混凝土构件计算程序应用手册(周运斌)

混凝土结构部分构件EXCEL计算程序（采用2010版新规范）应用手册周运斌2011．51一．前言长期以来，混凝土结构的构件计算方法主要依靠手算（含编入计算器的小程序计算）和程序计算两种手段，其中手算工作量极大，通常占用的时间达设计工作量的约1/3，而且计算成果不易保存、拷贝和携带，长期从事结构设计工作的人员对此可说是深有体会。程序计算的手段很多，有内力分析和构件计算设计联系在一起的应用软件，也有单独进行构件计算的软件，但大多是由专业软件开发商进行开发，受版权使用限制，需要使用加密狗等，设计人员使用相当不便，而且由于其计算过程也大多不公开，使设计人员对其计算结果无法校核，对缺乏经验的设计人员来说，盲目应用不可靠的计算结果的同时将承担相当大的结构安全风险。针对以上存在的问题，笔者通过对《混凝土结构设计规范GB50010—2002》（以下简称为“规范”，本次根据GB50010-2010版规范对规范修订的内容进行了修改）进行了系统的研究之后，结合微软Excel程序的较为强大的计算功能，潜心研究月余，将规范中常用的构件计算编入Excel表格中，通过在表格中输入计算需要的变量，即可自动求得所需的配筋量或所要验算的裂缝宽度等。由于计算输入数据和计算结果（包括重要的中间数据）都完整的展现在Excel表格中，对保存、编辑、拷贝和编制计算书等，都非常方便。而且由于程序语句完全公开，便于使用者对程序的编制进行彻底的验证和核实，保证实际应用的安全。兼之程序为本人自己开发，而应用平台微软Excel程序也是基本上每台电脑都进行了安装，使用不需要任何额外的加密狗之类的附加硬件。由于自我感觉这个程序有这么多的优点，不敢独自享用，特发表之，与各位认识或不认识朋友共飨。二．程序设计内容及使用限制条件1.程序设计内容（1）矩形截面正截面受弯承载力计算（2）T形截面正截面受弯承载力计算（3）矩形截面纯弯裂缝宽度验算（4）矩形截面偏压裂缝宽度验算（5）矩形截面轴心受拉裂缝宽度验算（6）矩形截面偏压强度验算（7）圆形截面偏压强度验算（纵筋沿周边均匀配置）（8）圆截面纯弯强度验算（9）矩形截面剪扭强度验算（10）矩形截面剪切强度验算（11）T形截面纯弯裂缝宽度验算2（12）矩形截面短梁（2l0/h5)正截面受弯承载力计算（13）矩形截面正截面受弯承载力验算（14）T形截面正截面受弯承载力验算（15）矩形截面正截面双向配筋受弯承载力验算（16）T形截面正截面双向配筋受弯承载力验算（17）矩形截面短梁（2l0/h5)斜截面均布荷载受剪承载力验算（18）矩形受弯构件挠度验算（换算刚度，采用荷载标准组合时）（19）圆形截面剪切强度验算(非集中荷载作用)（20）矩形框架柱箍筋加密区最小配箍率验算（三级抗震、普通箍/复合箍）2.程序组成程序由三部分组成，第一部分为“计算参数”页，本页详细列举了普通钢筋混凝土构件计算时需要用到的各种计算参数和其它一些常用数据，以备其后的各应用程序和使用者进行查找调用；程序第二部分为计算程序部分，为方便使用，本部分又按“常用程序”（第1~10个程序）和“偶用程序”（第11~20个程序）分成两页装载；程序的第三部分为“应用”页，都是空的，使用者将“常用程序”和“偶用程序”页的程序拷贝到这些“应用”页就可以方便的使用了。由于程序在使用过程中极易被使用者有意或无意中修改，为了保证程序的原创性，程序作者在录有程序所需原始数据的“计算参数”页和录有程序段的“常用程序”、“偶用程序”页均输入了密码保护，使用者对该3页的任何内容均不可修改，使用时必须将“常用程序”和“偶用程序”页的程序拷贝到“应用”页后方可修改输入数据进行使用，这样就可避免因程序使用者对程序无意中的修改而造成计算错误。“计算参数”、“常用程序”和“偶用程序”页密码只有程序作者本人掌握，直接得自程序作者和由可靠渠道间接得自程序作者的程序如果该数页仍处于密码保护状态，则该程序应该处于未被篡改的状态。3.程序使用限制条件（1）本程序以微软公司EXCEL软件作为工作平台，必须在该平台上使用。程序使用者应对微软公司EXCEL软件有一定程度的熟悉和了解。（2）本程序使用者应对《混凝土结构设计规范》有一定程度的熟悉，不可在不熟规范的情况下盲目滥用本程序。（3）由于本程序语句完全开放，使用本程序所遇到的问题原则上请自行解决，如发现程序中有任何错误请直接与本人联系。（4）本程序使用者对因使用本程序造成的任何后果负责，本程序编制者不承担任何直接和连带责任。（5）本程序仅用于普通钢筋混凝土结构，均不考虑施加预应力，所用钢筋均为有屈服点钢筋。3（6）为减少数据输入量，构件四周混凝土保护层均约定为相同值。（7）程序设计时不考虑最小配筋率等构造要求，程序使用者应自行按相关规范进行截面配筋设计。三．各程序段设计思路及使用方法1.矩形截面正截面受弯受拉区钢筋（单面配筋）面积计算（1）输入弯矩设计值（M）、截面尺寸信息（B、H、h0）、材料信息（砼等级C），配筋等级和钢筋抗拉强度设计值不用输入，直接使用对应的程序段即可，如不对应使用，程序中计算的ξb值将受到影响；（2）程序根据输入的“砼等级C”的值在“计算参数”页查找相应混凝土的α1fc值；（3）根据规范公式6.2.10-1计算混凝土受压区高度x值；（4）根据规范公式6.2.7-1计算相对界限受压区高度ξb（这里涉及到规定采用有屈服点钢筋的限制条件）；（5）判断混凝土相对受压区高度x/h0是否满足小于相对界限受压区高度ξb的要求；（6）根据规范公式6.2.10-2计算配筋量；（7）计算配筋百分率。2.T形截面正截面受弯承载力计算（1）输入弯矩设计值、截面尺寸信息、材料信息等（基本同矩形截面，仅需增加翼缘宽度和高度bf'和hf'）；（2）程序根据输入的“砼等级C”的值在“计算参数”页查找相应混凝土的α1fc值（3）根据规范公式6.2.11-1计算按宽度为bf'的矩形截面混凝土受压区高度x矩；（4）计算相对界限受压区高度ξb；（5）判断混凝土相对受压区高度x矩/h0是否满足小于相对界限受压区高度ξb的要求；（6）根据计算的x矩值是否大于受压翼缘高度hf'确定计算是采用矩形还是T形截面进行；（7）根据规范公式6.2.10-2计算按宽度为bf'的矩形截面配筋As矩（如应按T形计算，此处返回“——”符号）；（8）根据规范公式6.2.11-2计算T形截面混凝土受压区高度xT（如应按矩形计算，此处返回“——”符号）；（9）判断混凝土相对受压区高度xT/h0是否满足小于相对界限受压区高度ξb的要求（如应按矩形计算，此处返回“——”符号）；4（10）根据规范公式6.2.11-3计算T形截面配筋AsT(mm2)（如应按矩形计算，此处返回“——”符号）；（11）计算配筋百分率。3.矩形截面纯弯裂缝宽度验算（1）输入按荷载效应标准组合计算的弯矩值、截面尺寸信息、材料信息、配筋信息等；（2）程序根据输入的“砼等级C”的值在“计算参数”页查找相应混凝土的ftk值（3）根据规范公式7.1.4-3计算纵向受拉钢筋应力σsq；（4）根据规范公式7.1.2-4计算按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率ρte；（5）根据规范公式7.1.2-2计算裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数ψ；（6）根据规范公式7.1.2-1计算最大裂缝宽度ωmax；（7）计算配筋百分率。4.矩形截面偏压裂缝宽度验算（1）输入按荷载效应标准组合计算的轴向力值、弯矩值、截面尺寸信息、材料信息、配筋信息等；（2）程序根据输入的“砼等级C”的值在“计算参数”页查找相应混凝土的ftk值（3）根据规范公式7.1.4-6计算轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离e；（4）根据规范公式7.1.4-5纵向受拉钢筋合力点至截面受压区合力点的距离z，并与0.87h0间取小值；（5）根据规范公式7.1.4-4计算纵向受拉钢筋应力σsq（6）以下同矩形截面纯弯裂缝宽度验算。5.矩形截面轴心受拉裂缝宽度验算（1）输入按荷载效应标准组合计算的轴向拉力值、截面尺寸信息、材料信息、配筋信息等；（2）程序根据输入的“砼等级C”的值在“计算参数”页查找相应混凝土的ftk值（3）根据规范公式7.1.4-1计算纵向受拉钢筋应力σsq（4）以下同矩形截面纯弯裂缝宽度验算。6.矩形截面偏心受压构件承载力计算（1）输入弯矩、轴力设计值、截面尺寸信息、材料信息等；（2）程序根据输入的“砼等级C”的值在“计算参数”页查找相应混凝土的α1fc5值；（3）根据规范公式6.2.17-3、4计算轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离e；（4）取As'=0判别大/小偏心①根据规范公式6.2.17-2计算混凝土受压区高度x；②计算相对界限受压区高度ξb；③根据混凝土相对受压区高度x/h0是否小于相对界限受压区高度ξb判别构件应按大偏心还是小偏心进行计算；（5）大偏心时，按单面配筋计算①根据规范公式6.2.17-1按大偏心（σs=fy）计算受拉区配筋As（如应按小偏心计算，此处返回“——”符号）；②计算配筋百分率（如应按小偏心计算，此处返回“——”符号）；（6）小偏心时，如N1fcbxbh0+(Ne-1fcbxbh02(1-xb/2))/(h0-as′)且as′+(as′2+2N(h0-as′-e)/1fcb)1/2≤1h0，此时经济配筋算法为取x=ξbh0，即σs=fy计算配筋①根据规范公式6.2.17-2，取x=ξbh0（此时σs=fy），计算受压区配筋As'；②计算受压区配筋配筋百分率；③根据规范公式6.2.17-1按σs=fy计算受拉区配筋As，并按规范公式6.2.17-5、6进行验算；④计算受拉区配筋配筋百分率；⑤如应按大偏心计算或as′+(as′2+2N(h0-as′-e)/1fcb)1/2＞1h0，此处均返回“——”符号；（7）小偏心时，如as′+(as′2+2N(h0-as′-e)/1fcb)1/2＞1h0，此时经济配筋算法为取As=0计算配筋①取As=0，联解规范公式6.2.17-1、2，得混凝土受压区高度x；②根据规范公式6.2.17-1，计算受压区配筋As'；③计算受压区配筋配筋百分率；④根据规范公式6.2.17-5、6进行验算受拉区配筋As；⑤计算受拉区配筋配筋百分率；⑥如应按大偏心计算或as′+(as′2+2N(h0-as′-e)/1fcb)1/2≤1h0，此处均返回“——”符号；（8）对称配筋计算①根据规范公式6.2.17-8按小偏心（As=As'）计算相对受压区高度ξ；②根据规范公式6.2.17-7计算小偏心受压（拉）区配筋As'（As）；③计算受压（拉）区配筋配筋百分率；6④如应按大偏心计算，此处返回“——”符号。（9）输入受压区配筋实配值As'，计算受拉区配筋As①输入受压区配筋实配值As'；②计算受压区配筋百分率；③按输入的受压区配筋实配值As'，根据规范公式6.2.17-2，计算混凝土受压区高度x（当x值计算后返回“无解”时，应加大As'值）；④根据规范第6.2.17条第1款的规定确定σs值；⑤根据规范公式6.2.17-1，计算受拉区配筋As值；⑥计算受拉区配筋百分率。注：本段程序编制时用到笔者写的“钢筋混凝土偏心受压构件案例计算与分析”一文的相关结论，该文附在后面，有兴趣的朋友可以研究一下。另，该文的数据是按2002版规范计算的。7.圆截面偏压强度验算（纵筋沿周边均匀配置）（1）输入轴力设计值、截面尺寸信息、材料信息；（2）程序根据输入的“砼等级C”的值在“计算参数”页查找相应混凝土的α1fc值；（3）输入对应于受压区混凝土截面面积的圆心角（rad）与2π的比值α；（4）根据规范公式E.0.4-1计算全部纵筋的截面面积As；（5）根据规范公式E.0.4-2计算与输入的α和计算的As对应的Nei值；（6）根据规范公式E.0.4-4及e0=M/N的关系，由计算的Nei值推导截面所能承受的弯矩值M[M=Nei－ea*N]；（7）根据需要调整α值，当对应的M值达到或超过设计弯矩值时，对应的As即为满足强度要求