EM1110-2-2105 水工钢结构设计规范

EM 1110-2-2105 1993年3月31日

水工钢结构设计

第一章 简介

1-1. 目的

对于应用LRFD的水工钢结构，ASD可作为一种比较设计方法，但要事先得到CECW-ED的批准。第4章叙述了那些未使用LRFD法设计的水工钢结构所要求的ASD法。结构设计中，FRFD与ASD法不能结合起来使用；但较大工程单个结构设计允许同时使用FRFD与ASD法。

本手册为（a）荷载和阻力系数（LRFD）法进行水工钢结构

d. 水工钢结构以外的结构。铝、木质和砌石结构、

(HSS)设计和（b）断裂控制导则。允许应力设计（ASD）可

工作桥和公路结构、建筑物施工、冷成型钢施工、铁路

作为比较设计程序，或用于那些不使用荷载和阻力系数法的

桥及其他铁路结构和格构钢龙骨施工的设计应遵照各自

结构类型。

的行业标准，本手册不含这方面内容。 1-2. 适用范围

1-5. 对1.4节背景的评论

本手册适用于土建工程设计的HQUSACE/OCE元件、主要辅

从历史上来说，虽然用ASD法建成了许多安全可靠的结

助命令、区域、实验室和现场操作。

构，但此法不能识别不同荷载（活荷载和死荷载）影响和阻力（即抗弯承载力、抗剪承载力和断裂等）的变化

1-3. 参考资料 性。为此，LRFD为首选设计方法。ASD法中，对结构进

行弹性分析，比较了计算应力与允许应力。允许应力为

参照附件A中所列资料。 屈服应力、抗弯应力等除以安全系数（FS）获得的值。

为了使结构更加可靠、经济，多数规范委员会采用了极

1-4. 背景 限状态设计方法如LRFD法。LRFD法认为结构上荷载和

构件阻力值都是随机的。与ASD法相比，LRFD法主要有

a. 水工钢结构类型。典型水工钢结构包括船闸闸门、弧两个优点：第一，极限状态分析中，不必假设荷载与作形闸门、弧形阀门、检修闸门、叠梁闸门、直升闸门、水电用力之间或作用力与应力之间的直线性。第二，可使用站和泵站构件和其它结构，如闸墙附件、防洪闸和出水口闸多个荷载系数反映不同荷载（死荷载和活荷载）的不确门。水工钢结构会承受浸没、波浪作用、水锤、气蚀、碰撞、定程度，使用多个阻力系数反映特殊阻力（抗弯能力、腐蚀和恶劣的气候。 抗剪能力等）的不同不确定性。因为LRFD法的这些优点，

设计中可获得更加均匀的可靠度，且多数情况下能形成

b. 钢的类型。水工钢结构设计所用结构钢参见CW-05502比较经济的结构。 和美国钢结构学会（AISC）（1986，1989）。简单、经济和设计较安全的地方可使用高强度结构钢。不管结构制作使用什么类型钢，都应检查构件是否存在不稳定、局部弯曲和偏转。这些设计极限状态对高强度钢制作的结构非常关键。 c. 设计方针。根据EM 1110-1-2101，以前所有水工钢结构设计都使用ASD标准。现在LRFD是首选设计方法，应用于LRFD导则提到的结构类型（见附件B-I）。

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第2章 设计考虑的综合因素

2-1. 极限状态

水工钢结构设计中应考虑所有可能的破坏方式，包括屈服或过度塑性变形、弯曲或不稳定性、导致横截面损失的亚临界裂纹增长或不稳定裂纹增长，和导致构件破坏的不稳定裂纹扩展。前两种破坏方式（屈服和弯曲）可使用LRFD和ASD原则，第三种和第四种破坏方式（疲劳和脆性破裂）可使用疲劳和断裂力学原则。 2-2.腐蚀

a. 介绍。油漆是初步的防腐方法。恶劣的环境下或其它设计考虑需要时，可用阴极保护作为补充。减少腐蚀的设计考虑因素包括：

(1) 某些情况，恶劣的环境下可额外增加重要构件的厚度。

(2) 通常，焊接比螺接耐腐蚀。 (3) 断续焊比连续焊更容易受腐蚀。

CW-09940、CW-16643和EM 1110-2-3400中有防腐指导。b. 要求。结构工程师应考虑设计过程中的防腐效果。水工钢结构设计中应考虑的因素包括：

(1) 构件应尽可能详细，应留一个插喷砂软管的口（弯曲至少2英尺）。

(2) 构件连接形成开敞洞室的地方应有排砂规定。 (3) 设法避免搭接，使用搭接的地方应密封焊缝接头。EM 1110-2-2105

(4) 钢上不留任何炉渣粉、焊接飞溅物或其它沉积物。

(5) 使用不同金属的地方，应选用Kumar和Odeh（1989）推荐的适当材料，避免出现大的阴极-阳极面积比，使用绝缘体，两面都油漆。 2-3 动荷载

水工钢结构经常承受湍流引起的不可预料的动荷载。存在动荷载但不确定荷载功能的地方，ASD法要求增加设计安全系数。安全系数增加会产生未知的动态效果。LRFD法可通过指定一个较高的荷载系数增加这些荷载。设计者应提供正确的细部和结构布置图，以使动荷载和空蚀最小化。例如，正确布置密封能使振动最小化。 2-4 检查与维修

因为不便进入，尤其是淹没的地方，水工钢结构通常很难检查和维护。检查时应与检查部分紧密接触；然而，有时这是不可能的，因为水工钢结构中一些淹没构件需要排水进行检查。不便检查和维护的地方，见第3-4节LRFD和第4-4节ASD指导。 2-5 设计偏差

完成可行性研究之前，出现特殊情况时，应向CECW-ED提交荷载和阻力系数或允许应力修改以供批准。 2-6 对第2-2节腐蚀的评论

a. 介绍。

(1) CW-09940和EM 1110-2-3400规定的油漆系统提供了高强度保护。水下水工钢结构要求的保护等级，阴极保护（强制电流或电镀系统）可作为油漆系统的补充。船闸强制电流系统如果不小心维护就会经常受损，无法运行；电镀系统仅需少量维护。

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两个系统都要求定期维护。如果阴极保护是防腐系统的一部分，则制定长期维修计划至关重要，尤其是强制电流系统。

(2) 大的金属表面通常会发生腐蚀。规定设计厚度均匀增长是防止结构产生腐蚀损坏的一种方式。但是，结构的总费用会增加，而且构件抗拉、抗压、抗弯效果的增加不均匀。水工钢结构腐蚀损坏最基本的是浓差电池腐蚀、点状腐蚀或电解腐蚀。

(3) 与水接触的金属表面上，会有小面积发生浓差电池腐蚀。任何环境差异都会产生浓差电池腐蚀，但最普通的两种是金属离子电池和氧气电池腐蚀。局部腐蚀会使表面产生较大的腐蚀锈瘤，在钢构件中形成一个薄弱区域。在结构上涂漆，保持清洁，去除泥浆，能防止此类腐蚀。

(4) 点状腐蚀是一种极端局部侵蚀，在金属表面上形成小直径孔（与深度有关）。这可能由钢中材料缺陷或保护涂层中的碎屑造成。因为不能确定哪里会出现缺陷，点状腐蚀通常无法预测。定期检查和保养可减少点状腐蚀。

(5) 电解腐蚀通常是当两种不同金属相接触，且都在水中时产生的一种电流。 b. 要求。

(1) Kumar 和Odeh（1989）推荐在油漆前，干喷清洗水工钢结构，形成巴氏合金等级表面。因此，设计者应确定结构的细部结构，使其有足够的空间插入软管。沉砂地方还可以布置特大排泄孔。

(2) 多数水工钢结构都是焊接而成。考虑浓差电池腐蚀时，使用焊接代替螺接更方便。与电解质接触的表面区域含氧量高，与那些氧气较少地区相比为阴极。

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有少量滞留溶液的局部地区包括尖角、点焊、搭接接头和紧固件。使用对接焊代替锚杆；密封焊搭接接头；使用连续焊；去除钢上的金属飞溅、熔渣或其它沉积物可以防止浓差电池腐蚀。

(3) 使用不同金属（碳钢和不锈钢）时，暴露金属的区域非常重要，因为电池中的电流总量取决于暴露金属的总面积。如果阳极碳钢面积大，不锈钢阴极面积小，则电流所占面积大，且每个点的效果轻微。相反，如果阴极与阳极比率大，电流则会集中，发生严重腐蚀。如果碳钢涂上油漆，涂层上有小的缺欠或损坏，则会形成较大的阴极-阳极面积，发生快速腐蚀。因此，最好两面都涂漆。如果不锈钢涂层存在缺陷或损失，即使碳钢有部分金属暴露，电流也不会有很大增长。如果阴极和阳极之间距离很大，则电路电阻足以消除电解腐蚀。

2-7 对第2-3节动荷载的评论

a. 在作用力函数不可知的情况下，无法预测水工钢结构中的动荷载。不可预测的振动可能由机器运行和导槽缺陷、湍流和冰通过时的荷载波动引起。如果知道了作用力函数，设计可采用动力学分析。目前，因为影响荷载的许多参数不确定，无法确定荷载，因此，应特别注意结构细部结构。例如，密封支承构件应有足够硬度，防止挠曲，形成渗漏和流动引起的振动。弧形闸门支承构件和底水封布置能大大影响水流引起的振动。一些因动荷载引起振动的结构包括弧形阀门、垂直提升控制闸门、弧形闸门和人字闸门。

b. 动荷载发生时还会产生空蚀。

空蚀损坏由无法预测的动态流作用引起，产生局部极端负压力，形成表面点蚀和侵蚀。至于振动，正确的结构细节和良好的施工能防止空蚀发生。

第3章 荷载和阻力系数设计

3-1. 概述

本章意在简要介绍荷载和阻力系数设计（LRFD）法，为水工钢结构荷载和阻力系数设计提供了指导。附件B-I对不同类型水工钢结构提供了专门指导和实例。除非另有规定，用LRFD法设计的水工钢结构应遵守AISC（1986）的指导，并遵守附件B-I中参考的工程师手册。 3-2 设计基础

LRFD是一种按比例设计结构的方法，以使结构承受各种设计负载组合时不会超过极限状态。LRFD法基本安全检测可用以下公式表示 ?iQni ????Rn (2-1)

式中

?i = 使指定荷载发生变化的荷载系数 Qni = 额定（规范规定的）荷载影响 ? = 可靠性系数（见3-4节）

??= 反映特殊极限状态下电阻不确定性的阻力系

数，相对来说，反映极限状态的结果 Rn =

?iQni 为要求的强度，??Rn 为设计强度。指定结构类型的荷载系数和荷载组合见相应附件。

3-3. 强度要求

强度极限状态与安全和承载力有关（即塑性弯矩和弯曲的极限状态）。

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确定建筑物所需强度的荷载组合公式见美国土木工程师学会ASCE（1990）和美国钢结构学会AISC（1986）。专门水工钢结构的类似荷载组合见附件B-I。结构各断面的设计强度应至少等于乘上系数的荷载和作用力组合所需的强度。构件强度由乘上系数的荷载组合经结构分析进行确定。每种极限状态都要考虑。本手册允许无条件地进行弹性分析。塑性分析经CECW-ED批准方可进行，且受AISC（1986）A5.1节的限制。 3-4 水工钢结构可靠性系数

水工钢结构的LRFD法中，用AISC（1986）阻力系数乘以可靠系数?。可靠系数?应为0.9，但以下结构?应为0.85：

a. 那些位于水下，检查与维修困难，以及拆除结构会引起工程中断的水工钢结构。这种结构类型的例子包括水下的弧形闸门和直升闸门。

b.那些在碱化水或海水中的水工钢结构。 3-5. 适用性要求

适用性是一种可接受的运行状态，在工作或运行条件下，保持水工钢结构的功能、可维护性、耐用性和可操作性。工程使用年限内应保持适用性（通航和当地防洪工程使用年限50年，其它工程100年）。应检查整个结构、独立构件、联接和接头的适用性。并根据结构功能选择限制值（最大偏转、振动等）以保证结构的适用性。适用性通常用不加系数荷载检查。设计中应考虑以下极限状态： a. 使用荷载引起的构件和支撑变形不能损害水工钢结构的运行或性能。

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