EM1110-2-2104--水工钢筋溷凝土结构强度设计--中文稿

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1、.内部资料注意保存国外水电标准译文水工钢筋混凝土结构强度设计Strengthdesignforreinforced-concretehydraulicstructures美EM1110-2-2104（2003年修订版）中国水电工程顾问集团公司编译二五年八月工程师手册编号：1110-2-21042003年8月20日修订工程与设计水工钢筋混凝土结构强度设计（EM11110-2-2104，1992年颁布）2003年第一次修订（本次修订是针对1992年6月30日颁布的EMll10-2-2104中第3章的正文和图表。此外，还增加了第3章的条文说明）美国陆军工程师团编译者序水工混凝土结构设计规范DLT50

2、57-1996颁布执行近九年，为推动可靠度理论在水电工程中的应用，并为进一步修订水工钢筋混凝土结构设计规范（DLT5057-1996）奠定基础，中国水电工程顾问集团公司组织翻译美国陆军工程师团的工程师手册水工钢筋混凝土结构强度设计（EM1110-2-2104）（2003年修订版）。我国混凝土结构设计规范（GB50010-2002）在条文说明7.7中专门指出对美国混凝土学会编制的美国混凝土结构建筑规范ACI318有所借鉴。而美国陆军工程师团的工程师手册水工钢筋混凝土结构强度设计（EMll10-2-2104）与美国混凝土学会的美国混凝土结构建筑规范（ACI318-02）二者有着紧密的联系。EMll

3、10-2-2104几乎处处引用ACI318，但不重复叙述。所以在用EMll10-2-2104时，要同时放一本ACI138规范在手边一起用。EMll10-2-2104反映水工结构特殊性是采用水力系数“Hl.3（对直接受拉的构件万Hl.65），在条文说明中指出H1.3的来历是：在过去使用允许应力设计方法时，水工结构中的混凝土构件的允许应力从0.45c减至0.35c而0.45/0.35大约是H值3。EMll10-2-2104-2003年版在“l-4背景”里阐述了一个观点，以前采用多荷载系数，使得计算工作量大，所以2003年版允许用单荷载系数,这反映了一种尽量简化的设计思想。在采用系数尽量简化的同时对

4、公式的推导却不惜笔墨,力求要使用者明白，如在附件B的推导。在美国规范公式的推导和应用中,偏好利用应变三角形相似的关系。在附录C的算例中，已知截面和钢筋，校核承载能力，其算法与我国规范明显不同的是用应变三角形相似的关系，以sy校验钢筋屈服先于混凝土开裂。这有利于对概念的理解和应用。EMll10-2-2104提供了应用算例，通过算例使规范的条文具体化了，方便了对该手册的学习应用。本手册由中国水电工程顾问集团公司组织编译，主要供内部参考使用。在中国水电工程集团公司周建平总工程师的指导下,由水利水电勘测设计标准化信息网组织翻译,并在西北勘测设计研究院的大力支持下，保证了编译工作的顺利进行。本手册由西北

5、勘测设计研究院赵书丽、陈明莉、李可佳翻译,杨超校核,冯兴中技审;北京勘测设计研究院刘更新、陈建苏统校、编辑。对给予本手册编译过程中支持和关心的人员，特此表示感谢！由于时间仓促,水平有限,在编译过程中可能存在不少问题在所难免,希望大家指正,并在此表示由衷谢意！目录第1章前言(1)1-1用途(1)1-2适用性(1)1-3参考文献(1)1-4背景(1)1-5一般规定(2)1-6范围(2)1-7计算机程序(2)1-8废除(2)第2章配筋的细部设计(3)2-1概述(3)2-2质量(3)2-3锚固、钢筋设置和接头(3)2-4弯钩与弯筋(3)2-5钢筋的间距(3)2-6钢筋的混凝土保护(3)2-7搭接(4)

6、2-8温度和收缩钢筋(4)第3章强度及适用性(5)3-1总则(5)3-2稳定性分析(5)3-3需要的强度(5)3-4钢筋的设计强度(8)3-5最大受拉钢筋(8)3-6变形与开裂的控制(9)3-7墙的最小厚度(9)强度及适用性条文说明(9)C3-1总则(9)C3-2稳定性分析(11)C3-3需要的强度(11)第4章弯曲和轴向荷载(15)4-1设计假定和一般规定(15)4-2受弯和受压能力-仅对受拉钢筋(15)4-3受弯和受压能力-受拉和受压钢筋(16)4-4受弯和受拉能力(18)4-5双轴弯曲和轴向荷载(18)第5章剪切(19)5-1抗剪强度(19)5-2特殊直线构件的抗剪强度(19)5-3孤形

7、构件的抗剪强度(19)5-4经验方法(19)附件A符号(20)附件B弯曲荷载和轴向荷载的公式推导(21)附录C验证实例(28)附录D设计实例(32)附录E相互作用图(38)附录F具有双向弯曲的轴向荷载的实例(41)第1章前言1-1用途本手册为采用强度设计法设计水工钢筋混凝土结构提供指导。1-2适用性本手册适用于所有负责土木工程的美国陆军工程师团总部/总工程师办公室所有部门、主要的下属单位、分区、实验室以及现场作业活动。1-3参考文献a.EM1110-l-2101,结构设计的工作应力。b.EMl110-2-2902，水道、涵洞以及管道。c.CW-03210,混凝土配筋用的钢筋、焊接钢筋网和附件的

8、土建工程施工准则规范。d.ACI318（美国混凝土协会），钢筋混凝土建筑规范及条文说明，Box19150，RedfordStation，Detroit，MI48219。e.ACI350R（美国混凝土学会），环境工程混凝土结构，Box19150，RedfordStation，Detroit，MI48219。f.ASTMA61589（美国材料试验学会）,混凝土配筋用的变形和光面坯段钢钢筋的标准规范,1916RaceSt.，Philadelphia,PA19103。g.AWSDl.4-790（美国焊接学会），结构焊接规范-钢筋，550NWLeJeuneRD.，P.O.Box351040,Miami,

9、FL33135。h.美国陆军工程师团水道试验站技术报告SL-80-4（Jul.1980）,水工钢筋混凝土结构的强度设计，报告1:初步强度设计准则,3909HallsFerryRoad,Vicksburg,NS39180。i.美国陆军工程师团水道试验站技术报告SL-80-4（Sep.1981），水工钢筋混凝土结构的强度设计,报告2:用于设计和分析受弯曲和轴向组合荷载作用的水工钢筋混凝土结构构件的设计辅助工具，3909HallsFerryRoad,Vicksburg,NS39180。j.美国陆军工程师团水道试验站技术报告SL-80-4（Sep.1981），水工钢筋混凝土结构的强度设计，报告3:T型

10、墙设计,3909HallsFerryRoad,Vicksburg,NS39180。1-4背景a.水工钢筋混凝土结构物是受下列一种或多种影响的结构：浸没，波浪作用，射流，化学污染的空气，以及恶劣的气候条件。常用的水工结构物有消力池底板和边墙、混凝土衬砌的渠道、部分电站厂房、溢洪道闸墩、扩散与束流墙、挡水墙、最高水位和波浪作用以下的进水口和出水口结构、闸墙、导水墙及护墙，以及与水接触的挡土墙。b.总体来说，工程师团采用EMl110-1-2101的工作应力法设计的现有水工钢筋混凝土结构物仍然非常好。为与本行业、大学和其它工程设计机构保持协调，工程师团在1981年开始采用强度设计法（Liu1980，1

11、981及Liu和Gleason1981），1981年9月15日发布的ETL1110-2-265水工钢筋混凝土结构强度设计准则，是陆军工程师团第一份为采用强度设计法设计水工结构提供指导的文件。该准则应用多荷载系数需要的工作量很大，某些荷载系数组合条件做出的设计比采用工作应力法的设计更保守，这一事实最终导致编制并于1988年3月10日发布了ETL1110-2-312水工钢筋混凝土结构强度设计准则。C在ETL1110-2-312中荷载修正系数是用来确保最终设计如同采用工作应力法一样安全。此外还引进了单荷载系数概念。该准则最初在荷载系数、混凝土应力-应变关系和60级钢筋屈服强度方面不同于ACI318钢

12、筋混凝土建筑规范的条文规定和说明。ETL1110-2-312旨在使其设计与采用工作应力法做出的设计相同。D陆军工程师团早期的强度设计法与ACI规范有区别，因为ACI318未包括适用于水工结构需要的规定。强度和稳定性是必须的，但适用的挠曲、开裂和耐久性同样需要考虑。水工结构物的重要性已促使陆军工程师团小心而慎重地朝着只用强度设计法的方向发展。e.本手册用一种类似于ACI350R-89的方法修改并补充了ETL1110-2-312。采纳ACI318中给出的混凝土应力-应变关系和60级钢筋的屈服强度。同样，荷载系数ACI318的更相似，并考虑水工结构适用性的需要，采用水力系数H对其作了修正。f.与ET

13、L1110-2-312一样，本手册允许在恒载和活载中使用单一荷载系数。另外，当作用在结构构件上的荷载包括土壤结构稳定分析得出的反作用力时，需采用单一荷载系数法。1-5一般规定除下述规定之外，水工钢筋混凝土结构应根据现行的ACI318，按强度设计法进行设计。采用的符号与ACI318及其条文说明中所用的符号一样，但本文规定的除外。1-6范围a本手册十分详细，不仅为设计人员提供设计程序，而且提供了应用实例。此外，为了增强设计人员的领会和理解，还给出了组合弯曲和轴向荷载公式的推导。b第2章介绍细部设计的一般规定。第3章介绍强度和适用性要求，包括受弯钢筋的荷载系数及限值。第4章给出受弯曲和/或轴向荷载作

14、用的构件的设计公式（包括双向弯曲）。第5章介绍剪切设计导则，包括对弯曲构件和专用直线构件的规定。附录中包括符号说明、公式推导和实例。实例内容为：荷载系数应用、受弯曲和轴向组合荷载作用的构件设计、剪切设计、相互作用特性曲线的绘制以及受双向弯曲作用的构件设计。1-7计算机程序用于设计和分析水工钢筋混凝土结构的计算机程序复本及文件可从工程技术计算机程序库（美国陆军工程师团水道试验站，3909HallsFerryRoad，Vicksburg，Mississippi，391806199）获得。对于考虑弯曲和轴向组合荷载的设计，只要遵照本手册给出的荷载系数和配筋率，任何符合ACI318导则的程序都是可使用

15、的。1-8废除基于ETR1110-2-312的陆军工程师团CSTR计算机程序（X0066）由CASTR计算机程序（X0067）所替代。CASTER程序是基于这本新的工程师手册编制的。第2章筋的细部设计2-1概述本章给出了水工结构混凝土各种构件配置和铺设钢筋的导则。2-2质量钢筋的类型和等级限定在ASTMA615（坯段钢），60级。应避免采用40级钢筋，因为它的可用性是有限的，而且采用本手册程序基于40级钢筋的设计过于保守。ACI318允许使用的其它类型和等级的钢筋，在得到更高一级部门同意的情况下允许特例使用。23锚固、钢筋设置和接头锚固、钢筋设置和接头要求应符合ACI318和下述的要求。由于设

16、置长度要依据混凝土强度及钢筋位置、功能、尺寸、类型、间距和保护层等众多因素而定，设计人员必须在合同图纸上标明钢筋设置所需的埋入长度。同样的理由，图纸应示出接头长度和特殊要求，如接头的搭接等。应认真编制施工技术规范，以确保它们与图纸上示出的钢筋细部设计相吻合。24弯钩与弯筋弯钩与弯筋应符合ACI318的要求。25钢筋间距a最小间距。平行钢筋之间的净距不得小于钢筋额定直径的1-l/2倍，也不得小于粗骨料最大直径的1-l/2倍。14号和18号钢筋的间距（中到中）分别不得小于6in和8in。当铺设两层或更多层平行钢筋时，层与层之间的净距不得小于6in。在水平层中，上层钢筋应正对铺设在下层钢筋上。在垂直

17、层中，应采用同一取向。施工大体积钢筋混凝土结构时，一层钢筋的中心间距只要可能应设为12in，以方便施工。b最大间距。主钢筋和辅助钢筋的最大中心间距不得超过18in。2-6钢筋的混凝土保护各类混凝土截面钢筋的最小保护层应符合下示尺寸。标明的尺寸是从钢筋边缘到混凝土表面的净距。混凝土截面钢筋的最小净保护层，in与基础连接的不成形表面4受空蚀或磨耗侵蚀影响的成形或修平表面，如消力墩和静水池底板6成形和修平表面，如消力池墙，陡槽式溢洪底板和斜槽渠道衬砌底板厚度等于或大于24in4厚度等于12in，小于24in3厚度等于或小于12in，按ACI318确定注：任何情况下保护层不得小于骨料最大额定粒径的l.

18、5倍，或最大钢筋直径的2.5倍。27连接a概述。钢筋应按要求连接，并应在合同图纸上标出接头位置。应避免在最大拉应力点处连接当必须进行这样的连接时，应错开接头。钢筋接头可搭接或对接。b搭按接头。大于11号的钢筋不得搭接。受拉接头应纵向错开连接，在规定搭接长度内任一截面处搭接的钢筋不超过一半。如果错开接头不实际，则应遵循ACI318的适用规定。c对接接头。（1）概述。大于1l号的钢筋应对接。ll号或小于l1号的钢筋不得对接，除非经细部设计清楚证明其对接是正确的或是经济的。由于大于11号的钢筋，特别是18号钢筋的对接成本高，所以应认真考虑采用小号钢筋的替代设计方案。应按照下面段落中的规定，用铝热焊法

19、或经批准的机械对接法完成对接接头。通常，由于焊接钢筋有内在的不定因素，所以不允许采用弧焊接头。但是，如果必须弧焊，应按AWSD1.4结构焊接规范-钢筋的要求进行。对接接头的受拉强度应达到钢筋规定屈服强度(y）的125。对大于ll号的钢筋，其受拉接头应纵向错接至少5ft，错开距离相当于11号或更小号钢筋规定的搭接长度，使任一截面处连接的钢筋不超过一半。小于14号钢筋的受拉接头应纵向错接，错距等于规定的搭接长度。14号和18号钢筋应纵向错接至少5ft，使任一断面处连接的钢筋不超过一半。（2）铝热焊。铝热焊应只限于符合ASTMA615的钢筋（坯段钢），基于桶样分析的硫含量不超过0.05。铝热焊法应符

20、合指导性规范CW-03210的规定。（3）机械对接。机械对接应依据指导性规范CW-03210的规定，采用经批准的散热螺纹连接器、模锻套管，或其它有利的连接形式完成。设计人员应认识到机械接头有错动的可能性，并应坚持将本手册中规定的试验条款写入合同文件，并在施工中应用。2-8温度和收缩钢筋a在设计受温度与收缩应力影响的结构构件时，钢筋面积应为混凝土毛截面面积（每面一半）的0.0028倍，最大面积等于每面按12in间距设置的9号钢筋。一般来说，薄截面的温度与收缩钢筋不小于每面按12in间距设置的4号钢筋。b如果钢筋必须用来分散应力和温度与收缩，经验和/或分析可能表明，需要设置多于2-8a段中规定的钢

21、筋量。c通常，当分析中考虑约束力时，就没有必要在主受拉钢筋的平面和方向上增加温度与收缩钢筋。但是，主钢筋不得少于上述确定的收缩与温度钢筋。第三章强度及适用性3-1总则a.非水工结构与水工结构。所有钢筋混凝土水工结构必须满足强度和适用性的双重要求。在强度设计法中，这用适当的荷载系数乘以工作荷载，对水工结构乘一个附加水力系数H来实现。该系数适用于所有的荷载系数公式。然后用增加的荷载求得水工结构所需的标准强度。采用水力系数替代附加的适用性分析。b.单荷载系数法和修正ACI318系数法。两种方法都适合于确定采用强度设计法设计水工结构物所需的计算力矩、剪力和推力。它们是单荷载系数法和以略有修改的ACI3

22、18为基础的方法。在此对这两种方法做一介绍。c.稳定性要求。除满足强度和适用性要求外,许多水工结构还必须满足各种荷载和基础条件下的稳定性要求。d.非水工结构。不能归入水工类的钢筋混凝土结构和结构构件按本手册设计，但不使用水力系数。32稳定性分析a.无系数荷载。必须按照EM2101水工结构稳定性分析，用无系数荷载对水工结构进行稳定性分析。然后用无系数荷载和最终的反作用力来确定结构临界截面处的无系数力矩、剪切和推力。然后用适当的载荷系数、水力系数乘以无系数力矩、剪力和推力，以确定用于决定截面特征所需的标准强度。b.土与结构相互作用的荷载系数。当作用在被分析的结构构件上的荷载包括自土与结构相互作用（

23、SSI）稳定性分析得到的反作用力（如墙基础）时，必须采用单荷载系数法。为简化和方便应用，单荷载系数法一般应用于这类结构的所有构件。基于ACI318的荷载系数法可用于结构的一些非-SSI的相关构件，但必须谨慎使用，以保证荷载组合不会产生不安全后果。33需要的强度a. 一般规定。钢筋混凝土水工结构和水工结构构件的设计应根据下列规定达到所需的强度Uh，以承受恒载和活载。应采用水力系数确定所有轴向荷载、力矩和剪力（斜向拉力）组合所需的标准强度。特别是，抗剪钢筋的设计应考虑过大剪力、水力系数计算的极限剪力（Vuh）与混凝土提供的抗剪强度（Vc）之间的差，其中为混凝土抗剪设计系数。因此，钢筋的剪力设计Vs

24、由下式得出：(3.1)b.单荷载系数法。在单荷载系数法中，恒载和活载乘以同一荷载系数。U=1.7(D+L)(3.2)式中：U-非水工结构的系数荷载；D-恒载的内力和力矩；E-活载的内力和力矩。Uh=H1.7(D+L)(3.3)式中：Uh-水工结构的设计荷载；H-水力系数。对于水工结构，基本荷载系数（1.7）乘以水力系数（H），其中H1.3，直接受拉的构件除外。对直接受拉的构件，H1.65。经与CECW-ED协商和同意后也可采用其它值。除上述情况外，本设计还包括非正常或极端荷载影响的抗力，如风、地震或其它历时短和发生概率低的力。在这些情况下，应采用下列荷载组合之一：对于非水工结构U=0.75UW

25、或E(3.4)对于水工结构U=H(0.75UW或E)(3.5)式中:UW或E-包括风或地震影响的非水工系数荷载。c.修正的ACI318法。ACI318规定的荷载系数可直接用于水工结构，但有两处改动。侧向流体压力系数（F）应取17，而不是ACI318规定的1.4。另外，对于水工结构，ACI318规定的总设计荷载的系数荷载组合（U），应增加水力系数H=l.3，直接受拉的构件除外。对直接受拉的构件,H=l.65。对于非水工结构U=1.4D+1.7L(3.6)对于水工结构Uh=HU=H(1.4D+1.7L)(3.7)对特定的水工结构,如U形框架的船闸和水道,活载可对用于确定总系数荷载影响的系数荷载组合

26、起卸荷作用。在此情况下,应对系数恒载和活载（活载系数为1）组合进行研究，并在设计文件中报告。Uh=H(1.4D+1.0L)(3.8)d.地震影响。如果需要抵御地震荷载（E），应采用下列定义和荷载组合。l）异常和极端荷载。地震荷载被认为是异常或极端荷载，因为它们的发生概率低而且持续时间短。因它们的发生概率低，在推求荷载组合时，还可把它们与正常工作荷载（如水工结构的正常运行水位）组合。2）设计地震的定义。在推求地震荷载时，需考虑三种不同的地震。最大可信地震（MCE）、最大设计地震（MDE）和运行基本地震（OBE）都是在进行强度和适用性设计时可能采用的的临界地震。a）最大可信地震（MCE）。如ERl

27、110-2-1806所定义，MCE是基于地震学和地质资料可合理预计在结构物位置附近震源发生的最大地震。对一个特定的位置来说，可确定多个MCE，每个MCE都有它们各自特定的地面运动参数和波谱形状。b）最大设计地震（MDE）。如ER1ll0-2-1806所定义，MDE是所设计或评价的结构物的最大地面运动。尽管容许发生严重的损坏或经济损失，但相关的性能要求是，工程维持运行不发生灾难性破坏。对于重要结构物，MDE与MCE相同。对于其它结构物，MDE应选择比MCE小的地震，它可提供达到适当安全标准的经济的设计。MDE可称为决定性或概率性地震事件（在许多情况下，合理地震由百年超越概率l0，即950年重现期

28、得出）。MDE荷载由于发生概率极低（可能震级高），被认为是极端荷载情况，应与常见荷载、预期的正常荷载和库水位组合使用。c）运行基本地震（OBE）。如ER1101-2-1806所定义，OBE是可合理预期在工程使用期限内发生的地震,即在使用期限内超越概率50的地震（对使用期限为100年的工程来说，相当于144午的重现期）。相关的性能要求是，工程功能极少损坏或没有损坏，功能不中断。OBE的用途是保护工程不受经济损失或寿命损失，因此OBE重现期方案的选择可基于经济因素确定。由于发生概率低，OBE被认定为异常荷载，并应与常见荷载、预期的正常荷载和库水位组合使用。3）OBE荷载系数。单独的OBE荷载系数是

29、由标准的（非现场特定）和现场特定的地面运动生成的。现场特定的OBE的荷载系数显示，减小荷载系数，可增加荷载的可靠性。a）标准地面运动分析。当用地震系数或标准设计波谱计算OBE的等效静态地震力时，可采用下面给出的荷载系数。包括非现场特定的OBE分析的荷载组合为：UE=1.4(D+L)+1.5E(3.9)对水工结构，将上式代入公式35得出Uh=0.75H(1.4(D+L)+1.5E)(3.10)公式中的恒载和活载要用正常运行工况求出。b）现场特定地面运动。现场特定地面运动一般用于进行时程分析或反应谱分析。可使用DEQAS等计算机程序得出现场特定反应谱。必须使用规定的位置数据和OBE的定义来得出反应

30、谱。同样，确定的加速时间历程必须反映出现场特定的动态特性以及OBE的定义。包括现场特定的OBE分析在内的荷载组合为UE=1.4(D+L)+1.4E(3.11)代入公式3.4得到Uh=0.75H(1.4(D+L)+1.4E)(3.12)使用正常运行工况得到上式中的恒载和活载。4）MDE荷载系数。MDE荷载系数由标准的和现场特定的地面运动生成。现场特定的MDE荷载系数反映出，通过降低荷载系数，可增加荷载的可靠性。a）标准地面运动。当用地震系数或标准设计波谱确定等效静态地震力时，要使用以下荷载系数。通过使用EM6050中提出的程序，可以得出这些地震系数或设计波谱。包括非现场特定MDE分析在内的荷载组

31、合为UE=1.0(D+L)+1.25E(3.13)将此公式代入公式3.4得到Uh=0.75H(1.0(D+L)+1.25E)(3.14)使用正常运行工况得到上式中的恒载和活载。b）现场特定地面运动。现场特定地面运动用于进行时程分析或反应谱分析。可使用EM6050中提出的程序，利用NEHRPT图或DEQAS等计算机程序，得出现场特定反应谱。必须使用规定的位置数据和MDE的定义来得出反应谱。包括现场特定的MDE分析在内的荷载组合为UE=1.0(D+L)+1.0E(3.15)将此公式代入公式3.4得到Uh=0.75H(1.0(D+L)+1.0E)(3.16)使用正常运行工况得到上式中的恒载和活载。3

32、-4钢筋的设计强度a.通常，设计应基于ASTM60级钢筋的屈服强度60000psi。采用其它等级的钢筋需符合本手册2节和3-4b节的规定。设计使用的屈服强度应在图纸中标出。b.不应使用屈服强度超过60000psi的钢筋，除非对延性和适用性要求进行详细的调查研究，并与CECW-ED协商,获得CECW-ED的认可。3-5最大受拉钢筋a.对于单筋受弯构件以及承受弯曲和轴向压缩荷载组合的构件，当轴向荷载强度Pn小于010cAg或Pb之中的小者时，给出的受拉钢筋配筋率应符合以下要求：l）建议的限值0.25b。2）不要求专门研究或核实的最大允许上限0.375b。超过0.375b的值将要求考虑适用性、可构造

33、性和经济性。3）当无法预测到过大变形，而使用ACI318规定的方法，或其他方法预测到的变形与综合试验结果基本一致时，最大允许上限0.5b。4）只有与CECW-ED协商并获得其认可，对适用性要求（包括变形计算）进行详细的核实，才能允许大于0.50b的配筋率。在任何情况下，配筋率不能超过0.75b。b.受压钢筋的使用应符合ACI318的规定。3-6变形与开裂控制a.如果没有超过第3-4a节和3-5a（3）节中规定的设计强度和配筋率限值，无需核实由使用荷载造成的开裂和变形。b.如果设计强度和配筋率超出第3-4a节和3-5a（3）节中规定的限值，应与CECW-ED协商，对由使用荷载造成的变形与开裂进行

34、广泛的调查研究。这些研究应包括材料和模型的实验室试验、分析研究、专用施工程序、控制裂缝的可能措施等。变形与裂缝宽度应控制在对特定结构的运行、维护、性能或者外观没有不利影响的程度。3-7墙的最小厚度高于10ft的墙，最小厚度应为12in,两面均应设置钢筋。强度及适用性条文说明c3-1总则a.非水工结构与水工结构：对于水工结构，开裂、振动和稳定是主要的适用性问题。过去使用了允许应力设计方法，水工结构中的混凝土构件的允许应力从0.45c减至035c。允许应力的减小使混凝土构件加厚，并增加了钢筋需要量。混凝土厚度的增加时水工结构是有益的，水工结构的稳定通常依赖于质量（更多的混凝土），没有过多配筋（没有

35、剪力钢筋），并且通常易受振动的影响（质量和阻尼）。配筋要求的增加大大有助于改善裂缝控制。出于同一目的，在水工结构的荷载与抗力系数设计中使用水力系数。注意：当构件没有直接受拉时，0.45/0.35大约是1.3，即H值。减小的允许应力法是正确的，并产生了合理的适用性结果，促使将这一概念引入荷载与抗力系数方法中。水力系数的使用是简单的，并省去了单独进行适用性分析的必要性。b.单荷载系数法与修正的ACI318荷载系数法：单荷载系数法对于恒载和活我都使用一个荷载系数（1.7），而ACI318使用不同的荷载系数，恒载1.4、活载1.7。USACE已经选择使用比USACE结构所用系救更高的ACI抗力系数。因

36、此，USACE结构的荷载系数也略高于使用常规荷载和抗力系数法确定的USACE结构荷载系数。在流体压力是主要活载的水工结构中，ACI318要求流体压力的荷载系数为1.4。本手册规定流体压力要采用的荷载系数为1.7，不使用ACI318的1.4。两个方法近乎相同，唯一的差异是恒载系数为1.7比1.4（ACI318）。对于恒载成分大和流体压力有限的结构，ACI318的方法将提供较低的强度要求。通过需求承载能力关系和安全性，可以最好地说明对荷载系数的需要。如果结构物得到准确分析、正确设计、完美修建并按预期负载，略微超出需要的承载能力将得出和适的设计。遗憾的是，这些工作大多具有不确定性，需要有安全裕度。实

37、际荷载在量值和分布上与设计荷载有差异。荷载可能是瞬时的、每日的、每年的、运行期偶尔作用的。模拟假设、限制和简化，可造成与实际情况略微不同至完全不同的结果。除了需求与承载能力之间的关系之外，荷载系数还必须考虑失事后果（重要性）。由失事造成的生命和财产的损失或大的经济损失，比微小的运行破坏或小麻烦，要求更大的安全裕度。对抗力系数的需求取决于构件强度的变化。构件强度必须超出所有可预见荷载所要求的强度，而没有破坏或重大事故每个构件的实际强度与计算的标准强度不同。这些差异与竣工相对于假设的（分析/设计）材料特性、横截面尺寸、钢筋设置的变化以及分析程序的准确性有关。在特定的例子中，这些变化造成实际强度比计

38、算值小。为了保证结构或单个构件的安全，必须通过（抗力）系数降低标准强度，并应通过（荷载）系数增加荷载。抗力系数考虑了强度的变化，特别是与计算值相比可能降低的构件强度；荷载系数，考虑了与假设负荷相比可能超载的或不适当的载荷方法。可用如下公式表示：(C3.1)这是强度设计的基础，式中是抗力系数（小于1.0），Rn是计算的构件标准承载力，i是荷载ith的荷载系数,Qi是荷载类型（恒载、活载、地震荷载），l是荷载类型的数量。安全裕度可以定义为强度和荷载效应之间的差异，如图C3.1所示。安全裕度是一个随机变量，由此产生图C3.2所示特性的概率分布。用于确定失事概率的典型概率分布是ln(R/Q)的概率分布

39、，如图C3.3所示。图C3.2和C3.3中概率分布低于零时，发生事故。因此，零左边的区域（失事概率）必须减至最小至一个可接受的值。这一般是通过将安全裕度的平均值视作与原值的标准偏差来实现的。这一系数被称为安全指数，通常取值在3到4之间（AISC为承受风荷载的构件选用2.5，承受恒载加恒载的构件之间的连接选用3.4和4.5，承受地震荷载的构件选用1.75）。由以往成功设计的安全指数数据和反算成果得出这些值。安全指数主要取决于载荷和构件抗力的变化。安全指数的值可由下列公式近似得出：(C3.2)式中：m(下标)表示抵抗力和荷载的平均值；V是阻力R（下标）和荷载Q（下标）的变化。介于3和4之间的安全指

40、数表示失时概率在10万分之一。遗憾的是，荷载和强度很少以平均值给出，而是以标准强度和实际荷载给出，施加的荷载通常作为预期上限值，而不是平均值，因此荷载系数也需要相应调整。荷载系数和抗力系数可以根据规定的安全指数以及荷载和强度（实际的或已知的）变化进行选择。ACI318的抗力系数（）建立在已知的Rm/Rn值上，该值与USACE设计结构和USACE设计文件不同。由于USACE设计构件的平均值与标准值的比率大于ACI318的规定,所以USACE抗力系数应较低，但是为了与ACI318保持一致,这种差异反映在USACE使用荷载系数增加。荷载系数的增加也反映了这些结构中荷载的变化较大。c.3-2稳定性分析

41、a.无系数荷载。尽管就结构稳定性而言，必须有一定的安全裕度，结构稳定性仍然由使用荷载来确定。结构的稳定性很大程度上取决于荷载的实际比率，例如恒载和活载之比。如果恒载和活载采用的荷载系数不一样，稳定性计算就不再反映实际情况，而且不稳定的潜在性就可能被夸大（活载系数一般比恒载系数大，故出现这种典型情况。由于水工建筑物经常采用恒载质量来抵消与稳定性相关的活载，较小的恒载系数就会低估结构抵抗活载效应的能力）。这时，无系数内力的分量可乘以适当的荷载和水力系数，然后合并计算进行构件设计。b.土壤结构相互作用荷载系数。土壤-结构相互作用要求土壤、结构和荷载的直接相互作用。把荷载分解成各个分量，分别分析各个荷

42、载，然后把合力相乘，这种方法是不合适的。因为土壤-结构系统是典型的非线性系统，不适用于荷载叠加。按其荷载系数的比例改变每个荷载分量，用此系数荷载进行SSI分析，其结果不同于对每种荷载类型进行一系列分析，并总和每一分量荷载的设计成果（简单地说，典型的SSI分析中使用的设计荷载和采用无系数成果并乘以荷载系数的方法所产生的结果是不一样的。结果取决于典型的非线性土壤的应力-应变变化历程）。因此，最好采用使用荷载进行SSI分析，然后给得出的各内力分量加上各自的荷载系数。更多的详细资料可以在EM6051（混凝土水工结构的动态历时分析）和EM2906（桩基）中找到。最近所做的大多数SSI分析都足PY静态曲线

43、分析。由于计算机功能增强，可以得到更多的非线性SSI软件包，因此每种分析类型以及与荷载分量的相互作用都要进行仔细核实，以确保结果合理、准确和切合实际。c.3-3需要的强度a.一般规定。水力系数包括在Vuh项中。Vuh的增加要求增加剪力钢筋或使截面加大，以便计及增加的设计剪力。采用这种附加的剪力钢筋和加大的截面来控制混凝土开裂，走水工建筑物的一个重要的适用性要求。从历史上看，这种方法已经使许多工程建筑物的开裂受限，适用性问题不大，减少了进行大范围适用性分析的需求。b.单荷载系数方法。对处于直接受拉的构件来说，H从1.3增加到1.65与规范允许应力设计规定的立接拉力中构件的低允许应力有直接关系。增

44、加水力系数或减少直接受拉构件的允许应力的原因，是为了减少裂缝扩展的潜在危险。由于预测裂缝扩展是困难的，因此，把这种增加水力系数的简单方法和成功经验结合起来，得到1.65的系数。0.75的系数说明最大风力、地震或其它短历时荷载与最大恒载和活载同时发生的概率较低。这些荷载被认为是异常的和极端的，例如0BE（运行基本地震）或MCE（最大可信地震）。c.修订的ACI318法。对ACI318的首次修订是将规定的侧向流体压力系数从1.4提高到1.7，原因是侧向流体压力荷载具有较大变化和重要性。USACE认为这些荷载与典型钢筋混凝土建筑物的活载是相似的。第二次修正是采用c3-3.b中规定的水力系数H。为此还

45、建议，对某些水工建筑物的荷载采用正常恒载系数和活载系数为1。对某些特定的内力，恒载和活载使用不同的荷载系数可能引起内力松弛效应。这种情况类似于C.32.a中关于稳定性的讨论。d.地震效应l）异常和极端荷载。典型的异常和极端荷载是低概率和/或短历时的荷载（洪水、大风和地震是这种荷载类型的例子）。这些低概率和/或短历时荷载的最大组合的可能性很小，因此，上述低概率和/或短历时荷载事件的组合可不予考虑。同样，最大强度地震和最大活载同时发生也是不可能的，因此可以调整活载系数，以反映这种同时发生的情况出现的概率较低。而且，对于低概率/短历时荷载，可以调整它们的预期应力水平和适用性要求，以反映发生频率低以及

46、对结构的短历时影响。2）设计地震的定义a）最大可信地震（MCE）。MCE是建筑物所在区域特定震源合理诱发的最强地震，是在震源存在期内只发生一次的事件。预计结构内的非弹性作用力将在这类事件发生过程中产生。MCE发生后，建筑物可能不使用了，但仍应足以保护生命和防止重大的经济损失。b）最大设计地震（MDE）。MDE可被定义为在建筑物使用年限内可能合理遭遇一次的地震的水平。因此，在大多数情况下10年一遇的概率是合理的，但是如果使用期限内只发生一次的事件（特别是MDE）会导致重大的生命和经济损失的话，就需对10的概率重新定义了。对于重要的结构物与构件，MDE可以是最大可信地震（MCE）。c）运行基本地震

47、（0BE）。0BE可被定义为在建筑物使用年限内可能遭遇的地震。因此，以100年计50概率在大多数情况下是合理的。但是，如果预期的使用期较长，或根据可能的经济损失预计需要选择更长的重现期，就可能需要对此概率加以修正。在0BE中，建筑物呈弹性性能，具有最小的非线性性状，因此只引起微小的破坏。在0BE发生后的短时期内，建筑物将处于正常状态，并且只需要小维修即可。3）0BE荷载系数。0BE采用现场特定的和标准的两个程序生成，所以采用不同的荷载系数。假定用来生成现场地震的技术产生的地震较可靠（可变性较低），这种地震荷载系数较低。标准（非现场特定的）地震是以该地区的潜在地震为基础，比现场生成的地震的可靠性

48、要低（可变性较高）。因此，它们具有较高的荷载系数以反映增加的可变性。a）标准地面运动分析。减少恒载和活载的荷载系数，是因为最大恒载和活载不太可能与0BE事件同时发生。较高的地震荷载系数是标准地震荷载中高可变性（不确定性）的直接结果。这种不确定性是地震性质的函数，与地震系数的确定和使用有关，不考虑现场特定的地震特点。b）现场特定地面运动。由于现场特定地震的确定考虑了地震荷载现场和局部衰减的特点，故可减少地震荷载系数。对现场特定地震进行分析，以确定现场特定的地震反应谱或历时，可降低地震荷载的可变性，由此也降低了地震荷载系数。由于地震荷载预测仍然是不确定的，具有相当高的可变性，因此降低地震荷载系数也

49、是有限的。建筑物在使用年限内遭遇地震的可能性非常高。4）MDE荷载系数。由于MDE采用现场特定的和标准的两个程序来生成，所以采用不同的荷载系数。假定用来生成现场地震的技术产生的地震较可靠（可变性较低），这种地震荷载系数较低。标准（非现场特定的）地震是以该地区的潜在地震为基础，比现场生成的地震的可靠性要低（可变性较高）。因此，它们具有较高的荷载系数以反映增加的可变性。a)标准地面运动分析。恒载和活载采用荷载系数，是因为最大恒载和活载与最大设计地震同时发生的可能性非常低。而且，荷载系数为1直接反映了一个事实：MDE被认为是在使用年限内只发生一次事件，所引起的有限的非弹性性能是可以接受的。与0BE的

50、荷载系数比较，MDE地震采用较小的荷载系数，是因为MDE的发生概率比0BE要低。b）现场特定地面运动。恒载和活载采用荷载系数1是由于最大恒载和活载与最大设计地震同时发生的概率非常低。由于采用现场程序来确定MDE，因此把地震荷载系数降低到l。对现场地震荷载进行分析，以确定现场特定地震反应谱或历时，抵消了地震荷载的可变性，由此也降低了地震荷载系数。将地震荷载系数降低到l也反应了MDE定义中使用期限内只发生一次的概念，以及对该事件引起的有限的非弹性性能是可以接受的。第4章弯曲和轴向荷载4-1设计假定和一般规定a根据ACI318的规定，混凝土极限压缩纤维假定的最大有效应变c就等于0.003。b正如受压

51、混凝土达到其设计应变c一样，当受拉钢筋b达到规定的屈服强度y相应的应变时，水工建筑物在一横截面上存在平衡条件。c.假定0.85c的混凝土应力均匀分布等效受压区，该区域由横截面的边缘线和一条与中和轴平行并距最大压缩应变纤维距离=1c的直线所限定。d.系数1应根据ACI318的规定取值。e.偏心比e/d应确定为（4-1）式中：e轴向荷载的偏心距，从受拉钢筋的形心测定。4-2受弯和受压能力仅对受拉钢筋a.受压构件重心处的设计轴向荷载强度Pn应不大于下值：(4-2)b.如果荷载的偏心比e/d不大于公式4-3给出的值，横截面的强度受压力控制，如果e/d大于该值，则受拉力控制。(4-3)式中：（4-4）c

52、.受拉力控制的截面设计应为（4-5）及（4-6）式中，ku应根据下式确定：（4-7）d.受压力控制的截面设计应为（4-8）及（4-9）式中：（4-10）ku应根据下式通过直接或迭代法确定：（4-11）e.在ku=kb和时，或使用公式4-5和4-6或者公式4-8和4-9计算平衡荷载与弯矩。和kb的值分别由公式4-3和4-4给出。4-3受弯和受压能力受拉和受压钢筋a.受压构件的设计轴向荷载强度Pn应不大于下值：（4-12）b.如果荷载的偏心比e/d不大于公式4-13给出的值，横截面的强度受压力控制，如果e/d大于该值，则受拉力控制。(4-13)在ku=kb时,公式4-4给出kb值,公式4-16给出

53、s。c.受拉力控制的截面设计应为（4-14）及（4-15）式中：（4-16）（4-17）d.受压力控制的截面设计应为（4-18）及（4-19）式中：（4-20）及（4-21）ku应根据下式通过直接或迭代法确定：（4-22）弯曲设计不鼓励采用受压钢筋。然而，如果在受压力控制的构件中使用受压钢筋，应根据ACI建筑规范设置横向钢筋。e.在和时，应使用公式4-14、4-15、4-16和4-17计算平衡荷载与弯矩。和的值分别由公式4-13和4-4给出。4-4受弯和受拉能力a.受拉构件的设计轴向强度应不大于下值：（4-23）b.如果荷载的偏心比在以下范围内，应在构件的两面设置受拉钢筋：截面的设计应为（4-

54、24）和（4-25）其中（4-26）并且应根据下式确定ku：(4-27)c.偏心比的受拉截面用式4-5和式4-6设计。ku值为（4-28）d.如果并且,应采用公式4-14、4-15、4-16和4-17来设计偏心比的受拉截面。4-5双轴弯曲和轴向荷载a.4-5节的规定应适用于承受双轴弯曲的钢筋混凝土构件。b.对于给定的标准轴向荷载，应满足下列无量纲公式：（4-29）式中：Mnx，Mny分别相对于x和y轴的标准双轴弯矩；Mox，Moy分别相对于x和y轴Pn处单轴标准抗弯强度；K=矩形构件1.5=正方形或圆形构件1.75=承受轴向拉力的任何构件1.0，c.应根据第4-1节到4-3节确定Mox和Moy

55、。第5章剪切5-1抗剪强度应根据ACI318的规定，计算混凝土的抗剪强度Vc,5-2节和5-3节中叙述的情况除外。5-2特殊直线构件的抗剪强度本节的规定应只适用于满足5-2.a和5-2.b要求的矩形涵洞截面或类似结构的直线构件。在确定弯矩、剪力和构件特性时，应考虑宽支座和梁腋的加固效应。构件的极限抗剪强度被认为是形成第一条斜裂缝时的承载能力。a.承受均匀（或近似均匀）分布荷载的构件，该荷载导致内部剪切、弯曲和轴向压缩（而不是轴向拉伸）。b.具有以下所有特性和施工细部的构件。（l）矩形横截面形状。（2）ln/d在1.25和9之间，其中ln为净跨。（3）c不大于6000psi。（4）刚性、连续接头

56、或弯头连接。（5）直线全长钢筋。弯曲钢筋不应连接在端点上，虽然这不再是理论上的要求。（6）弯头周围外部钢筋延伸，致使压应力区域出现垂直搭接接头。（7）内部钢筋延伸插入和通过支座。c.混凝土抗剪强度的计算如下（距支座面的距离0.15ln处）（5-1）d.混凝土的抗剪强度应不大于（5-2）并不应超过。5-3弧形构件的抗剪强度在最大剪力时，对于R/d2.25的不均匀承载的弧形现浇构件（R是对构件中心线的曲率半径）：（5-3）抗剪强度应不超过。5-4经验方法基于详细的实验室试验或现场试验结果的抗剪强度，应被认为是5-2节和5-3节规定的有效延伸，该试验是与CECW-ED协商并得到批准才进行的。附件A符

57、号在平衡条件极限值时的应力块体厚度（附件D）dd单筋构件具有和保持配筋率要求所需的最小有效厚度（附件D）e从受拉钢筋的重心测得的轴向荷载偏心距eb从受拉钢筋的重心测得的平衡应变条件下标准轴向荷载强度的偏心距H水工结构系数，等于1.3Kb在平衡应变条件下应力块体厚度（a）与有效厚度（d）之比ku应力块体厚度（a）与有效厚度（d）之比K无量纲双轴弯曲表达式中使用的指数，对受轴向拉力影响的任何构件等于对矩形构件等于1.5，对方形或圆形构件等于1.75ln支座间的净跨距MDS平衡条件下极限值时的弯距承载力（附件D）Mnx，Mny分别相对于x和y轴的标准双轴弯矩Mox，Moy分别相对于x和y轴的Pn上标

58、准单轴弯矩R弧形构件中心线的曲率半径附件B弯曲荷载和轴向荷载公式的推导B-1概述下面介绍4-2至4-4节中给出的设计公式的推导。设计公式提供了可用于设计弯曲和轴向组合荷载构件的通用程序。B-2轴向压缩和弯曲a.平衡条件从图B-1平衡条件，公式4-3和4-4可推导如下：从平衡上看，（B-1）假定（B-2）从弯矩平衡上看，（B-3）改写公式B-3为：（B-4）从平衡条件下的应变图得（图B-1）：（B-5）因为（B-6，公式4-4）因为（B-7）将公式B-4和B-1以Ku=Kb，s=y及Pu=Pb代入公式B-7，得出eb。（B-8）所以（B-9，公式4-3）b.受拉力控制的截面（图B-1）从公式B-

59、1以fs=fy得出Pn:（B-10，公式4-5）设计弯矩Mn表示为：（B-11）所以，（B-12，公式4-6）将公式B-1以s=y代入公式B-4得出：（B-13）简化为：(B-14)用二次方程式解出：（B-15，公式4-7）c.受压力控制的截面（图B-1）从公式B-1得出Pn：（B-16，公式4-8）并用e乘以公式B-16得出Mn。（B-17）钢筋应力s示为。从图B-1可以得出或所以，（B-18，公式4-10）将公式B-1和B-18代入B-4得出（B-19）公式可排列成（B-20，公式4-11）B-3弯曲与压缩能力-受拉和受压钢筋（图B-2）a.平衡条件用图B-2平衡条件，下列公式4-13可推导如下：从平衡上看，（B-21）以类似于推导公式B-4的方式，由弯矩平衡导出（B-22）如在公式B-6中，（B-24）因为并用公式B-21和B-22：（B-25）可改写为：或（B-26，公式4-13）b.受拉力控制的截面（图B-2）用公式B-21和s=y得出Pn，(B-27,公式4-14)用公式B-11和B-27，（B-28，公式4-15）从图B-2所以，或（B-29，公式4-16）将公式B-21代入公式B-22，s=y,得出：（B-30）用公式B-29可将B-30写成如下：（B-31，公式4-17）c.受压力控制的截