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拱梁分载法拱坝抗拉强度准则研究 - 结构理论 关键词：拱梁分载法；拉应力；抗拉强度；分项系数；控制标准；混凝土拱坝 摘 要：我国《SD145—85混凝土拱坝设计规范》规定，坝体内混凝土拉应力控制标准与建筑物重要性无关，对不同等级的建筑物，采用相同的应力控制标准，这显然是不合理的。在总结已建工程实践经验的基础上，对拱坝作用不定性、抗力不定性、结构计算模式不定性等进行了分析讨论，并最终得出了用分项系数表达的不同等级建筑物及设计状况下的基于拱梁分载法的坝体拉应力控制标准。 我国《SD145—85混凝土拱坝设计规范》(以下简称”原规范”)制定的坝体内混凝土拉应力控制标准与建筑物重要性无关，对不同等级的建筑物，采用相同的应力控制标准，这显然是不合理的。不同的混凝土强度，容许拉应力控制标准应不相同。我国《GB50199—94水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（以下简称《水工统标》）中规定，用分项系数表示的坝体抗拉强度为：γ0ψS（·）≤fk／(γmγd)。以下按《水工统标》的规定，以拱梁分载法为拱坝应力分析的基本方法，探讨拱坝抗拉强度准则及各项分项系数的确定。 1抗拉强度表达方式及混凝土抗拉强度标准值 1.1抗拉强度表达方式 抗拉强度有三种试验和表达方式： （1）劈裂抗拉强度试验—劈裂抗拉强度，反映混凝土压剪型破坏强度，与坝体混凝土以主拉应力控制的受力性态比较相似。该方法试验简单，能利用与抗压试验同一规格的试件；由于破坏被限定在荷载作用线附近很窄范围内，内部缺陷对试验成果影响不敏感，故试验成果稳定，离散性小。国内外一般按与试件抗压强度相关的关系式计算劈裂抗拉强度，设ftp为劈拉强度，fc为抗压强度，则有如下关系式： 式中，a、b为回归系数。根据水工结构可靠度设计统一标准专题报告—水工混凝土强度特性报告（北京勘测设计研究院，以下简称强度特性报告）收集到的11个回归系数a、b值，可以得出，当抗压强度在20～40 MPa之间时，劈拉强度大约为抗压强度的0.158～0.089倍。 （2）混凝土极限拉伸试验—轴心抗拉强度，是《DL／T5057—1996水工混凝土结构设计规范》所规定的抗拉强度标准值。极限拉伸试验装置简单，但试验比较困难，受试验条件、养护条件影响十分敏感，主要反映在两端夹具对中不易（中轴与受力方向不易一致），偏心将形成弯曲受拉；夹具附近局部容易破坏；试件表面有裂纹时，试验结果误差很大等。因此，试验值偏低，离散性大，与大坝受力状态不相符，目前一般用劈裂抗拉强度代替轴心抗拉强度。二滩工程招标设计阶段的坝体混凝土试验得出混凝土轴拉强度与抗压强度的关系式如下： 式中，ftz为轴拉强度，fc为抗压强度，混凝土的粉煤灰掺量30%，骨料为正长岩。根据式（2）计算出抗压强度在20～40 MPa之间时，轴拉强度与抗压强度的比值在0.072～0.061之间，上述试验的抗压强度基于15 cm×15 cm×15 cm立方体试件，轴拉强度基于长600 mm，中间断面为“8”字形的试件，将抗压试件换算成20 cm×20 cm×20 cm立方体试件时，轴拉强度与抗压强度的比值在0.076～0.64之间。 根据成都勘测设计研究院科研所“二滩混凝土试验报告”(中文本，1994年12月)，可以看出，轴拉强度与抗压强度关系的离散性很大。通过前述强度特性报告对葛洲坝及二滩试验资料的统计分析，强度特性报告建议轴心抗拉强度取劈拉强度的0.9倍。由前面分析可知，当抗压强度在20～40 MPa之间时，劈拉强度大约为抗压强度的0.158～0.089倍，按此计算，轴拉强度为抗压强度的0.142～0.080倍。 美国的JMRaphael整理了3 260个试件的试验成果，得到的轴拉强度与抗压强度的关系为： 当fc为25～40 MPa时，ft／fc=0.111～0.095≈1／10。上述对比关系中，ftz依据15 cm棱柱体，fc依据15 cm圆柱体。 （3）混凝土抗折强度试验—弯曲抗拉强度。反映混凝土在弯、剪扭作用下开裂破坏的特点，更接近大体积混凝土实际受力状况。抗折强度试验是坝工混凝土最广泛的试验方法，很多国家都列入国家标准。其试验结果比较稳定，离散性小。直接根据抗折强度试验计算出的弯曲抗拉强度一般比轴拉强度高出30%～50%。抗弯试验通常采用简支梁三分点加荷法，破坏应力按线性假定有： 式中，fr为弯曲抗拉强度；b为试件断面宽度，d为高度，L为长度；P为荷载。 《SD105—82水工混凝土试验规程》规定的弯拉强度，也是按上式计算。线性假定实际上偏离混凝土破坏时的真实特性，这是因为抗拉强度远小于抗压强度，拉应力区进入屈服状态时，压应力区仍处于线弹性阶段，压应力图形保持线性，而拉应力分布已进入非线性。根据应力曲线图来确定合拉力的大小和位置，用矩形代替拉