水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題探討

鄒戰(zhàn)軍

(杭州開瑞建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，杭州 310015)

水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題探討

鄒戰(zhàn)軍

(杭州開瑞建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，杭州 310015)

水工混凝土結(jié)構(gòu)主要用于保護(hù)水利設(shè)施，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到使用安全。現(xiàn)代水工混凝土結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量正在不斷增多，在設(shè)計(jì)階段面臨著一些問題。文章結(jié)合水工混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、材料以及裂縫、止水閘等相關(guān)的問題進(jìn)行探討，并針對(duì)這些問題提出一定的解決方案，通過監(jiān)控達(dá)到有效提高水工混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的。

水工混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；裂縫控制；安全監(jiān)控

0 引 言

水工建筑多是用于容納水的一些設(shè)施，首先要有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能完成施工驗(yàn)收。由于水工建筑物都是由專業(yè)的水利、土木工程師來設(shè)計(jì)，所以它的結(jié)果還是相對(duì)穩(wěn)定的。

目前水工混凝土結(jié)構(gòu)的建筑數(shù)量需求越來越多，但在某些方面存在著一些矛盾。

在水工混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段還存在著一定的問題，比如耐久性差、適用性不佳等問題，這些問題的存在嚴(yán)重影響到了生產(chǎn)的正常進(jìn)行，因此提高質(zhì)量勢(shì)在必行。

以下針對(duì)水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些問題進(jìn)行討論。

水工混凝土結(jié)構(gòu)具有以下5個(gè)特點(diǎn)：

1)結(jié)構(gòu)尺寸大，跨度相對(duì)較小。

2)需要的配筋率會(huì)小于一般的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的最小值，不過數(shù)量仍然很大。

3)由于大體積的混凝土結(jié)構(gòu)水泥水化熱大，當(dāng)外界有溫度變化時(shí)，會(huì)發(fā)生一些溫度裂縫，需要配置較多的溫度鋼筋。

4)有的結(jié)構(gòu)需要完全浸入水中，或者處于承壓的狀態(tài)，甚至凍融等，它的耐久性相對(duì)差一些。

5)非桿件體系不利于進(jìn)行極限強(qiáng)度理論配筋分析計(jì)算。

為了解決大體積的特殊問題，我國(guó)專家已經(jīng)做過此方面的研究，比如有限元分析等。水工結(jié)構(gòu)有很多目前仍然無法計(jì)算出的因素，所以溫度作用、載荷效應(yīng)不準(zhǔn)確等因素影響到工程的質(zhì)量?；炷灵_裂后，強(qiáng)度無法保證，少筋混凝土理論將會(huì)失去效果。

1 水工混凝土結(jié)構(gòu)材料

目前工程應(yīng)用中，水工建筑物多采用的是混凝土，而混凝土結(jié)構(gòu)的原材料主要包括碎石、砂、水泥等。所以若想使用合適的混凝土，首先要對(duì)它進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)混凝土的性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求時(shí)才能使用，從而保證了水工混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

水泥的水化反應(yīng)主要是由于碎石灰中有害物質(zhì)超標(biāo)，使混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，影響到骨科與水泥膠體的黏結(jié)。這個(gè)時(shí)候可以加入早強(qiáng)劑或是粉煤灰，來提高混凝土的流動(dòng)性，從而減少水化熱。

在混凝土的攪拌過程中，原材料的配比非常重要，這時(shí)需要質(zhì)量管理人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求對(duì)這一比例進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試，符合實(shí)際要求的配比才是最適合的。對(duì)于砂子中的含水率可以采用現(xiàn)場(chǎng)干炒法來進(jìn)行，根據(jù)得出的含水率及時(shí)對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行調(diào)整[1]。

2 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.1 水工混凝土結(jié)構(gòu)極限

水工混凝土的結(jié)構(gòu)極限可以分為承載能力與正常使用兩種極限狀態(tài)。水工混凝土的承載力極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度超過了破壞的最大承載力，或由于變形嚴(yán)重而導(dǎo)致的不能繼續(xù)承載。在使用水工建筑作為擋水結(jié)構(gòu)時(shí)，要將受壓破壞極限值來作為設(shè)計(jì)根據(jù)。設(shè)定最低的應(yīng)力限值，使最大的拉力要低于此值。所以在水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要確定好應(yīng)力約束極限狀態(tài)，來測(cè)定混凝土的不連續(xù)點(diǎn)，減少裂縫的產(chǎn)生。

2.2 裂縫的控制

裂縫控制是水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。水利工程中，多數(shù)結(jié)構(gòu)都是有裂縫控制要求，而不只是承載力的控制。要通過一些辦法來減少裂縫的出現(xiàn)，確定容許裂縫的寬度，根據(jù)當(dāng)?shù)氐某睗癍h(huán)境、荷載性質(zhì)以及水壓力的變化等參數(shù)綜合考慮來進(jìn)行確定。一般而言，不同安全等級(jí)的水工建筑，耐久性指標(biāo)也會(huì)不同[2]。

現(xiàn)代工程中，裂縫控制適用于一些標(biāo)準(zhǔn)彎拉構(gòu)件上，在水工建筑結(jié)構(gòu)中多數(shù)使用的是非常規(guī)的桿件，所以如何控制好裂縫寬度是水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)與要點(diǎn)。對(duì)裂縫的設(shè)定要根據(jù)鋼筋混凝土構(gòu)件的裂性評(píng)估后下結(jié)論，根據(jù)斷面的作用力變形情況所導(dǎo)致的裂紋開度制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。另外要注意，在實(shí)際的使用中，根據(jù)混凝土與鋼筋的極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。如圖1所示。

圖1 幾種裂縫公式計(jì)算結(jié)果

對(duì)于重要的工程而言，由于現(xiàn)行的規(guī)范中裂縫驗(yàn)算的可靠性不高，所以需要根據(jù)不同的情況進(jìn)行處理：

1)如M≤Mcr，則不必再進(jìn)行限裂驗(yàn)算。

2)如M>Mcr，而M≤Mcrk，則要求Wcrk≤[Wcr]。

3)如Mk

以上不帶K的為設(shè)計(jì)值，Wcr為抗裂彎矩。

3 水閘設(shè)計(jì)問題

水閘工程設(shè)計(jì)在水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也是非常重要的環(huán)節(jié)。在水利工程應(yīng)用中，水閘使用較多，它的排水與止水都將決定著水工建筑的使用壽命。所以有比要對(duì)水工建筑的消力池排水孔、側(cè)墻排水孔以及止水伸縮縫等問題進(jìn)行細(xì)致研究[4]。

3.1 消力池排水孔設(shè)計(jì)

消力池底部的排水孔關(guān)系到水閘排水的問題。在水平護(hù)擔(dān)的后半部設(shè)定排水孔的目的是將底部的滲透壓力降低一定程度，排水孔下方應(yīng)該鋪設(shè)濾層。水流在流出閘后，會(huì)流入到消力池的底板上，將會(huì)在陡坡的末端與底板的交接處形成收縮水深，這時(shí)的動(dòng)能與流速都會(huì)很大，如果在這樣的位置設(shè)置排水孔，通過細(xì)粒結(jié)構(gòu)在底部的作用，受到低壓強(qiáng)與高流速的影響，有可能會(huì)從孔中吸出，長(zhǎng)久下去，將會(huì)把底板底部完全掏空。

所以為了讓底板下面的水量可以從垂直排水孔中排出，應(yīng)該在后半段設(shè)置垂直排水孔，從而減少滲透壓力作用。

經(jīng)過對(duì)MAN B&W 6S35ME-B9型船用二沖程低速柴油機(jī)特征參數(shù)的采集分析和故障的診斷和排除，得出以下結(jié)論。

3.2 側(cè)墻排水孔

為了排出滲水，要在單向的水流閘口下游的側(cè)墻與護(hù)坡上設(shè)置排水孔，并配有反濾層。同時(shí)為了避免側(cè)墻滲露，增強(qiáng)抗沖的能力，可以在進(jìn)口側(cè)墻的位置同時(shí)設(shè)置有排水孔。讓上游的水直接通過孔滲到墻的后面[5]。

3.3 止水伸縮縫

對(duì)于多空間的閘室底板需要沿著垂直水流的方向分段，設(shè)置沿水流方面的永久縫，這些是為了避免混凝土的干縮、地基沉降以及溫度引起的裂縫等對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)的影響。

在水利建筑水閘工程中，止水伸縮縫會(huì)因?yàn)椴牧稀⒃O(shè)計(jì)的原因出現(xiàn)滲漏的問題，這大多數(shù)是由于施工引起的問題。所以在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，要對(duì)水泥渣、油漬進(jìn)行清理干凈，否則將會(huì)導(dǎo)致與混凝土的結(jié)合達(dá)不到要求，出現(xiàn)滲漏的問題。所以要將模板上的脫模劑安排在模板安全的前面，同時(shí)注意要在庫(kù)外進(jìn)行。

為了避免水片上出現(xiàn)針孔等問題導(dǎo)致止水縫發(fā)生滲漏的問題，在施工時(shí)，要確保它的性能、規(guī)格滿足設(shè)計(jì)要求。除此之外，需要注意的是止水縫如果采用與母材相似的材料進(jìn)行焊接時(shí)，要保證焊接質(zhì)量。

如果因?yàn)榛炷恋恼駬v導(dǎo)致的混凝土澆筑不良，會(huì)對(duì)工程產(chǎn)生影響，所以需要謹(jǐn)慎進(jìn)行振搗，操作人員要具有一定的經(jīng)驗(yàn)。由于混凝土有著良好和和易性，來保證與振搗密實(shí)相符合。止水伸縮縫滲漏要以預(yù)防為主，按要求操作。

4 最小配筋率

最小配筋率同樣是水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一大主要問題。水工中結(jié)構(gòu)多采用最小配筋率來決定用鋼量。

目前的水工規(guī)范中最小配筋率ρmin不盡理想：①規(guī)范中對(duì)截面尺寸由強(qiáng)度條件決定的結(jié)構(gòu)，采用了不同的準(zhǔn)則，但沒有判定出具體的標(biāo)準(zhǔn)。②采用這種配筋率，構(gòu)件尺寸越大，配筋越多，這種情況非常不合理。③只按受力形態(tài)來確定出ρmin，使板和梁與墻與柱采用了同一值。有一些理論中提出，不采用Mcr=Mu的原則和固定的ρmin值，而是采用一個(gè)隨設(shè)計(jì)與截面極限內(nèi)力之比而不斷發(fā)生變化的最小配筋率。這一理論有可能會(huì)使最小配筋的問題順利得到解決，而不再使用少筋混凝土理論。

5 溫濕度計(jì)算

溫濕度計(jì)算具有明顯的水工特色。在現(xiàn)代不少水工中，都會(huì)有溫度裂縫的出現(xiàn)，但目前的規(guī)范中并沒有相關(guān)具體規(guī)定，對(duì)于大體積的混凝土溫度計(jì)算主要是溫度場(chǎng)計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算，混凝土抗裂性驗(yàn)算與當(dāng)不滿足抗裂時(shí)，配筋以及限制裂縫寬度。

對(duì)于溫度場(chǎng)與應(yīng)力的計(jì)算可以采用有限元、差分法進(jìn)行求解，在應(yīng)力計(jì)算時(shí)需要加入由于混凝土徐變而引起的應(yīng)力松馳。在目前的規(guī)范中將彈性溫度應(yīng)力一般折減35%，稍顯粗略。水工專家綜合了多組大型水工混凝土的徐變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，在優(yōu)化后，已經(jīng)提出適合于不同工程的徐變計(jì)算公式，并在不同的配比下，松馳系數(shù)的實(shí)用表格，通過對(duì)計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，二者的誤差在10%以內(nèi)[6]，如表1所示。

6 安全監(jiān)控

施工后，要對(duì)大型、重要的水工建筑進(jìn)行監(jiān)控，水工建筑在發(fā)生破壞時(shí)，提前會(huì)有一定的征兆，所以需要在平時(shí)的監(jiān)測(cè)過程中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次分析，準(zhǔn)確判定狀態(tài)。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的問題需要及時(shí)解決，避免小問題成為大問題。水工建筑的監(jiān)控可以分為原型觀測(cè)、監(jiān)控分析與工作狀態(tài)評(píng)估。采用安全監(jiān)控，對(duì)水工建筑的使用狀態(tài)以及評(píng)估有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表1 混凝土的松馳系數(shù)表

7 結(jié) 語

現(xiàn)代施工中，水利工程比重越來越大，加強(qiáng)水工建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常有必要，它的質(zhì)量影響到整個(gè)工程的質(zhì)量。由于該技術(shù)發(fā)展還不夠完善，所以還面臨著一些問題，只有把這些問題進(jìn)行處理，綜合考慮，才能提高安全性、耐久性。選擇合適的混凝土原料，加強(qiáng)止水閘與裂縫的防范設(shè)計(jì)，提出安全監(jiān)測(cè)，對(duì)于工程的使用都非常重要。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有更多的方法與途徑可以解決目前在水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題，相信在未來的工程應(yīng)用中，水利工程將能夠?yàn)閲?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來更大的效益，發(fā)揮出更大的能力。

[1]王建偉.不同規(guī)范的鋼筋混凝土梁鋼筋用量對(duì)比分析[J].人民黃河,2011，33(03)：93.

[2]賈明川.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題探討[J].內(nèi)蒙古水利,2012(04)：15.

[3]馬磊磊.基于光纖光柵傳感的水工混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué),2012.

[4]危朝揚(yáng).水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題探討[J].河南：河南建材,2013(03)：121.

[5]安新正.腐蝕環(huán)境下再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2012.

[6]武海榮.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性環(huán)境區(qū)劃與耐久性設(shè)計(jì)方法[D].杭州：浙江大學(xué),2012.

1007-7596(2014)03-0122-03

2013-08-27

鄒戰(zhàn)軍(1982-)，男，四川金堂人，助理工程師，從事水利水電工程及水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TV33

B