對水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設計關(guān)鍵問題的研究

摘 要：水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設計作為國家基礎建設中的重要組成部分，針對其特殊的功能設計，將成為水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設計功能正常實現(xiàn)的保障。筆者根據(jù)多年經(jīng)驗在文章中嘗試闡述一下對水利工程結(jié)構(gòu)設計中的關(guān)鍵問題的見解。

關(guān)鍵詞：水利工程；結(jié)構(gòu)設計；混凝土

就我國現(xiàn)階段的情況而言，大多數(shù)水利工程都以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的形式為主：就普通的水工建筑結(jié)構(gòu)而言，建筑結(jié)構(gòu)的荷載稱重和防滲功能等主要都是由混凝土結(jié)構(gòu)承擔的，由此可以看出，混凝土結(jié)構(gòu)在水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設計中時尤為重要的。本文就混凝土材料和其他新型的結(jié)構(gòu)材料進行分析。

1 水利工程建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的設計

傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)設計以強度設計為主要特點，而水利工程建筑設計中混凝土結(jié)構(gòu)的設計不僅要注重結(jié)構(gòu)強度設計，還要考慮建筑結(jié)構(gòu)在長期使用過程中，由于地下水壓和水環(huán)境作用造成的結(jié)構(gòu)腐蝕或者結(jié)構(gòu)破壞對水利工程建筑物的結(jié)構(gòu)性能和適用性的嚴重影響。為了能夠盡可能的完善水利工程建筑物的結(jié)構(gòu)設計來延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，必須要對混凝土結(jié)構(gòu)設計進行改進和優(yōu)化。水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設計應該嚴格的遵守、地區(qū)和行業(yè)標準的規(guī)定，在進行水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設計時，要為了后續(xù)工作提供可實施性，這就要求在設計的時候應該預留足夠的工作面。在這里值得一提的是，水利工程建筑物在使用的過程中，由于水下環(huán)境的影響而造成的破壞是不可避免的，設計者和施工者只能盡力的將這種遭到破壞的可能性，和可能遭到破壞的嚴重程度降到最低。因此，設計者在設計過程中選擇建筑使用材料的時候，一定要考慮到材料的抗腐蝕能力和抗老化性來確保水利工程建筑物的安全性能、穩(wěn)定性能和使用功能。

2 解析水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的特性

水利工程建筑物結(jié)構(gòu)用的混凝土是混凝土中帶有許多特殊因素的。若是將一般的混凝土結(jié)構(gòu)設計理論運用到對水利工程建筑物的結(jié)構(gòu)設計中，是存在很多無法解決的問題的。因為水利工程建筑物結(jié)構(gòu)所用的混凝土必須要求具有下面的五個特性：

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸偏大，一般都是大體積的結(jié)構(gòu)或者跨高比很小的短桿件。

2.2 為了滿足水工混凝土的強度需要，配筋率一般要小于普通混凝土結(jié)構(gòu)設計理論中規(guī)定的最小配筋率，但是所需的配筋量仍然是很大的。

2.3 由于體積越大的混凝土結(jié)構(gòu)的水泥水化熱越大，在外界溫度發(fā)生改變的時候，就不可避免的會發(fā)生溫度裂縫。所以，為了限制這些裂縫的寬度，就需要配置較多的溫度鋼筋。

2.4 結(jié)構(gòu)有一部分是全部浸沒在水中的，有的是處于承壓的狀態(tài)，而還有一部分是處于干濕交替的狀態(tài)，所以為了避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)佘樓、凍融、沖刷氣蝕等情況的發(fā)生，應該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.5 在水利工程建筑物的結(jié)構(gòu)中有不少是非桿件體系，這些體系不能進行彎、壓、拉等極限活動，所以不能按照極限強度理論進行配筋分析。為了適應水利工程建筑物結(jié)構(gòu)的這種特殊性質(zhì)，我國曾經(jīng)做過深入的探索研究，并且得到了很大的進展。

3 分析水利工程建筑物結(jié)構(gòu)的可靠度

水利工程建筑物結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一標準已經(jīng)規(guī)定了結(jié)構(gòu)設計必須采用近似概率法為基礎所建立的可靠度理論。但是在運用這一理論時，必須要充分地注意到水利工程建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的某些特性。例如：

3.1 水利工程大體積混凝土的強度和實驗室試驗時候的強度差異就比工民建的混凝土更大。其中應該就尺寸效應、持久強度和水飽和強度降低以及后期強度的增長要等因素造成的混凝土強度不定性進行研究。

水利工程中的主要荷載的測量和統(tǒng)計工作還有待遇進一步提高。例如如土壓力、圍巖壓力、滲透壓力、地基反力等這些荷載還是要用理論公式進行計算的，所以和實際測量值還是存在差異的。有些荷載還具有人工控制的特點，如有溢洪或閘門設施時的擋水壓力，就具有確定的上下限，它的分布概型就具有很大特殊性。

3.2 水工中荷載與荷載效應之間的關(guān)系常隨所采用的分析方法的不同而有根本性的差別。因此計算簡圖正確程度的不定性將嚴重影響結(jié)構(gòu)實有的可靠指標。但這種不定性目前還難于統(tǒng)計分析。

3.3 房屋建筑或橋梁工程等失事后果僅在于建筑物本身以及本身范圍內(nèi)的人身及經(jīng)濟損失。但擋水大壩等水工建筑物失事后將危及下游廣大范圍內(nèi)的村鎮(zhèn)及農(nóng)田，其損失遠大于建筑物本身。因此對這種會導致嚴重后果的結(jié)構(gòu)是不能用一個結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)并簡單地取λο=1.1就能了事的。在它的可靠指標分析中應該把造成后果的嚴重程度考慮在內(nèi)。目前，水工統(tǒng)一標準（初稿）把水工建筑物的安全等級也類似房屋建筑那樣分為三級，分別取λο=1.1，1.0，0.9。但水工中的大型建筑物如葛洲壩、劉家峽工程與一些小型渠系涵管之間，其失事后果嚴重性的差別，決不是1.0，0.9之比。我們認為水工建筑物的安全等級宜分為五級，對于擋水建筑可分屬于1，2，3個級別，對于一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件則可分屬于3，4，5三個級別。因為最重要的鋼筋混凝土構(gòu)件也無法與3級擋水閘壩相比。

4 水工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

過去，工程技術(shù)人員所關(guān)心的常常只是工程的設計和建造。但工程結(jié)構(gòu)在長期使用過程中會逐漸損壞這一客觀規(guī)律迫使人們把注意力轉(zhuǎn)向已建結(jié)構(gòu)的可靠性評估及維修加固技術(shù)方面來。人們除了關(guān)心工程的初始造價外，還應從大系統(tǒng)出發(fā)考慮工程的維護費用及遇到風險時的損失期望值。這方面的研究已成為結(jié)構(gòu)工程學科發(fā)展的重要分支。

目前，國內(nèi)不少50年代的建筑物，已進入“老年期”，對其繼續(xù)使用壽命作出鑒定和書評估，以及采取最佳的加固補救技術(shù)是十分重要的?；炷两ㄖ牟『Ρ确课萁ㄖ乐氐枚?，除混凝土碳化鋼筋誘蝕引起順筋開裂外，還有凍融、低強度風化、滲漏、沖刷氣蝕、水質(zhì)侵蝕、堿骨料反應等嚴重病害。僅“七五”期間，部屬大中型水電工程需要修補的就耗資數(shù)億元。但目前水工鋼筋混凝土設計規(guī)范中，對耐久性還只以荷載直接作用下的受力裂縫的寬度作為衡量的指標，這顯然是很不全面的。有關(guān)于水工建筑物的調(diào)查顯示：967根構(gòu)件中因鋼筋銹蝕順筋開裂（先銹后裂）的占56%，但未發(fā)現(xiàn)一根是由于受力裂縫（橫向裂縫）引起的。鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性主要決定于保護層厚度、水泥品種和訊量、水灰比、結(jié)構(gòu)類型、施工質(zhì)量、表面防護等。大體積混凝土結(jié)構(gòu)則還與混凝土強度、抗凍性、抗?jié)B性、抗腐蝕性和抗沖刷能力等有關(guān)。因此，在設計階段就應該把這些因素加入進去加以考慮，以改變設計人員只重視強度的片面觀。

綜上所述，水工結(jié)構(gòu)設計現(xiàn)在是越來越規(guī)范化、標準化、科學化。但在相關(guān)領(lǐng)域要更進一步，而如何更好地深入發(fā)展和應用仍是一項重大課題。這就需要工程設計人員、科研人員共同努力，使之趨于完善。

參考文獻

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