1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。EM1110-2-2104-水工鋼筋溷凝土結構強度設計-中文稿-內部資料注意保存國外水電標準譯文水工鋼筋混凝土結構強度設計Strengthdesignforreinforced-concretehydraulicstructures美EM1110-2-2104（2003年修訂版）中國水電工程顧問集團公司編譯二五年八月工程師手冊編號：1110-2-21042003年8月20日修訂工程與設計水工鋼筋混凝土結構強度設計（EM11110-2-2104，1992年頒布）2003年第一次修訂（本次修訂是針對1992

2、年6月30日頒布的EMll10-2-2104中第3章的正文和圖表。此外，還增加了第3章的條文說明）美國陸軍工程師團編譯者序水工混凝土結構設計規范DLT5057-1996頒布執行近九年，為推動可靠度理論在水電工程中的應用，并為進一步修訂水工鋼筋混凝土結構設計規范（DLT5057-1996）奠定基礎，中國水電工程顧問集團公司組織翻譯美國陸軍工程師團的工程師手冊水工鋼筋混凝土結構強度設計（EM1110-2-2104）（2003年修訂版）。我國混凝土結構設計規范（GB50010-2002）在條文說明7.7中專門指出對美國混凝土學會編制的美國混凝土結構建筑規范ACI318有所借鑒。而美國陸軍工程師團的工

3、程師手冊水工鋼筋混凝土結構強度設計（EMll10-2-2104）與美國混凝土學會的美國混凝土結構建筑規范（ACI318-02）二者有著緊密的聯系。EMll10-2-2104幾乎處處引用ACI318，但不重復敘述。所以在用EMll10-2-2104時，要同時放一本ACI138規范在手邊一起用。EMll10-2-2104反映水工結構特殊性是采用水力系數“Hl.3（對直接受拉的構件萬Hl.65），在條文說明中指出H1.3的來歷是：在過去使用允許應力設計方法時，水工結構中的混凝土構件的允許應力從0.45c減至0.35c而0.45/0.35大約是H值3。EMll10-2-2104-2003年版在“l-4

4、背景”里闡述了一個觀點，以前采用多荷載系數，使得計算工作量大，所以2003年版允許用單荷載系數,這反映了一種盡量簡化的設計思想。在采用系數盡量簡化的同時對公式的推導卻不惜筆墨,力求要使用者明白，如在附件B的推導。在美國規范公式的推導和應用中,偏好利用應變三角形相似的關系。在附錄C的算例中，已知截面和鋼筋，校核承載能力，其算法與我國規范明顯不同的是用應變三角形相似的關系，以sy校驗鋼筋屈服先于混凝土開裂。這有利于對概念的理解和應用。EMll10-2-2104提供了應用算例，通過算例使規范的條文具體化了，方便了對該手冊的學習應用。本手冊由中國水電工程顧問集團公司組織編譯，主要供內部參考使用。在中國

5、水電工程集團公司周建平總工程師的指導下,由水利水電勘測設計標準化信息網組織翻譯,并在西北勘測設計研究院的大力支持下，保證了編譯工作的順利進行。本手冊由西北勘測設計研究院趙書麗、陳明莉、李可佳翻譯,楊超校核,馮興中技審;北京勘測設計研究院劉更新、陳建蘇統校、編輯。對給予本手冊編譯過程中支持和關心的人員，特此表示感謝！由于時間倉促,水平有限,在編譯過程中可能存在不少問題在所難免,希望大家指正,并在此表示由衷謝意！目錄第1章前言(1)1-1用途(1)1-2適用性(1)1-3參考文獻(1)1-4背景(1)1-5一般規定(2)1-6范圍(2)1-7計算機程序(2)1-8廢除(2)第2章配筋的細部設計(3

6、)2-1概述(3)2-2質量(3)2-3錨固、鋼筋設置和接頭(3)2-4彎鉤與彎筋(3)2-5鋼筋的間距(3)2-6鋼筋的混凝土保護(3)2-7搭接(4)2-8溫度和收縮鋼筋(4)第3章強度及適用性(5)3-1總則(5)3-2穩定性分析(5)3-3需要的強度(5)3-4鋼筋的設計強度(8)3-5最大受拉鋼筋(8)3-6變形與開裂的控制(9)3-7墻的最小厚度(9)強度及適用性條文說明(9)C3-1總則(9)C3-2穩定性分析(11)C3-3需要的強度(11)第4章彎曲和軸向荷載(15)4-1設計假定和一般規定(15)4-2受彎和受壓能力-僅對受拉鋼筋(15)4-3受彎和受壓能力-受拉和受壓鋼筋

7、(16)4-4受彎和受拉能力(18)4-5雙軸彎曲和軸向荷載(18)第5章剪切(19)5-1抗剪強度(19)5-2特殊直線構件的抗剪強度(19)5-3孤形構件的抗剪強度(19)5-4經驗方法(19)附件A符號(20)附件B彎曲荷載和軸向荷載的公式推導(21)附錄C驗證實例(28)附錄D設計實例(32)附錄E相互作用圖(38)附錄F具有雙向彎曲的軸向荷載的實例(41)第1章前言1-1用途本手冊為采用強度設計法設計水工鋼筋混凝土結構提供指導。1-2適用性本手冊適用于所有負責土木工程的美國陸軍工程師團總部/總工程師辦公室所有部門、主要的下屬單位、分區、實驗室以及現場作業活動。1-3參考文獻a.EM1

8、110-l-2101,結構設計的工作應力。b.EMl110-2-2902，水道、涵洞以及管道。c.CW-03210,混凝土配筋用的鋼筋、焊接鋼筋網和附件的土建工程施工準則規范。d.ACI318（美國混凝土協會），鋼筋混凝土建筑規范及條文說明，Box19150，RedfordStation，Detroit，MI48219。e.ACI350R（美國混凝土學會），環境工程混凝土結構，Box19150，RedfordStation，Detroit，MI48219。f.ASTMA61589（美國材料試驗學會）,混凝土配筋用的變形和光面坯段鋼鋼筋的標準規范,1916RaceSt.，Philadelphia

9、,PA19103。g.AWSDl.4-790（美國焊接學會），結構焊接規范-鋼筋，550NWLeJeuneRD.，P.O.Box351040,Miami,FL33135。h.美國陸軍工程師團水道試驗站技術報告SL-80-4（Jul.1980）,水工鋼筋混凝土結構的強度設計，報告1:初步強度設計準則,3909HallsFerryRoad,Vicksburg,NS39180。i.美國陸軍工程師團水道試驗站技術報告SL-80-4（Sep.1981），水工鋼筋混凝土結構的強度設計,報告2:用于設計和分析受彎曲和軸向組合荷載作用的水工鋼筋混凝土結構構件的設計輔助工具，3909HallsFerryRoad

10、,Vicksburg,NS39180。j.美國陸軍工程師團水道試驗站技術報告SL-80-4（Sep.1981），水工鋼筋混凝土結構的強度設計，報告3:T型墻設計,3909HallsFerryRoad,Vicksburg,NS39180。1-4背景a.水工鋼筋混凝土結構物是受下列一種或多種影響的結構：浸沒，波浪作用，射流，化學污染的空氣，以及惡劣的氣候條件。常用的水工結構物有消力池底板和邊墻、混凝土襯砌的渠道、部分電站廠房、溢洪道閘墩、擴散與束流墻、擋水墻、最高水位和波浪作用以下的進水口和出水口結構、閘墻、導水墻及護墻，以及與水接觸的擋土墻。b.總體來說，工程師團采用EMl110-1-2101的

11、工作應力法設計的現有水工鋼筋混凝土結構物仍然非常好。為與本行業、大學和其它工程設計機構保持協調，工程師團在1981年開始采用強度設計法（Liu1980，1981及Liu和Gleason1981），1981年9月15日發布的ETL1110-2-265水工鋼筋混凝土結構強度設計準則，是陸軍工程師團第一份為采用強度設計法設計水工結構提供指導的文件。該準則應用多荷載系數需要的工作量很大，某些荷載系數組合條件做出的設計比采用工作應力法的設計更保守，這一事實最終導致編制并于1988年3月10日發布了ETL1110-2-312水工鋼筋混凝土結構強度設計準則。C在ETL1110-2-312中荷載修正系數是用來

12、確保最終設計如同采用工作應力法一樣安全。此外還引進了單荷載系數概念。該準則最初在荷載系數、混凝土應力-應變關系和60級鋼筋屈服強度方面不同于ACI318鋼筋混凝土建筑規范的條文規定和說明。ETL1110-2-312旨在使其設計與采用工作應力法做出的設計相同。D陸軍工程師團早期的強度設計法與ACI規范有區別，因為ACI318未包括適用于水工結構需要的規定。強度和穩定性是必須的，但適用的撓曲、開裂和耐久性同樣需要考慮。水工結構物的重要性已促使陸軍工程師團小心而慎重地朝著只用強度設計法的方向發展。e.本手冊用一種類似于ACI350R-89的方法修改并補充了ETL1110-2-312。采納ACI318

13、中給出的混凝土應力-應變關系和60級鋼筋的屈服強度。同樣，荷載系數ACI318的更相似，并考慮水工結構適用性的需要，采用水力系數H對其作了修正。f.與ETL1110-2-312一樣，本手冊允許在恒載和活載中使用單一荷載系數。另外，當作用在結構構件上的荷載包括土壤結構穩定分析得出的反作用力時，需采用單一荷載系數法。1-5一般規定除下述規定之外，水工鋼筋混凝土結構應根據現行的ACI318，按強度設計法進行設計。采用的符號與ACI318及其條文說明中所用的符號一樣，但本文規定的除外。1-6范圍a本手冊十分詳細，不僅為設計人員提供設計程序，而且提供了應用實例。此外，為了增強設計人員的領會和理解，還給出

14、了組合彎曲和軸向荷載公式的推導。b第2章介紹細部設計的一般規定。第3章介紹強度和適用性要求，包括受彎鋼筋的荷載系數及限值。第4章給出受彎曲和/或軸向荷載作用的構件的設計公式（包括雙向彎曲）。第5章介紹剪切設計導則，包括對彎曲構件和專用直線構件的規定。附錄中包括符號說明、公式推導和實例。實例內容為：荷載系數應用、受彎曲和軸向組合荷載作用的構件設計、剪切設計、相互作用特性曲線的繪制以及受雙向彎曲作用的構件設計。1-7計算機程序用于設計和分析水工鋼筋混凝土結構的計算機程序復本及文件可從工程技術計算機程序庫（美國陸軍工程師團水道試驗站，3909HallsFerryRoad，Vicksburg，Miss

15、issippi，391806199）獲得。對于考慮彎曲和軸向組合荷載的設計，只要遵照本手冊給出的荷載系數和配筋率，任何符合ACI318導則的程序都是可使用的。1-8廢除基于ETR1110-2-312的陸軍工程師團CSTR計算機程序（X0066）由CASTR計算機程序（X0067）所替代。CASTER程序是基于這本新的工程師手冊編制的。第2章筋的細部設計2-1概述本章給出了水工結構混凝土各種構件配置和鋪設鋼筋的導則。2-2質量鋼筋的類型和等級限定在ASTMA615（坯段鋼），60級。應避免采用40級鋼筋，因為它的可用性是有限的，而且采用本手冊程序基于40級鋼筋的設計過于保守。ACI318允許使用

16、的其它類型和等級的鋼筋，在得到更高一級部門同意的情況下允許特例使用。23錨固、鋼筋設置和接頭錨固、鋼筋設置和接頭要求應符合ACI318和下述的要求。由于設置長度要依據混凝土強度及鋼筋位置、功能、尺寸、類型、間距和保護層等眾多因素而定，設計人員必須在合同圖紙上標明鋼筋設置所需的埋入長度。同樣的理由，圖紙應示出接頭長度和特殊要求，如接頭的搭接等。應認真編制施工技術規范，以確保它們與圖紙上示出的鋼筋細部設計相吻合。24彎鉤與彎筋彎鉤與彎筋應符合ACI318的要求。25鋼筋間距a最小間距。平行鋼筋之間的凈距不得小于鋼筋額定直徑的1-l/2倍，也不得小于粗骨料最大直徑的1-l/2倍。14號和18號鋼筋的

17、間距（中到中）分別不得小于6in和8in。當鋪設兩層或更多層平行鋼筋時，層與層之間的凈距不得小于6in。在水平層中，上層鋼筋應正對鋪設在下層鋼筋上。在垂直層中，應采用同一取向。施工大體積鋼筋混凝土結構時，一層鋼筋的中心間距只要可能應設為12in，以方便施工。b最大間距。主鋼筋和輔助鋼筋的最大中心間距不得超過18in。2-6鋼筋的混凝土保護各類混凝土截面鋼筋的最小保護層應符合下示尺寸。標明的尺寸是從鋼筋邊緣到混凝土表面的凈距。混凝土截面鋼筋的最小凈保護層，in與基礎連接的不成形表面4受空蝕或磨耗侵蝕影響的成形或修平表面，如消力墩和靜水池底板6成形和修平表面，如消力池墻，陡槽式溢洪底板和斜槽渠道襯

18、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確定注：任何情況下保護層不得小于骨料最大額定粒徑的l.5倍，或最大鋼筋直徑的2.5倍。27連接a概述。鋼筋應按要求連接，并應在合同圖紙上標出接頭位置。應避免在最大拉應力點處連接當必須進行這樣的連接時，應錯開接頭。鋼筋接頭可搭接或對接。b搭按接頭。大于11號的鋼筋不得搭接。受拉接頭應縱向錯開連接，在規定搭接長度內任一截面處搭接的鋼筋不超過一半。如果錯開接頭不實際，則應遵循ACI318的適用規定。c對接接頭。（1）概述。大于1l號的鋼筋應對接。ll號或小于l1號的鋼筋不得對接，除非經細部設計清楚證明

19、其對接是正確的或是經濟的。由于大于11號的鋼筋，特別是18號鋼筋的對接成本高，所以應認真考慮采用小號鋼筋的替代設計方案。應按照下面段落中的規定，用鋁熱焊法或經批準的機械對接法完成對接接頭。通常，由于焊接鋼筋有內在的不定因素，所以不允許采用弧焊接頭。但是，如果必須弧焊，應按AWSD1.4結構焊接規范-鋼筋的要求進行。對接接頭的受拉強度應達到鋼筋規定屈服強度(y）的125。對大于ll號的鋼筋，其受拉接頭應縱向錯接至少5ft，錯開距離相當于11號或更小號鋼筋規定的搭接長度，使任一截面處連接的鋼筋不超過一半。小于14號鋼筋的受拉接頭應縱向錯接，錯距等于規定的搭接長度。14號和18號鋼筋應縱向錯接至少5

20、ft，使任一斷面處連接的鋼筋不超過一半。（2）鋁熱焊。鋁熱焊應只限于符合ASTMA615的鋼筋（坯段鋼），基于桶樣分析的硫含量不超過0.05。鋁熱焊法應符合指導性規范CW-03210的規定。（3）機械對接。機械對接應依據指導性規范CW-03210的規定，采用經批準的散熱螺紋連接器、模鍛套管，或其它有利的連接形式完成。設計人員應認識到機械接頭有錯動的可能性，并應堅持將本手冊中規定的試驗條款寫入合同文件，并在施工中應用。2-8溫度和收縮鋼筋a在設計受溫度與收縮應力影響的結構構件時，鋼筋面積應為混凝土毛截面面積（每面一半）的0.0028倍，最大面積等于每面按12in間距設置的9號鋼筋。一般來說，薄截

21、面的溫度與收縮鋼筋不小于每面按12in間距設置的4號鋼筋。b如果鋼筋必須用來分散應力和溫度與收縮，經驗和/或分析可能表明，需要設置多于2-8a段中規定的鋼筋量。c通常，當分析中考慮約束力時，就沒有必要在主受拉鋼筋的平面和方向上增加溫度與收縮鋼筋。但是，主鋼筋不得少于上述確定的收縮與溫度鋼筋。第三章強度及適用性3-1總則a.非水工結構與水工結構。所有鋼筋混凝土水工結構必須滿足強度和適用性的雙重要求。在強度設計法中，這用適當的荷載系數乘以工作荷載，對水工結構乘一個附加水力系數H來實現。該系數適用于所有的荷載系數公式。然后用增加的荷載求得水工結構所需的標準強度。采用水力系數替代附加的適用性分析。b.

22、單荷載系數法和修正ACI318系數法。兩種方法都適合于確定采用強度設計法設計水工結構物所需的計算力矩、剪力和推力。它們是單荷載系數法和以略有修改的ACI318為基礎的方法。在此對這兩種方法做一介紹。c.穩定性要求。除滿足強度和適用性要求外,許多水工結構還必須滿足各種荷載和基礎條件下的穩定性要求。d.非水工結構。不能歸入水工類的鋼筋混凝土結構和結構構件按本手冊設計，但不使用水力系數。32穩定性分析a.無系數荷載。必須按照EM2101水工結構穩定性分析，用無系數荷載對水工結構進行穩定性分析。然后用無系數荷載和最終的反作用力來確定結構臨界截面處的無系數力矩、剪切和推力。然后用適當的載荷系數、水力系數

23、乘以無系數力矩、剪力和推力，以確定用于決定截面特征所需的標準強度。b.土與結構相互作用的荷載系數。當作用在被分析的結構構件上的荷載包括自土與結構相互作用（SSI）穩定性分析得到的反作用力（如墻基礎）時，必須采用單荷載系數法。為簡化和方便應用，單荷載系數法一般應用于這類結構的所有構件。基于ACI318的荷載系數法可用于結構的一些非-SSI的相關構件，但必須謹慎使用，以保證荷載組合不會產生不安全后果。33需要的強度一般規定。鋼筋混凝土水工結構和水工結構構件的設計應根據下列規定達到所需的強度Uh，以承受恒載和活載。應采用水力系數確定所有軸向荷載、力矩和剪力（斜向拉力）組合所需的標準強度。特別是，抗剪

24、鋼筋的設計應考慮過大剪力、水力系數計算的極限剪力（Vuh）與混凝土提供的抗剪強度（Vc）之間的差，其中為混凝土抗剪設計系數。因此，鋼筋的剪力設計Vs由下式得出：(3.1)b.單荷載系數法。在單荷載系數法中，恒載和活載乘以同一荷載系數。U=1.7(D+L)(3.2)式中：U-非水工結構的系數荷載；D-恒載的內力和力矩；E-活載的內力和力矩。Uh=H1.7(D+L)(3.3)式中：Uh-水工結構的設計荷載；H-水力系數。對于水工結構，基本荷載系數（1.7）乘以水力系數（H），其中H1.3，直接受拉的構件除外。對直接受拉的構件，H1.65。經與CECW-ED協商和同意后也可采用其它值。除上述情況外，

25、本設計還包括非正常或極端荷載影響的抗力，如風、地震或其它歷時短和發生概率低的力。在這些情況下，應采用下列荷載組合之一：對于非水工結構U=0.75UW或E(3.4)對于水工結構U=H(0.75UW或E)(3.5)式中:UW或E-包括風或地震影響的非水工系數荷載。c.修正的ACI318法。ACI318規定的荷載系數可直接用于水工結構，但有兩處改動。側向流體壓力系數（F）應取17，而不是ACI318規定的1.4。另外，對于水工結構，ACI318規定的總設計荷載的系數荷載組合（U），應增加水力系數H=l.3，直接受拉的構件除外。對直接受拉的構件,H=l.65。對于非水工結構U=1.4D+1.7L(3.

26、6)對于水工結構Uh=HU=H(1.4D+1.7L)(3.7)對特定的水工結構,如U形框架的船閘和水道,活載可對用于確定總系數荷載影響的系數荷載組合起卸荷作用。在此情況下,應對系數恒載和活載（活載系數為1）組合進行研究，并在設計文件中報告。Uh=H(1.4D+1.0L)(3.8)d.地震影響。如果需要抵御地震荷載（E），應采用下列定義和荷載組合。l）異常和極端荷載。地震荷載被認為是異常或極端荷載，因為它們的發生概率低而且持續時間短。因它們的發生概率低，在推求荷載組合時，還可把它們與正常工作荷載（如水工結構的正常運行水位）組合。2）設計地震的定義。在推求地震荷載時，需考慮三種不同的地震。最大可信

27、地震（MCE）、最大設計地震（MDE）和運行基本地震（OBE）都是在進行強度和適用性設計時可能采用的的臨界地震。a）最大可信地震（MCE）。如ERl110-2-1806所定義，MCE是基于地震學和地質資料可合理預計在結構物位置附近震源發生的最大地震。對一個特定的位置來說，可確定多個MCE，每個MCE都有它們各自特定的地面運動參數和波譜形狀。b）最大設計地震（MDE）。如ER1ll0-2-1806所定義，MDE是所設計或評價的結構物的最大地面運動。盡管容許發生嚴重的損壞或經濟損失，但相關的性能要求是，工程維持運行不發生災難性破壞。對于重要結構物，MDE與MCE相同。對于其它結構物，MDE應選擇比

28、MCE小的地震，它可提供達到適當安全標準的經濟的設計。MDE可稱為決定性或概率性地震事件（在許多情況下，合理地震由百年超越概率l0，即950年重現期得出）。MDE荷載由于發生概率極低（可能震級高），被認為是極端荷載情況，應與常見荷載、預期的正常荷載和庫水位組合使用。c）運行基本地震（OBE）。如ER1101-2-1806所定義，OBE是可合理預期在工程使用期限內發生的地震,即在使用期限內超越概率50的地震（對使用期限為100年的工程來說，相當于144午的重現期）。相關的性能要求是，工程功能極少損壞或沒有損壞，功能不中斷。OBE的用途是保護工程不受經濟損失或壽命損失，因此OBE重現期方案的選擇可

29、基于經濟因素確定。由于發生概率低，OBE被認定為異常荷載，并應與常見荷載、預期的正常荷載和庫水位組合使用。3）OBE荷載系數。單獨的OBE荷載系數是由標準的（非現場特定）和現場特定的地面運動生成的。現場特定的OBE的荷載系數顯示，減小荷載系數，可增加荷載的可靠性。a）標準地面運動分析。當用地震系數或標準設計波譜計算OBE的等效靜態地震力時，可采用下面給出的荷載系數。包括非現場特定的OBE分析的荷載組合為：UE=1.4(D+L)+1.5E(3.9)對水工結構，將上式代入公式35得出Uh=0.75H(1.4(D+L)+1.5E)(3.10)公式中的恒載和活載要用正常運行工況求出。b）現場特定地面運

30、動。現場特定地面運動一般用于進行時程分析或反應譜分析。可使用DEQAS等計算機程序得出現場特定反應譜。必須使用規定的位置數據和OBE的定義來得出反應譜。同樣，確定的加速時間歷程必須反映出現場特定的動態特性以及OBE的定義。包括現場特定的OBE分析在內的荷載組合為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)使用正常運行工況得到上式中的恒載和活載。4）MDE荷載系數。MDE荷載系數由標準的和現場特定的地面運動生成。現場特定的MDE荷載系數反映出，通過降低荷載系數，可增加荷載的可靠性。a）標準地面運動。當用地震系數或標準設計

31、波譜確定等效靜態地震力時，要使用以下荷載系數。通過使用EM6050中提出的程序，可以得出這些地震系數或設計波譜。包括非現場特定MDE分析在內的荷載組合為UE=1.0(D+L)+1.25E(3.13)將此公式代入公式3.4得到Uh=0.75H(1.0(D+L)+1.25E)(3.14)使用正常運行工況得到上式中的恒載和活載。b）現場特定地面運動。現場特定地面運動用于進行時程分析或反應譜分析。可使用EM6050中提出的程序，利用NEHRPT圖或DEQAS等計算機程序，得出現場特定反應譜。必須使用規定的位置數據和MDE的定義來得出反應譜。包括現場特定的MDE分析在內的荷載組合為UE=1.0(D+L)

32、+1.0E(3.15)將此公式代入公式3.4得到Uh=0.75H(1.0(D+L)+1.0E)(3.16)使用正常運行工況得到上式中的恒載和活載。3-4鋼筋的設計強度a.通常，設計應基于ASTM60級鋼筋的屈服強度60000psi。采用其它等級的鋼筋需符合本手冊2節和3-4b節的規定。設計使用的屈服強度應在圖紙中標出。b.不應使用屈服強度超過60000psi的鋼筋，除非對延性和適用性要求進行詳細的調查研究，并與CECW-ED協商,獲得CECW-ED的認可。3-5最大受拉鋼筋a.對于單筋受彎構件以及承受彎曲和軸向壓縮荷載組合的構件，當軸向荷載強度Pn小于010cAg或Pb之中的小者時，給出的受拉

33、鋼筋配筋率應符合以下要求：l）建議的限值0.25b。2）不要求專門研究或核實的最大允許上限0.375b。超過0.375b的值將要求考慮適用性、可構造性和經濟性。3）當無法預測到過大變形，而使用ACI318規定的方法，或其他方法預測到的變形與綜合試驗結果基本一致時，最大允許上限0.5b。4）只有與CECW-ED協商并獲得其認可，對適用性要求（包括變形計算）進行詳細的核實，才能允許大于0.50b的配筋率。在任何情況下，配筋率不能超過0.75b。b.受壓鋼筋的使用應符合ACI318的規定。3-6變形與開裂控制a.如果沒有超過第3-4a節和3-5a（3）節中規定的設計強度和配筋率限值，無需核實由使用荷

34、載造成的開裂和變形。b.如果設計強度和配筋率超出第3-4a節和3-5a（3）節中規定的限值，應與CECW-ED協商，對由使用荷載造成的變形與開裂進行廣泛的調查研究。這些研究應包括材料和模型的實驗室試驗、分析研究、專用施工程序、控制裂縫的可能措施等。變形與裂縫寬度應控制在對特定結構的運行、維護、性能或者外觀沒有不利影響的程度。3-7墻的最小厚度高于10ft的墻，最小厚度應為12in,兩面均應設置鋼筋。強度及適用性條文說明c3-1總則a.非水工結構與水工結構：對于水工結構，開裂、振動和穩定是主要的適用性問題。過去使用了允許應力設計方法，水工結構中的混凝土構件的允許應力從0.45c減至035c。允許

35、應力的減小使混凝土構件加厚，并增加了鋼筋需要量。混凝土厚度的增加時水工結構是有益的，水工結構的穩定通常依賴于質量（更多的混凝土），沒有過多配筋（沒有剪力鋼筋），并且通常易受振動的影響（質量和阻尼）。配筋要求的增加大大有助于改善裂縫控制。出于同一目的，在水工結構的荷載與抗力系數設計中使用水力系數。注意：當構件沒有直接受拉時，0.45/0.35大約是1.3，即H值。減小的允許應力法是正確的，并產生了合理的適用性結果，促使將這一概念引入荷載與抗力系數方法中。水力系數的使用是簡單的，并省去了單獨進行適用性分析的必要性。b.單荷載系數法與修正的ACI318荷載系數法：單荷載系數法對于恒載和活我都使用一個

36、荷載系數（1.7），而ACI318使用不同的荷載系數，恒載1.4、活載1.7。USACE已經選擇使用比USACE結構所用系救更高的ACI抗力系數。因此，USACE結構的荷載系數也略高于使用常規荷載和抗力系數法確定的USACE結構荷載系數。在流體壓力是主要活載的水工結構中，ACI318要求流體壓力的荷載系數為1.4。本手冊規定流體壓力要采用的荷載系數為1.7，不使用ACI318的1.4。兩個方法近乎相同，唯一的差異是恒載系數為1.7比1.4（ACI318）。對于恒載成分大和流體壓力有限的結構，ACI318的方法將提供較低的強度要求。通過需求承載能力關系和安全性，可以最好地說明對荷載系數的需要。如

37、果結構物得到準確分析、正確設計、完美修建并按預期負載，略微超出需要的承載能力將得出和適的設計。遺憾的是，這些工作大多具有不確定性，需要有安全裕度。實際荷載在量值和分布上與設計荷載有差異。荷載可能是瞬時的、每日的、每年的、運行期偶爾作用的。模擬假設、限制和簡化，可造成與實際情況略微不同至完全不同的結果。除了需求與承載能力之間的關系之外，荷載系數還必須考慮失事后果（重要性）。由失事造成的生命和財產的損失或大的經濟損失，比微小的運行破壞或小麻煩，要求更大的安全裕度。對抗力系數的需求取決于構件強度的變化。構件強度必須超出所有可預見荷載所要求的強度，而沒有破壞或重大事故每個構件的實際強度與計算的標準強度

38、不同。這些差異與竣工相對于假設的（分析/設計）材料特性、橫截面尺寸、鋼筋設置的變化以及分析程序的準確性有關。在特定的例子中，這些變化造成實際強度比計算值小。為了保證結構或單個構件的安全，必須通過（抗力）系數降低標準強度，并應通過（荷載）系數增加荷載。抗力系數考慮了強度的變化，特別是與計算值相比可能降低的構件強度；荷載系數，考慮了與假設負荷相比可能超載的或不適當的載荷方法。可用如下公式表示：(C3.1)這是強度設計的基礎，式中是抗力系數（小于1.0），Rn是計算的構件標準承載力，i是荷載ith的荷載系數,Qi是荷載類型（恒載、活載、地震荷載），l是荷載類型的數量。安全裕度可以定義為強度和荷載效應

39、之間的差異，如圖C3.1所示。安全裕度是一個隨機變量，由此產生圖C3.2所示特性的概率分布。用于確定失事概率的典型概率分布是ln(R/Q)的概率分布，如圖C3.3所示。圖C3.2和C3.3中概率分布低于零時，發生事故。因此，零左邊的區域（失事概率）必須減至最小至一個可接受的值。這一般是通過將安全裕度的平均值視作與原值的標準偏差來實現的。這一系數被稱為安全指數，通常取值在3到4之間（AISC為承受風荷載的構件選用2.5，承受恒載加恒載的構件之間的連接選用3.4和4.5，承受地震荷載的構件選用1.75）。由以往成功設計的安全指數數據和反算成果得出這些值。安全指數主要取決于載荷和構件抗力的變化。安全

40、指數的值可由下列公式近似得出：(C3.2)式中：m(下標)表示抵抗力和荷載的平均值；V是阻力R（下標）和荷載Q（下標）的變化。介于3和4之間的安全指數表示失時概率在10萬分之一。遺憾的是，荷載和強度很少以平均值給出，而是以標準強度和實際荷載給出，施加的荷載通常作為預期上限值，而不是平均值，因此荷載系數也需要相應調整。荷載系數和抗力系數可以根據規定的安全指數以及荷載和強度（實際的或已知的）變化進行選擇。ACI318的抗力系數（）建立在已知的Rm/Rn值上，該值與USACE設計結構和USACE設計文件不同。由于USACE設計構件的平均值與標準值的比率大于ACI318的規定,所以USACE抗力系數應

41、較低，但是為了與ACI318保持一致,這種差異反映在USACE使用荷載系數增加。荷載系數的增加也反映了這些結構中荷載的變化較大。c.3-2穩定性分析a.無系數荷載。盡管就結構穩定性而言，必須有一定的安全裕度，結構穩定性仍然由使用荷載來確定。結構的穩定性很大程度上取決于荷載的實際比率，例如恒載和活載之比。如果恒載和活載采用的荷載系數不一樣，穩定性計算就不再反映實際情況，而且不穩定的潛在性就可能被夸大（活載系數一般比恒載系數大，故出現這種典型情況。由于水工建筑物經常采用恒載質量來抵消與穩定性相關的活載，較小的恒載系數就會低估結構抵抗活載效應的能力）。這時，無系數內力的分量可乘以適當的荷載和水力系數

42、，然后合并計算進行構件設計。b.土壤結構相互作用荷載系數。土壤-結構相互作用要求土壤、結構和荷載的直接相互作用。把荷載分解成各個分量，分別分析各個荷載，然后把合力相乘，這種方法是不合適的。因為土壤-結構系統是典型的非線性系統，不適用于荷載疊加。按其荷載系數的比例改變每個荷載分量，用此系數荷載進行SSI分析，其結果不同于對每種荷載類型進行一系列分析，并總和每一分量荷載的設計成果（簡單地說，典型的SSI分析中使用的設計荷載和采用無系數成果并乘以荷載系數的方法所產生的結果是不一樣的。結果取決于典型的非線性土壤的應力-應變變化歷程）。因此，最好采用使用荷載進行SSI分析，然后給得出的各內力分量加上各自

43、的荷載系數。更多的詳細資料可以在EM6051（混凝土水工結構的動態歷時分析）和EM2906（樁基）中找到。最近所做的大多數SSI分析都足PY靜態曲線分析。由于計算機功能增強，可以得到更多的非線性SSI軟件包，因此每種分析類型以及與荷載分量的相互作用都要進行仔細核實，以確保結果合理、準確和切合實際。c.3-3需要的強度a.一般規定。水力系數包括在Vuh項中。Vuh的增加要求增加剪力鋼筋或使截面加大，以便計及增加的設計剪力。采用這種附加的剪力鋼筋和加大的截面來控制混凝土開裂，走水工建筑物的一個重要的適用性要求。從歷史上看，這種方法已經使許多工程建筑物的開裂受限，適用性問題不大，減少了進行大范圍適用

44、性分析的需求。b.單荷載系數方法。對處于直接受拉的構件來說，H從1.3增加到1.65與規范允許應力設計規定的立接拉力中構件的低允許應力有直接關系。增加水力系數或減少直接受拉構件的允許應力的原因，是為了減少裂縫擴展的潛在危險。由于預測裂縫擴展是困難的，因此，把這種增加水力系數的簡單方法和成功經驗結合起來，得到1.65的系數。0.75的系數說明最大風力、地震或其它短歷時荷載與最大恒載和活載同時發生的概率較低。這些荷載被認為是異常的和極端的，例如0BE（運行基本地震）或MCE（最大可信地震）。c.修訂的ACI318法。對ACI318的首次修訂是將規定的側向流體壓力系數從1.4提高到1.7，原因是側向

45、流體壓力荷載具有較大變化和重要性。USACE認為這些荷載與典型鋼筋混凝土建筑物的活載是相似的。第二次修正是采用c3-3.b中規定的水力系數H。為此還建議，對某些水工建筑物的荷載采用正常恒載系數和活載系數為1。對某些特定的內力，恒載和活載使用不同的荷載系數可能引起內力松弛效應。這種情況類似于C.32.a中關于穩定性的討論。d.地震效應l）異常和極端荷載。典型的異常和極端荷載是低概率和/或短歷時的荷載（洪水、大風和地震是這種荷載類型的例子）。這些低概率和/或短歷時荷載的最大組合的可能性很小，因此，上述低概率和/或短歷時荷載事件的組合可不予考慮。同樣，最大強度地震和最大活載同時發生也是不可能的，因此

46、可以調整活載系數，以反映這種同時發生的情況出現的概率較低。而且，對于低概率/短歷時荷載，可以調整它們的預期應力水平和適用性要求，以反映發生頻率低以及對結構的短歷時影響。2）設計地震的定義a）最大可信地震（MCE）。MCE是建筑物所在區域特定震源合理誘發的最強地震，是在震源存在期內只發生一次的事件。預計結構內的非彈性作用力將在這類事件發生過程中產生。MCE發生后，建筑物可能不使用了，但仍應足以保護生命和防止重大的經濟損失。b）最大設計地震（MDE）。MDE可被定義為在建筑物使用年限內可能合理遭遇一次的地震的水平。因此，在大多數情況下10年一遇的概率是合理的，但是如果使用期限內只發生一次的事件（特

47、別是MDE）會導致重大的生命和經濟損失的話，就需對10的概率重新定義了。對于重要的結構物與構件，MDE可以是最大可信地震（MCE）。c）運行基本地震（0BE）。0BE可被定義為在建筑物使用年限內可能遭遇的地震。因此，以100年計50概率在大多數情況下是合理的。但是，如果預期的使用期較長，或根據可能的經濟損失預計需要選擇更長的重現期，就可能需要對此概率加以修正。在0BE中，建筑物呈彈性性能，具有最小的非線性性狀，因此只引起微小的破壞。在0BE發生后的短時期內，建筑物將處于正常狀態，并且只需要小維修即可。3）0BE荷載系數。0BE采用現場特定的和標準的兩個程序生成，所以采用不同的荷載系數。假定用來

48、生成現場地震的技術產生的地震較可靠（可變性較低），這種地震荷載系數較低。標準（非現場特定的）地震是以該地區的潛在地震為基礎，比現場生成的地震的可靠性要低（可變性較高）。因此，它們具有較高的荷載系數以反映增加的可變性。a）標準地面運動分析。減少恒載和活載的荷載系數，是因為最大恒載和活載不太可能與0BE事件同時發生。較高的地震荷載系數是標準地震荷載中高可變性（不確定性）的直接結果。這種不確定性是地震性質的函數，與地震系數的確定和使用有關，不考慮現場特定的地震特點。b）現場特定地面運動。由于現場特定地震的確定考慮了地震荷載現場和局部衰減的特點，故可減少地震荷載系數。對現場特定地震進行分析，以確定現場

49、特定的地震反應譜或歷時，可降低地震荷載的可變性，由此也降低了地震荷載系數。由于地震荷載預測仍然是不確定的，具有相當高的可變性，因此降低地震荷載系數也是有限的。建筑物在使用年限內遭遇地震的可能性非常高。4）MDE荷載系數。由于MDE采用現場特定的和標準的兩個程序來生成，所以采用不同的荷載系數。假定用來生成現場地震的技術產生的地震較可靠（可變性較低），這種地震荷載系數較低。標準（非現場特定的）地震是以該地區的潛在地震為基礎，比現場生成的地震的可靠性要低（可變性較高）。因此，它們具有較高的荷載系數以反映增加的可變性。a)標準地面運動分析。恒載和活載采用荷載系數，是因為最大恒載和活載與最大設計地震同時

50、發生的可能性非常低。而且，荷載系數為1直接反映了一個事實：MDE被認為是在使用年限內只發生一次事件，所引起的有限的非彈性性能是可以接受的。與0BE的荷載系數比較，MDE地震采用較小的荷載系數，是因為MDE的發生概率比0BE要低。b）現場特定地面運動。恒載和活載采用荷載系數1是由于最大恒載和活載與最大設計地震同時發生的概率非常低。由于采用現場程序來確定MDE，因此把地震荷載系數降低到l。對現場地震荷載進行分析，以確定現場特定地震反應譜或歷時，抵消了地震荷載的可變性，由此也降低了地震荷載系數。將地震荷載系數降低到l也反應了MDE定義中使用期限內只發生一次的概念，以及對該事件引起的有限的非彈性性能是

51、可以接受的。第4章彎曲和軸向荷載4-1設計假定和一般規定a根據ACI318的規定，混凝土極限壓縮纖維假定的最大有效應變c就等于0.003。b正如受壓混凝土達到其設計應變c一樣，當受拉鋼筋b達到規定的屈服強度y相應的應變時，水工建筑物在一橫截面上存在平衡條件。c.假定0.85c的混凝土應力均勻分布等效受壓區，該區域由橫截面的邊緣線和一條與中和軸平行并距最大壓縮應變纖維距離=1c的直線所限定。d.系數1應根據ACI318的規定取值。e.偏心比e/d應確定為（4-1）式中：e軸向荷載的偏心距，從受拉鋼筋的形心測定。4-2受彎和受壓能力僅對受拉鋼筋a.受壓構件重心處的設計軸向荷載強度Pn應不大于下值：

52、(4-2)b.如果荷載的偏心比e/d不大于公式4-3給出的值，橫截面的強度受壓力控制，如果e/d大于該值，則受拉力控制。(4-3)式中：（4-4）c.受拉力控制的截面設計應為（4-5）及（4-6）式中，ku應根據下式確定：（4-7）d.受壓力控制的截面設計應為（4-8）及（4-9）式中：（4-10）ku應根據下式通過直接或迭代法確定：（4-11）e.在ku=kb和時，或使用公式4-5和4-6或者公式4-8和4-9計算平衡荷載與彎矩。和kb的值分別由公式4-3和4-4給出。4-3受彎和受壓能力受拉和受壓鋼筋a.受壓構件的設計軸向荷載強度Pn應不大于下值：（4-12）b.如果荷載的偏心比e/d不大

53、于公式4-13給出的值，橫截面的強度受壓力控制，如果e/d大于該值，則受拉力控制。(4-13)在ku=kb時,公式4-4給出kb值,公式4-16給出s。c.受拉力控制的截面設計應為（4-14）及（4-15）式中：（4-16）（4-17）d.受壓力控制的截面設計應為（4-18）及（4-19）式中：（4-20）及（4-21）ku應根據下式通過直接或迭代法確定：（4-22）彎曲設計不鼓勵采用受壓鋼筋。然而，如果在受壓力控制的構件中使用受壓鋼筋，應根據ACI建筑規范設置橫向鋼筋。e.在和時，應使用公式4-14、4-15、4-16和4-17計算平衡荷載與彎矩。和的值分別由公式4-13和4-4給出。4-4

54、受彎和受拉能力a.受拉構件的設計軸向強度應不大于下值：（4-23）b.如果荷載的偏心比在以下范圍內，應在構件的兩面設置受拉鋼筋：截面的設計應為（4-24）和（4-25）其中（4-26）并且應根據下式確定ku：(4-27)c.偏心比的受拉截面用式4-5和式4-6設計。ku值為（4-28）d.如果并且,應采用公式4-14、4-15、4-16和4-17來設計偏心比的受拉截面。4-5雙軸彎曲和軸向荷載a.4-5節的規定應適用于承受雙軸彎曲的鋼筋混凝土構件。b.對于給定的標準軸向荷載，應滿足下列無量綱公式：（4-29）式中：Mnx，Mny分別相對于x和y軸的標準雙軸彎矩；Mox，Moy分別相對于x和y軸

55、Pn處單軸標準抗彎強度；K=矩形構件1.5=正方形或圓形構件1.75=承受軸向拉力的任何構件1.0，c.應根據第4-1節到4-3節確定Mox和Moy。第5章剪切5-1抗剪強度應根據ACI318的規定，計算混凝土的抗剪強度Vc,5-2節和5-3節中敘述的情況除外。5-2特殊直線構件的抗剪強度本節的規定應只適用于滿足5-2.a和5-2.b要求的矩形涵洞截面或類似結構的直線構件。在確定彎矩、剪力和構件特性時，應考慮寬支座和梁腋的加固效應。構件的極限抗剪強度被認為是形成第一條斜裂縫時的承載能力。a.承受均勻（或近似均勻）分布荷載的構件，該荷載導致內部剪切、彎曲和軸向壓縮（而不是軸向拉伸）。b.具有以下

56、所有特性和施工細部的構件。（l）矩形橫截面形狀。（2）ln/d在1.25和9之間，其中ln為凈跨。（3）c不大于6000psi。（4）剛性、連續接頭或彎頭連接。（5）直線全長鋼筋。彎曲鋼筋不應連接在端點上，雖然這不再是理論上的要求。（6）彎頭周圍外部鋼筋延伸，致使壓應力區域出現垂直搭接接頭。（7）內部鋼筋延伸插入和通過支座。c.混凝土抗剪強度的計算如下（距支座面的距離0.15ln處）（5-1）d.混凝土的抗剪強度應不大于（5-2）并不應超過。5-3弧形構件的抗剪強度在最大剪力時，對于R/d2.25的不均勻承載的弧形現澆構件（R是對構件中心線的曲率半徑）：（5-3）抗剪強度應不超過。5-4經驗方

57、法基于詳細的實驗室試驗或現場試驗結果的抗剪強度，應被認為是5-2節和5-3節規定的有效延伸，該試驗是與CECW-ED協商并得到批準才進行的。附件A符號在平衡條件極限值時的應力塊體厚度（附件D）dd單筋構件具有和保持配筋率要求所需的最小有效厚度（附件D）e從受拉鋼筋的重心測得的軸向荷載偏心距eb從受拉鋼筋的重心測得的平衡應變條件下標準軸向荷載強度的偏心距H水工結構系數，等于1.3Kb在平衡應變條件下應力塊體厚度（a）與有效厚度（d）之比ku應力塊體厚度（a）與有效厚度（d）之比K無量綱雙軸彎曲表達式中使用的指數，對受軸向拉力影響的任何構件等于對矩形構件等于1.5，對方形或圓形構件等于1.75ln

58、支座間的凈跨距MDS平衡條件下極限值時的彎距承載力（附件D）Mnx，Mny分別相對于x和y軸的標準雙軸彎矩Mox，Moy分別相對于x和y軸的Pn上標準單軸彎矩R弧形構件中心線的曲率半徑附件B彎曲荷載和軸向荷載公式的推導B-1概述下面介紹4-2至4-4節中給出的設計公式的推導。設計公式提供了可用于設計彎曲和軸向組合荷載構件的通用程序。B-2軸向壓縮和彎曲a.平衡條件從圖B-1平衡條件，公式4-3和4-4可推導如下：從平衡上看，（B-1）假定（B-2）從彎矩平衡上看，（B-3）改寫公式B-3為：（B-4）從平衡條件下的應變圖得（圖B-1）：（B-5）因為（B-6，公式4-4）因為（B-7）將公式B

59、-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（圖B-1）從公式B-1以fs=fy得出Pn:（B-10，公式4-5）設計彎矩Mn表示為：（B-11）所以，（B-12，公式4-6）將公式B-1以s=y代入公式B-4得出：（B-13）簡化為：(B-14)用二次方程式解出：（B-15，公式4-7）c.受壓力控制的截面（圖B-1）從公式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）鋼筋應力s示為。從圖B-1可以得出或所以，（B-18，公式4-10）將公式B-1和B-18代入B-4得出（

60、B-19）公式可排列成（B-20，公式4-11）B-3彎曲與壓縮能力-受拉和受壓鋼筋（圖B-2）a.平衡條件用圖B-2平衡條件，下列公式4-13可推導如下：從平衡上看，（B-21）以類似于推導公式B-4的方式，由彎矩平衡導出（B-22）如在公式B-6中，（B-24）因為并用公式B-21和B-22：（B-25）可改寫為：或（B-26，公式4-13）b.受拉力控制的截面（圖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）從圖B-2所以，或（B-29，公式4-16）將公式B-21代入公式B-22，s=y,得出：（B-30）用公式B