水工挡土墙计算程序

2010年01月18日 12:43:07

2楼

挡土墙设计软件说明

（摘要）本文详述了挡土墙设计软件的功能、应用范围、设计依据及原理、使用方法及一些操作要点、并对一些关键词作了解释。
（关键词）挡土墙地震作用效应朗肯主动土压力水压力 Visual Basic语言 Autolisp语言
挡土墙是较常见的土建工程建筑物之一，对其计算虽然不算很困难，但由于计算条件变化较多，尤其对于地下水位、填土高度、断面型式等变化较多的情况，计算工作量仍然是繁重的。以前的计算程序，一般只限于某一种断面型式，通用性较差，而且没有计算步骤，不能作Acad图，数据输入繁琐等，存在较多的缺陷。本软件弥补了其他程序的缺点，并增加了许多功能，使工作量大大减少。软件核心程序运用Visual Basic语言编写，并利用VB-Excel 接口技术将计算简图、计算过程及计算结果以表格的型式保存为Excel文件，可直接打印输出，方便、快捷，也便于校核；还利用VB-Autolisp的接口技术，将所计算的挡土墙断面结构图及钢筋图在Acad中绘出，用户使用时只需稍作修改即可，效果非常好。本软件经过不断的改进，已趋于完善，在一定范围内已经推广应用，并得到了一致的好评。
1、软件功能
作者分析了各种型式的挡土墙，在编制过程中力求涵盖更广的范围，追求更加卓越的功能，体现人性化设计。①、稳定计算，软件计算了墙体的抗滑、抗倾、前后趾地基反力、地基反力不均匀系数，而且考虑了地震力的作用效应；②、墙身强度验算，计算了墙身六个不同截面的应力及弯距值，③、钢筋计算，根据程序算出的六个不同截面的弯距值，计算出各个截面的钢筋面积；④、结果保存，将计算简图、计算过程、计算结果以表格的型式保存为Excel文件，并且将钢筋计算保存在文件中，可直接打印输出，文件中包括每一荷载分块的计算公式、荷载大小、力臂、弯矩值，钢筋计算的每一步算式等，输出内容相当细致，打印格式十分完美，校核很方便；⑤、Acad图绘制，根据用户选择的钢筋直径与间距，可利用作图程序将挡土墙的结构图、钢筋图绘出，对于钢筋图，用户只需作一些修改，作出钢筋表，即可作为施工图使用。
2、应用范围
本软件主要适用于墙身无倒坡的重力式、半重力式、衡重式，以及悬臂式挡土墙。设计标准截面为：墙前、墙后最多可同时出现一个前趾(或后趾)、两个斜坡及一个直墙段，各种型式挡土墙标准断面图参见软件中。对于扶壁式的稳定计算，可等化为悬臂式墙的稳定计算。对于不符合标准断面的重力式挡土墙，比如桥墩、墙前设有齿墙、空箱式墙、墙体上设锚杆等，可将大小一定的外部荷载等化为垂直、水平向附加荷载进行计算，不过，作计算草图与Acad图时未考虑这一点。
程序适用于墙前、墙后可同时有填土，可为粘性土或砂性土，但填土不应有明显分层；填土及水位可高于墙顶，并且填土和水深可有任意组合，但填土表面应为水平面；对于填土表面有连续均布荷载，可将均布荷载变换为等效填土高度；墙前趾可设止水或不设，墙后左上角可设止水或不设。
无论何种型式挡土墙，都可考虑7、8、9度地震的作用效应，但对于倾斜的迎水面，动水压力的垂直向分力未计算在内。
本软件还计算了挡土墙的截面面积，对于底板与墙身不是同一种材料时，还可计算出底板和墙身各自的面积。
另外，软件还列出了计算日期。
对于一些特殊型式的挡土墙，如板桩式等，软件没有研究。
对于衡重式墙的稳定计算，软件作了多情况的分析。
① 关于墙后土压力：只计算平台以上的填土所产生的土压力，平台以下不计算，也只考虑平台以上的动土压力，平台以下不考虑。
② 关于墙后水压力：本软件给了用户较多的自由度，① 承重平台以下的水压力值可由用户输入您所希望的数值（以水深表示），只考虑平台以上的动水压力，平台以下动水压力不考虑；⑵ 整个墙后水压力按三角形分布，考虑全部的动水压力。
③ 关于底板宽度：可分为三种情况，⑴ 计算墙的水平投影宽度；⑵ 俯斜墙背的水平投影按一半考虑；⑶ 不考虑俯斜墙背的水平投影宽度。
④对于衡重式墙的扬压力，软件作了多情况的分析。
前趾不设止水时：⑴ 水压力平台以上按三角形分布，平台以下按矩形分布时，俯斜墙背下按矩形考虑，底板其余部分按梯形考虑；⑵ 整个墙后水压力按三角形分布时，墙体水平投影下按梯形考虑。前趾设有止水时，扬压力按矩形考虑。
3、几点约定
(1)、填土及墙身重量计算采用简单的三角形和矩形分块，标准分块图见下图。
(2)、弯距轴心点一般选为前趾下点。弯距轴心根据底板型式确定：(i)底板底部水平，轴心为前趾下点；(ii)底板底部不水平，以过底板底部最低点的水平线与前趾交点为轴心，多包括部分以附加荷载输入，所应遵守的原则是不减少挡土墙的水平投影长度；(iii)填土、水深均从过轴心的水平线算起。
(3)、除衡重式墙外，其他型式墙并无明显的区别，计算时可根据各种型式的标准断面调整数据，以得到计算目的。
(4)、墙身出现倒坡时，您可以将尺寸数据输负值，以得到您希望的计算图形，但由于底板宽度不好确定，计算一般不可用，不过，利用结果文件作修改，也可得到计算目的。
4、设计依据及原理
软件中单位采用吨、米、角度制；在挡土墙的长度方向截取1米宽的截条作为计算对象。
(1)、稳定计算荷载组合：
完建期无水工况：自重+填土重+土压力+附加荷载，考虑地震作用时，还要加地震作用力。
设计水位工况：自重+填土重+土压力+水压力+扬压力+浮托力+附加荷载，考虑地震作用时，还要加地震作用力。
校核水位工况：同设计水位工况。
(2)、墙身强度验算荷载组合：(A、B、C、D截面)
完建期无水工况：自重+填土重+地基反力。
设计水位工况：自重+填土重+扬压力+浮托力。
校核水位工况：自重+填土重+扬压力+浮托力。
(3)、墙身强度验算荷载组合：(E、F截面)
完建期无水工况：墙前后土压力。
设计水位工况：墙前后土压力+墙前后水压力。
校核水位工况：墙前后土压力+墙前后水压力。
(4)、土压力计算方法采用朗肯主动土压力理论。考虑到墙前、墙后出现静止、被动土压力时，墙体破坏的可能性极小，软件未涉及该两种情况。主动土压力计算公式：(单击此处显示公式)
(5)、采用拟静力法计算地震惯性力，沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值应按下式计算：(单击此处显示公式)

(6)、水平向地震作用下的动土压力，单位宽度墙面地震动土压力可按下式计算：(单击此处显示公式)

(7)、采用拟静力法计算地震动水压力，单位宽度墙面的总地震动水压力作用在水面以下0.54H0处，其代表值F0按下式计算：(单击此处显示公式)

注：计算工程中，所有地震效应作用方向与墙体重心偏移方向一致。
(8)、抗滑安全系数，K=∑竖直力*摩擦系数/∑水平力
(9)、抗倾安全系数，Kp=∑M+/∑M-
(10)、地基反力，σ=∑竖直力*(1±6*e/B)/B
(11)、地基反力不均匀系数，u=σmax/σmin
(12)、各截面的配筋计算采用SDJ20-78《水工钢筋混凝土结构设计规范》，按单筋矩形截面悬臂梁计算，计算中由用户输入砼标号、钢筋级别、安全系数。并将计算过程存入Excel文件中。用户可不采用该值，而自己计算或根据经验取值，本计算与作Acad图无关系，也就是说用户可不进入本窗体，而直接作Acad图。计算公式采用：
Ao=KM/(Rw*b*ho^2)
ξ=1-sqr(1-2*KM/(Rw*100*ho^2))
Ag=Rw*b*ho*ξ/Rg
如果按双筋矩形截面，将钢筋面积除以2即可。
(13)、钢筋图绘制，计算程序生成一个Autolisp作图程序，在Acad中运行“Appload”标准命令，装入该作图程序后，“JGT(结构图)、GJT(钢筋图)、YSM(迎水面图)、BSM(背水面图)、DBT(底板图)、FH(标注块)”已作为绘制图形的六个标准命令集存在于打开的Acad应用程序中；如果想绘背水面钢筋图，在命令行键入“BSM”即可完成相应操作。如果在本图中，您是初次运行该软件，那么就需要首先输入FH命令，否则否。
4、使用方法及操作步骤
软件运行后，首先出现Splash窗体，该窗体稍停即逝，主要介绍了软件名称及版本，与软件运行无关。
Splash窗体的背后是本软件的背景窗体，他作为软件所有窗体的背景，在程序运行期间一直存在，关闭该窗体将关闭本应用程序。
随后出现挡土墙型式选择窗体，该窗体为用户选择挡土墙型式而准备，并给出了使用软件所必须的简要说明。该窗体包括三个选项钮和三个命令钮。(1)、如果您选择了“调用断面”钮，则出现调用断面窗体，您可以从组合列表框中选择以前计算过的断面名称，不过以断面名称为名的数据文件必须存在，即以前计算时已“结果存盘”，而且未从应用程序目录中删除该文件，如果该文件不存在，按“确定”后，程序提示“错误!该断面并不存在”，按“返回”后，可继续执行程序。(2)、如果您选择了半重力式或悬臂式，那么按“确定” 钮后，就出现半重力式结构尺寸输入窗体或悬臂式结构尺寸输入窗体，如果您选择了衡重式，则出现衡重式结构尺寸输入窗体。在半重力式、悬臂式结构尺寸输入窗体中，您可以输入水平向和竖直向结构尺寸以及作图比例系数和地震烈度，在衡重式结构尺寸输入窗体中，您还需输入衡重式墙后趾的变化尺寸，计算重力式时选择衡重式。输入时注意不要将墙前、墙后相混淆。
下面出现工况选择及材料参数输入窗体，有止水时，要将止水复选框复选，有竖直、水平向附加荷载时，要将荷载复选框复选。完建期无水工况，无论水深值是否为0，软件均以0计。后趾水深计算参数gd主要用来标志衡重式墙的土、水压力计算方法，衡重式一般选择0，半重力式一般选择1。衡重墙后趾点水深sh表示承重平台以下的水压力大小（以水深表示）。
接着出现挡土墙设计断面示意窗体，该窗体把所拟挡土墙断面草图绘出，用户可据此图判断输入数据是否正确及所拟断面是否合理，不合适可返回到前面窗体修改尺寸数据。窗体中图形大小与前面的作图比例系数n有关，随着n的增大而增大，窗体中图形最后将复制到结果文件中，所以您应控制图形的大小。
按“确定”后计算程序进行计算，并将计算结果输出，即出现计算结果输出窗体。如果您输入的参数不合理，应用程序会提示出错信息“您输入的数据存在问题，除数为0”；如果计算中出现挡土墙向后倾，则屏幕上会显出一信息框告诉您此情况，按“确定”键后，软件会按主动土压力继续运行。在输出窗体中，将输出计算结果值及危险截面的应力值；如果计算结果并不能使您满意，可按“重新计算”键，软件会回到挡土墙型式选择窗体，开始新的计算,并且上次所输入数据一个也不会丢失；如果计算结果使您满意，可按“结果存盘”键，软件会打开Excel软件进行操作，在此期间不要对Excel作任何操作，否则可能中断软件，用户仍然回到挡土墙软件界面（即点Windows任务栏上的挡土墙软件图标），等待软件指示。
如果您还想计算各截面的钢筋面积，那么点击“配筋计算”键，则进入截面配筋计算窗体，选择钢筋级别和混凝土标号，按“计算”键，就可以输出计算结果；按“确定”键回到前一窗体，这时如果选择“结果存盘”，就可将配筋计算过程也存入文件中。如果用户在“结果存盘”之前没有进入本窗体，配筋计算过程就不会保存。
待Excel软件完成自己的工作后，挡土墙软件会指示您完成下面的操作，即整理文件、打印文件，如果您同意该项操作，选择“是”，否则选择“否”；最后，软件会通知您已完成所有操作，即计算结束。
如果您还希望将计算中确定的断面在Acad中绘出，以作施工图使用，那么在计算结束后，请按“作Acad图”键，即出现挡土墙作图窗体。根据软件要求输入相应的参数，按“确定”键后，软件将生成一个Autolisp例程文件，（此文件名及路径由软件输出对话框提示），在Autocad中运行“Appload”标准命令，装入该文件后，并在命令行键入“JGT(结构图)、GJT(钢筋图)、YSM(迎水面图)、BSM(背水面图)、DBT(底板图)”命令，如果在该图中您是初次运行该软件，那么需要先键入“FH”命令；然后根据提示操作即可将挡土墙的前述四个断面图绘出。命令行中提示“Enter the number of scale，k=<100>:”，软件请求输入作图比例系数1：n中的n；“enter the top outside Point of wall:”，软件请求输入挡土墙的外侧顶点位置。用鼠标点取放置所作图形的位置，软件即可将挡土墙相应的图形绘出。（注意：打开的Acad界面应把包括“标注变量”在内的系统变量设置完整，比如：字的大小、标注类型等；由于本软件计算钢筋数量与你所采用的并不一定相同，所以关于构造及受力筋的级别与直径需要用户在此窗体中手动输入,在钢筋布置图中，软件将根据您的输入进行标注；此外，软件中钢筋颜色采用绿色，字体颜色采用白色，建筑物轮廓线采用白色，其余颜色由用户设定，在Acad中绘图时需退出该软件)。
5、操作技巧
在计算过程中，在所有窗体中，按“确定”键为继续执行软件，按“返回”键可返回到前一窗体，且所输入数据不会丢失，按“Esc”键可即刻退出设计软件，当光标停留在文本框内时，按“回车”可将光标移动到下一个文本框内，考虑了人的操作习惯。按鼠标右键可弹出“弹出菜单”，“弹出菜单”中包括①挡土墙软件的说明、②退出挡土墙软件，按①可打开说明窗体，按②可立即退出软件。在计算过程中，在一些窗体中，如果您将鼠标停留在某些控件上，软件会提供该名称的解释或操作方法，即提供屏幕提示，比如，将鼠标图标停在地震烈度ld上，软件会告诉您不计算地震选择0，计算7、8、9度地震时可相应选择7、8、9。
6、实际工程应用
在实际工程中，本软件已作了初步的应用，如：昭平台水库杨家岭非常溢洪道上下游翼墙设计、陈族湾大港口圩区治理工程龙口排涝闸上下游翼墙设计、盘石头水库导流洞出口翼墙设计、白龟山水库除险加固工程南干渠渠首闸两侧挡土墙设计等。计算精度足可以满足工程要求。
7、词语解释
数据的输入可参考软件中所示标准断面。
一坡高度：墙后一坡高度指墙后有两个斜坡时，从下往上数第一个斜坡的高度，如果墙后只有一个斜坡，则该斜坡高度既可作为一坡高度，也可作为二坡高度，但要与一坡宽度、二坡宽度相对应，不能混淆。墙前一坡高度同理。
二坡高度：墙后二坡高度指墙后有两个斜坡时，从下往上数第二个斜坡的高度，如果墙后只有一个斜坡，解释见“一坡高度”，墙前二坡高度同理。
坡上高度：墙后坡上高度指墙后直墙段的高度。
填土高度：无论何种墙体型式，填土高度均指从底板底至填土表面的距离。对于底板底面不是平面的墙，以底板底最高处算起，其余荷载可作为附加荷载计算。
一坡宽度：所对应的一坡的水平投影。
二坡宽度：所对应的二坡的水平投影。
后趾回缩宽度Zb：指衡重式墙后趾的俯斜墙背的水平投影距离。
后趾回缩高度Zh：指衡重式墙后趾的俯斜墙背中的直墙段的高度。
俯斜墙背长度计算参数cd：指计算底板宽度时，俯斜墙背所应计入的宽度。1表示计算一半，2表示全部计入。
作图比例系数n：由于挡土墙设计断面示意窗体的大小一定，为将计算草图很好地表示出来，就需调整比例，n=3700/墙高。
地震烈度ld：不计算地震时，选择0；如计算地震，7度地震选择7；8度地震选择8；9度地震选择9。
水深：无论何种墙体型式，水深均指从底板底至水面的距离。对于底板底面不是平面的墙，以底板底最高处算起，其余荷载可作为附加荷载计算。
后趾水深计算参数gd：指出衡重式墙体墙后水深的计算高度，1表示按实际水深计算，压力为三角形分布；0表示按平台以上的水深计算，平台以上压力为三角形分布，平台以下为矩形分布；半重力式墙输入1。
衡重墙后趾点水深sh：表示承重平台以下的水压力大小（以水深表示），其大小直接影响到承重平台以下的水压力计算值以及底板的扬压力计算。
墙后左上角止水：墙后填土平墙顶，且铺有铺盖，铺盖与墙顶之间设有止水。该情况应用较少。
附加荷载：对于特殊型式的挡土墙，比如桥墩、墙前设有齿墙等，软件不可能完全涵盖，可将大小一定的外部荷载等化为垂直、水平向附加荷载来计算特殊型式的墙。
A面应力：实为按材料力学方法计算截面应力，墙前一坡与前趾的交点处的垂直截面应力。单位：吨/米2。
B面应力：实为按材料力学方法计算截面应力，墙前二坡与一坡的交点处的垂直截面应力。单位：吨/米2。
C面应力：实为按材料力学方法计算截面应力，墙后一坡与后趾的交点处的垂直截面应力。单位：吨/米2。
D面应力：实为按材料力学方法计算截面应力，墙后二坡与一坡的交点处的垂直截面应力。单位：吨/米2。
E面应力：实为按材料力学方法计算截面应力，墙后二坡与直墙段的交点处的水平截面应力。单位：吨/米2。
F面应力：实为按材料力学方法计算截面应力，墙后一坡与后趾的交点处的水平截面应力。单位：吨/米2。
备注：(1)、本文中“墙”均指挡土墙
(2)、对于衡重式墙的后趾C、D点应力，由于应力较小，且情况
多样，软件结论仅供参考，其他型式墙可完全采用。
囿于作者水平有限，在编写过程中仍存在许多纰漏，
欢迎大家多提宝贵意见。

参考文献：
1. 冯国栋主编的《土力学》水利电力出版社 1986.5，
2. 华东水利学院、大连工学院、西北农学院三院合编《水工钢筋混凝土结构》
（下册）水利电力出版社出版
3. 《水工建筑物抗震设计规范》 SL203-97，
4. 《水工建筑物抗震设计规范》 SDJ10-78，

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