增加了截面高度影响系数，以考虑截面的尺寸效应影响。当截面有效高度超过2000mm后，其截面受剪承载力还可能降低，但对此试验研究尚不充分，未能作出进一步规定。

六、正截面裂缝宽度控制验算

SL/T191-96最大裂缝宽度wmax计算公式为：

wmax =                       

与SDJ20-78相比，增加了混凝土保护层厚度c这一因素。工程设计表明，当混凝土保护层厚度较大时，SL/T191-96的裂缝宽度计算值比SDJ20-78偏大较多，会出现钢筋用量由裂缝宽度条件控制，比承载力所需钢筋用量增加很多的情况。

关于裂缝计算公式，08规范结合试验研究和工程实际，进行了以下几方面的修正：

1  将96规范中的构件受力特征系数1、钢筋表面形状系数2和荷载长期作用影响系数3简化整合成综合影响系数。

受弯和偏心受压构件＝2.1；偏心受拉构件＝2.4；轴心受拉构件＝2.7。

2  配置带肋钢筋的矩形、T形及I形截面受拉、受弯和偏心受压钢筋混凝土构件，在荷载效应标准组合下的最大裂缝宽度wmax（mm）可按下式计算：

               

SL/T191-96和SDJ20-78均没有非杆件体系结构的裂缝宽度验算方法，08规范适应工程需要，在参考国外规范的基础上，提出了非杆件体系结构通过控制钢筋应力间接控制裂缝宽度的验算方法。

控制受拉钢筋的应力。一般情况下，按荷载标准值计算的受拉钢筋应力σsk宜符合下式规定：

   σsk ≤s fyk                                         

式中  σsk——按荷载标准值计算得出的受拉钢筋应力（N/mm2）

s——考虑环境影响和荷载长期作用的综合影响系数， s=0.5～0.7，对一类环境取大值，对四类环境取小值；

——钢筋的抗拉强度标准值（N/mm2）。

例题1  受弯构件配筋（4级建筑物）

某小型泵站（4级建筑物）内有一单跨简支板，板厚80mm(保护层厚度取15mm)，计算跨度l0=3.0m，承受均布恒荷载标准值gk=2kN/m2(包括板自重)，均布活荷载标准值qk=3kN/m2,混凝土强度等级C20，Ⅰ级钢筋，求板的纵向钢筋？

按SL/T191-96计算

解：(1) 有关系数

《96规范》4.1.3条规定4级建筑物的安全级别为Ⅲ级，4.2.1条规定重要性系数γ0=0.9，持久状况系数ψ=1.0，结构系数γd=1.2，

 规范附录B永久荷载分项系数

γG=1.05，可变荷载γQ=1.20，

 砼、钢筋强度设计值fc=10N/mm2，fy=210 N/mm2

（2）弯矩设计值计算

 取1000mm 板带作为计算单元，h0=65mm

 M=ψγ0(γG gk+γQqk)l02/8    =1.0×0.9×(1.05×2+1.2×3)×3.02/8=5.77 kN·m

 （3）配筋计算

 as=γd*M/fc/b/h02

=1.2*5.77*105/10/1000/652

=0.1639

ξ=1-(1-2*as)1/2=0.180

As=fc*ξ*b*h0/fy=557.5 mm2

按SL191-2008计算

解：(1) 有关系数

《08规范》3.2.4条规定4级建筑物、基本组合的安全系数K=1.15，

3.2.4条永久荷载对结构不利时：

自重、设备等永久荷载系数  1.05，

一般可变荷载系数   1.20

砼、钢筋强度设计值fc=9.6N/mm2，fy=210 N/mm2

（2）弯矩设计值计算

 取1000mm 板带作为计算单元，h0=65mm

 M=(γG gk+γQqk)l02/8 

   =(1.05×2+1.2×3)×3.02/8=6.41 kN·m

（3）配筋计算

as=K*M/fc/b/h02

=1.15*6.41*105/9.6/1000/652

=0.1817

ξ=1-(1-2*as)1/2=0.202

As=fc*ξ*b*h0/fy=600.2 mm2

相差42.7mm2，约为7.7％

例题2  受弯构件配筋（1级建筑物） 

某大型泵站（1级建筑物）内有一单跨简支板，板厚80mm(保护层厚度取15mm)，计算跨度l0=3.0m，承受均布恒荷载标准值gk=2kN/m2(包括板自重)，均布活荷载标准值qk=3kN/m2,混凝土强度等级C20，Ⅰ级钢筋，求板的纵向钢筋？

按SL/T191-96计算

解：(1) 有关系数

《96规范》4.1.3条规定4级建筑物的安全级别为Ⅰ级，4.2.1条规定重要性系数γ0=1.1，持久状况系数ψ=1.0，结构系数γd=1.2，

 规范附录B永久荷载分项系数

γG=1.05，可变荷载γQ=1.20，

 砼、钢筋强度设计值fc=10N/mm2，fy=210 N/mm2

（2）弯矩设计值计算

 取1000mm 板带作为计算单元，h0=65mm

 M=ψγ0(γG gk+γQqk)l02/8    =1.0×1.1×(1.05×2+1.2×3)×3.02/8=7.05 kN·m

 （3）配筋计算

 as=γd*M/fc/b/h02

=1.2*7.05*105/10/1000/652

=0.20

ξ=1-(1-2*as)1/2=0.225

As=fc*ξ*b*h0/fy=697.7mm2

按SL191-2008计算

解：(1) 有关系数

《08规范》3.2.4条规定1级建筑物、基本组合的安全系数K=1.35，

3.2.4条永久荷载对结构不利时：

自重、设备等永久荷载系数  1.05，

一般可变荷载系数   1.20

砼、钢筋强度设计值fc=9.6N/mm2，fy=210 N/mm2

（2）弯矩设计值计算

 取1000mm 板带作为计算单元，h0=65mm

 M=(γG gk+γQqk)l02/8 

   =(1.05×2+1.2×3)×3.02/8=6.41 kN·m

（3）配筋计算

as=K*M/fc/b/h02

=1.35*6.41*105/9.6/1000/652

=0.213

ξ=1-(1-2*as)1/2=0.242

As=fc*ξ*b*h0/fy=720.2 mm2

相差22.5mm2，约为3.2％

例题3  受弯构件裂缝宽度验算(厚板)

某中型水闸(3级建筑物)，闸底板厚1.5m，C25混凝土，短期组合弯矩标准值 Ms＝560.00kN·m，长期组合弯矩标准值 Ms＝448.00kN·m，由承载力计算，实配8根d20Ⅱ级钢筋，受拉钢筋面积 As＝2513mm2，混凝土保护层厚c=60mm，裂缝宽度计算。

按SL/T191-96计算

解：(1) 确定有关系数

ψ=1.0，γd=1.2,γ0=1.0（安全级别Ⅱ级），2类环境下[[ωmax]=0.30mm(短期), [ωmax]=0.25mm（长期），α1＝1.0(受弯构件)，α2＝1.0(Ⅱ级钢筋)，α3s＝1.5(短期)，α3l＝1.6(长期)，Es=2×105N/mm2(Ⅱ级钢筋)。

(2) 计算最大裂缝宽度

b=1000mm， h=1500mm， c＝60mm，a=60+20/2=70mm

配纵向受拉钢筋为8ф20，As=2531mm2

混凝土有效受拉面积: Ate=2ab=2×70×1000=140000mm2 

ρte=As/Ate=2531/140000=0.0181<0.03，ρte=0.03

h0=1500-70=1430mm

短期组合下：

σss=

ωmax=0.329mm>[ωmax] =0.30mm不满足要求

长期组合下：

σss=

ωmax=0.281mm>[ωmax]=0.25mm不满足要求

按SL191-2008计算

解：(1) 有关系数

2类环境下[[ωmax]=0.30mm，考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数，对受弯构件取 α＝2.1，Ⅱ级钢筋Es=2×105N/mm2。

（2）计算最大裂缝宽度

b=1000mm， h=1500mm， c＝60mm，a=60+20/2=70mm

配纵向受拉钢筋为8ф20，As=2531mm2

混凝土有效受拉面积: Ate=2ab=2×70×1000=140000mm2 

纵向受拉钢筋的有效配筋率 ρte＝As／Ate＝2531/140000=0.0181

         当ρte＜0.03时，取ρte＝0.03

       受拉钢筋应力 σsk＝Mk／(0.87×ho×As)＝177.85N／mm^2

       受弯构件最大裂缝宽度

ωmax＝α×σsk／Es×(30＋c＋0.07d／ρte)

＝2.1×177.85×(30＋60＋0.07*20/0.03)／2／105

＝0.255mm≤最大裂缝宽度允许值0.30mm

       裂缝宽度满足要求

例题4  受弯构件裂缝宽度验算(普通梁)

某中型水闸(3级水工建筑物)，矩形截面（b×h=200×500mm2）的C25混凝土简支梁，处于露天环境，跨度为l0=4.5m，使用期间承受均布线性荷载，其中永久荷载标准值为gk=17.5kN/m（含自重），可变荷载标准值qk=11.5kN/m，由承载力计算，截面配纵向受拉钢筋为4ф16，As=804mm2，混凝土保护层厚c=35mm，裂缝宽度进行计算。

按SL/T191-96计算

解：(1) 确定有关系数

ψ=1.0，γd=1.2,γ0=1.0（安全级别Ⅱ级），2类环境下[[ωmax]=0.30mm(短期), [ωmax]=0.25mm（长期），α1＝1.0(受弯构件)，α2＝1.0(Ⅱ级钢筋)，α3s＝1.5(短期)，α3l＝1.6(长期)，Es=2×105N/mm2(Ⅱ级钢筋)，可变荷载标准值的长期组合系数取ρ＝0.5。

(2) 计算Ms，Ml

 Ms=γ0 (gk+ qk) l02=1.0×(17.5+11.5)×4.52=73.41kN·m

Ml=γ0 (gk+ρ qk) l02=1.0×(17.5+0.5×11.5)×4.52=58.85kN·m

（3）计算最大裂缝宽度

c＝35mm，a=35+16/2=43mm

混凝土有效受拉面积: Ate=2ab=2×43×200=17200mm2 

ρte=As/Ate=804/17200=0.0467>0.03 

h0=500-43=457mm

短期组合下：

σss=

ωmax=0.24mm<[ωmax] =0.30mm

长期组合下：

σss=

ωmax=0.206mm<[ωmax]=0.25mm

裂缝宽度满足要求

按SL191-2008计算

解：(1) 有关系数

2类环境下[[ωmax]=0.30mm，考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数，对受弯构件取 α＝2.1，Ⅱ级钢筋Es=2×105N/mm2。

(2) 计算Ms，Ml

 Mk= (gk+ qk) l02= (17.5+11.5)×4.52=73.41kN·m

(3) 计算最大裂缝宽度

c＝35mm，a=35+16/2=43mm

混凝土有效受拉面积: Ate=2ab=2×43×200=17200mm2 

ρte=As/Ate=804/17200=0.0467>0.03 

h0=500-43=457mm

       受拉钢筋应力 σsk＝Mk／(0.87×ho×As)＝229.6N／mm^2

       受弯构件最大裂缝宽度

ωmax＝α×σsk／Es×(30＋c＋0.07d／ρte)

＝2.1×229.6×(30＋35＋0.07*16/0.0467)／2／105

＝0.215mm≤最大裂缝宽度允许值0.30mm

       裂缝宽度满足要求