水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題與對(duì)策分析

代玉華

(喀左縣農(nóng)村人畜飲水辦公室，遼寧 喀左 122300)

水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成本、安全、進(jìn)度、質(zhì)量等預(yù)期目標(biāo)的關(guān)鍵，在很大程度上決定著工程的整體質(zhì)量狀況，一般涉及建筑、機(jī)電、水利等多個(gè)專業(yè)[1]。然而，水工結(jié)構(gòu)尚存在一些問(wèn)題，如適用性差、耐久性低等，對(duì)水利工程的正常運(yùn)行造成不利影響，必須采取有效的措施提升其質(zhì)量。一般地，水工混凝土結(jié)構(gòu)具有體積大、跨度較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、配筋率低、所需鋼筋數(shù)量多等特點(diǎn)[2]。水化過(guò)程中會(huì)釋放巨大的熱量，當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些溫度裂縫，對(duì)此要適當(dāng)增加溫度鋼筋的配置；部分結(jié)構(gòu)處于承壓狀態(tài)或完全進(jìn)入水中，對(duì)結(jié)構(gòu)抗凍性和耐久性要求較高；水工結(jié)構(gòu)作為一種非杠桿體系，在配筋計(jì)算和極限強(qiáng)度分析時(shí)涉及參數(shù)多，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。關(guān)于水工混凝土結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者利用有限元分析法開(kāi)展了深入研究，但仍無(wú)法準(zhǔn)確描述載荷效應(yīng)、溫度作用等不確定因素，混凝土開(kāi)裂后無(wú)法保證強(qiáng)度，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)少筋混凝土理論不再適用[3-4]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1 原材料檢驗(yàn)

水工混凝土主要包括水泥、砂、碎石、外加劑等原材料，為保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量必須先檢測(cè)原材料性能，在確保各項(xiàng)參數(shù)符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求時(shí)才能投入使用。粗細(xì)骨料中有害物質(zhì)的存在使得水泥水化時(shí)膠體與骨料的黏結(jié)較差，降低混凝土強(qiáng)度，為減少水化熱以及提高混凝土的流動(dòng)性大多摻入粉煤灰或早強(qiáng)劑。

此外，配合比設(shè)計(jì)是混凝土配置的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求由專業(yè)技術(shù)人員調(diào)試配合比，最終確定符合使用要求的原材料配比。實(shí)際工程中，一般利用現(xiàn)場(chǎng)干炒法測(cè)試砂子的含水率，并對(duì)混凝土配合比按照測(cè)定的含水率做適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整。

1.2 極限承載力

水工混凝土極限承載力是指結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形無(wú)法繼續(xù)承載或超出材料強(qiáng)度的最大承載力，一般以受壓破壞極限值作為擋水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)，結(jié)構(gòu)所承受的最大壓應(yīng)力要低于設(shè)定的應(yīng)力現(xiàn)值。因此，為有效控制水工混凝土裂縫，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，從而更加精準(zhǔn)的判斷其極限應(yīng)力狀態(tài)。

1.3 裂縫控制

水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)裂縫控制有明確的要求，為防止裂縫的出現(xiàn)必須保證結(jié)構(gòu)的整體承載力，綜合考慮水壓力、荷載性質(zhì)、地下水位等因素變化，合理確定容許裂縫寬度。一般地，安全級(jí)別不同的水工結(jié)構(gòu)其裂縫控制指標(biāo)也不同。

裂縫控制通常適用于現(xiàn)代工程中的標(biāo)準(zhǔn)彎拉構(gòu)件，而大多數(shù)水工結(jié)構(gòu)都屬非常規(guī)構(gòu)件，因此水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和難點(diǎn)是對(duì)裂縫寬度的合理控制。通過(guò)評(píng)估構(gòu)件的裂性，科學(xué)地設(shè)定裂縫，并結(jié)合斷面作用力變化所引起的裂縫開(kāi)度合理設(shè)定控制標(biāo)準(zhǔn)。裂縫控制時(shí)要注重鋼筋與混凝土極限狀態(tài)的合理設(shè)計(jì)。

現(xiàn)行規(guī)范對(duì)重要工程裂縫驗(yàn)算的有關(guān)規(guī)定較少，因此要結(jié)合實(shí)際情況采取針對(duì)性的處理措施，具體如下：(1)M≤Mcr條件下，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以不實(shí)行限裂驗(yàn)算；(2)M>Mcr且M≤Mcrk條件下，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合Mcrk≤[Mcrk]要求；(3)Mk≤Mcrk條件下，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合Mcrk≤[Mcrk]要求，其中Mcr、Mcrk、[Mcrk]為抗裂彎曲、抗裂彎矩設(shè)計(jì)值和允許抗裂彎矩。

2 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題

2.1 高強(qiáng)度鋼筋的替換問(wèn)題

水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范提出，為保證框架塑性鉸出現(xiàn)在梁內(nèi)，不應(yīng)該用高強(qiáng)度鋼筋替代原設(shè)計(jì)材料，若特殊條件下需要替代時(shí)，為了不影響其正常使用必須遵循拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值等效替換原則。此外，裂縫寬度對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生較大影響時(shí)，還要對(duì)替代鋼筋實(shí)行精準(zhǔn)計(jì)算，確保其滿足搭接長(zhǎng)度、最小直徑、錨固長(zhǎng)度、設(shè)計(jì)間距等要求，從設(shè)計(jì)上滿足工程結(jié)構(gòu)要求。因此，雖然在質(zhì)量、力學(xué)性能方面高強(qiáng)度鋼筋較優(yōu)，但應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況考慮其是否滿足使用要求。

2.2 大直徑鋼筋的使用問(wèn)題

有的部位受到結(jié)構(gòu)形式限制而必須使用大直徑鋼筋，與普通材料不同的是單獨(dú)使用大直徑鋼筋難以充分發(fā)揮其效應(yīng)，因此必須利用一定的方法使其相互連接。然而，混凝土保護(hù)層在連接處較薄，這對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性造成不利影響。此外，大直徑鋼筋會(huì)降低相鄰鋼筋的間距，導(dǎo)致混凝土振搗不密實(shí)，搭接處極易出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而加速鋼筋的銹蝕和混凝土開(kāi)裂脫落等。因此，對(duì)大直徑鋼筋的使用要求較高，連接時(shí)通常選用對(duì)焊的方式，一般不用綁扎連接，若搭接不當(dāng)會(huì)增大施工難度，建成后再處理搭接問(wèn)題還會(huì)造成人力物力財(cái)力的極大浪費(fèi)，處理不好甚至還會(huì)帶來(lái)安全隱患。

2.3 裂縫處理問(wèn)題

一般地，對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的水工混凝土結(jié)構(gòu)，若僅僅增加鋼筋用量并不能解決徹底裂縫問(wèn)題，必須處理好結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況。結(jié)合相關(guān)規(guī)定，可利用直徑較小的帶肋鋼筋縮小相互之間的間距，從而解決裂縫寬度超控制問(wèn)題，提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)度和整體承載力。其中，以承載力計(jì)算所需縱向鋼筋面積的30%作為鋼筋截面面積增加的界限，若按以上要求處理后仍無(wú)法有效控制裂縫寬度，可以靈活應(yīng)用其他措施加以彌補(bǔ)，綜合考慮各種因素合理采用多種手段處理裂縫問(wèn)題，提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性。

2.4 高標(biāo)號(hào)抗磨砼使用問(wèn)題

水工混凝土主要有沖砂閘底板、泄洪、溢流壩面等過(guò)流面，受高速水流磨蝕、沖刷作用有壓泄洪隧洞等結(jié)構(gòu)往往出現(xiàn)鋼筋外露、砼面磨損甚至斷裂或沖坑等問(wèn)題，對(duì)水工結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有效提高砼抗磨能力的有效手段有適當(dāng)添加外加劑、加強(qiáng)澆筑工藝控制、提高粗細(xì)骨料抗壓強(qiáng)度和砼標(biāo)號(hào)等，水工混凝土交付使用時(shí)要有較好的韌性、較小的收縮量和和足夠的強(qiáng)度。

3 水工混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制

3.1 嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范

針對(duì)以強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主的傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，更要注重長(zhǎng)期使用過(guò)程中水工結(jié)構(gòu)受水下環(huán)境作用而引起的材料腐蝕，以及結(jié)構(gòu)適用性和耐久性的影響，采取合理的設(shè)計(jì)方法最大程度的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用年限。

水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行的地方標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范及國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)，全面考慮正常使用階段水工結(jié)構(gòu)的維護(hù)管理和相關(guān)檢測(cè)要求，在水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留足夠的工作面，為后續(xù)運(yùn)行維護(hù)和檢測(cè)提供可實(shí)時(shí)性。然而，使用過(guò)程中水工混凝土不可避免的還會(huì)遭受各種病害，應(yīng)最大程度地降低各種不利因素的影響。所以，在水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮材料受老化、環(huán)境侵蝕等因素的影響，即遭受病害后仍要保證水工構(gòu)件或結(jié)構(gòu)具有足夠的安全穩(wěn)定性。

3.2 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)變形控制

水工混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在裂縫質(zhì)量問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)變形控制，具體措施如下：(1)科學(xué)合理地設(shè)計(jì)水工結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在確保結(jié)構(gòu)整體性的情況下合理設(shè)置變形縫；結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析時(shí)要開(kāi)展斷面設(shè)計(jì)驗(yàn)算，如施工維修、超載、應(yīng)力情況和正常使用階段的抗裂驗(yàn)算等。(2)加強(qiáng)半成品、原材料的質(zhì)量控制，在保證所用水泥安定性符合要求的同時(shí)，選用級(jí)配良好、含石粉或泥土比例在允許范圍內(nèi)的砂、石；通過(guò)試配試驗(yàn)確定混凝土配合比，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、換算，水泥產(chǎn)品的水化熱要符合施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度變化要求。(3)強(qiáng)化施工管理，準(zhǔn)確控制原材料配合比，配制過(guò)程中要拌和均勻、攪拌充分；大體積水工混凝土要應(yīng)按照順序分層、分段、分區(qū)澆筑施工，澆筑速度、振搗方式、澆筑方法要科學(xué)合理，保證混凝土充分振搗密實(shí)以及模板與插入式振搗器的最小間距，防止因模板過(guò)度變形而引起漏漿漏水的情況，完成澆筑后要及時(shí)養(yǎng)護(hù)。(4)施工過(guò)程中，要注意環(huán)境濕度劇烈變化對(duì)水工混凝土造成的影響，防止出現(xiàn)較大地基變形引起的沉陷裂縫。

3.3 混凝土冬季施工控制

若混凝土冬季施工時(shí)的環(huán)境氣溫不低于0℃，常規(guī)保溫即可；若混凝土澆筑過(guò)程中的環(huán)境溫度最低低于-5℃，應(yīng)采取相應(yīng)的早期防凍措施。(1)合理應(yīng)用防凍劑：能夠明顯降低拌合水冰點(diǎn)，有利于控制混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)早期和塑性狀態(tài)的分水結(jié)冰膨脹，防止出現(xiàn)混凝土凍傷，一般條件下防凍劑對(duì)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不會(huì)造成危害。(2)保溫處理：混凝土冬季澆筑時(shí)盡量選用具有一定保溫作用、密封性能較好的木板和膠合板等模板，在構(gòu)件或結(jié)構(gòu)表面再用泡沫保溫板或草簾等保溫材料覆蓋，從而加速混凝土強(qiáng)度的提升。冬季施工時(shí)，混凝土易選用普通型或早強(qiáng)型硅酸鹽水泥。

3.4 合理設(shè)計(jì)抗磨蝕方案

不同的水工建筑物運(yùn)行方式，其選擇的抗沖磨設(shè)計(jì)方案和標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。一般地，可以減少間歇性運(yùn)行結(jié)構(gòu)的壁面抗磨蝕材料厚度，這是由于足夠的檢修時(shí)間可以適當(dāng)降低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而節(jié)約投資成本。

對(duì)于流速較大、費(fèi)用占比較高、結(jié)構(gòu)相對(duì)重要的水工建筑物，采用水彈性模型試驗(yàn)研究水流脈動(dòng)壁壓作用，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下水工結(jié)構(gòu)共振的有效控制，從根本上解決流激振動(dòng)所引起的破壞問(wèn)題。此外，改進(jìn)邊界的輪廓形態(tài)為防止過(guò)流邊壁發(fā)生沖磨最有效的措施?？紤]到水頭的影響作用，在水力計(jì)算和選擇建筑物形式時(shí)要考慮動(dòng)水壓強(qiáng)沿程分布情況，通過(guò)限制測(cè)壓管水頭絕對(duì)值和負(fù)壓范圍實(shí)現(xiàn)水流空化數(shù)過(guò)小的間接控制。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，水利工程建設(shè)數(shù)量不斷增多，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證工程建設(shè)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。然而，由于現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范和工程技術(shù)體系還不夠完善，實(shí)際工程中還存在一些問(wèn)題，為提高水工結(jié)構(gòu)耐久性、安全性，必須綜合考慮各種不利因素，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)變形和混凝土冬季施工控制，合理設(shè)計(jì)抗沖磨方案等解決對(duì)策。隨著科技的不斷發(fā)展，還會(huì)有更多的途徑和方法解決水工混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)存問(wèn)題，未來(lái)也將有更多的新型技術(shù)用于實(shí)際工程，為促進(jìn)水利事業(yè)發(fā)展和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮更大的作用。