水利工程中優(yōu)化加強混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)策略設(shè)計

劉榮釗

(無棣縣水利工程總公司，山東濱州251900)

水利工程中優(yōu)化加強混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)策略設(shè)計

劉榮釗

(無棣縣水利工程總公司，山東濱州251900)

文章根據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)材料，分析了水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，指出水工混凝土結(jié)構(gòu)的極限及水閘設(shè)計問題，并提出今后隨著工程技術(shù)的發(fā)展，會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)計中的問題，相信在未來的工程應(yīng)用中，水工將能夠為國民經(jīng)濟的發(fā)展帶來更大的作用，發(fā)揮出更大的能力。

水利工程;優(yōu)化加強;混凝土結(jié)構(gòu);水工混凝土;結(jié)構(gòu)設(shè)計;安全監(jiān)控

0 引言

水工建筑多是用于容納水及調(diào)節(jié)水的一些設(shè)施，首先要有好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能更好的完成項目施工、驗收。目前水工混凝土結(jié)構(gòu)物數(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)量勢在必行［1］。以下針對水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些問題進(jìn)行討論。

水工混凝土結(jié)構(gòu)具有一些自身的特點。①它的結(jié)構(gòu)尺寸大，跨度相對較小;②它所需要的配筋率會小于一般的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的最小值，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，會發(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，它的耐久性相對差一些［2］;⑤非桿件體系不利于進(jìn)行極限強度理論配筋分析計算。

為了解決大體積的特殊問題，我國的專家已經(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，強度無法保證，少筋混凝土理論將會失去效果［3］。

1 水工混凝土結(jié)構(gòu)材料

目前工程應(yīng)用中，水工建筑多采用的是混凝土，而混凝土結(jié)構(gòu)則是主要包括碎石、砂、水泥等原材料。所以如果想選擇使用合適的混凝土，就要首先對它進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z驗測試，當(dāng)混凝土的性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計與規(guī)范要求，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含有的有害物質(zhì)超標(biāo)，結(jié)果使混凝土的結(jié)構(gòu)強度下降，影響到骨科與水泥膠體的黏結(jié)。這個時候可以加入早強劑或是粉煤灰，來提高混凝土的流動性，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，這時需要質(zhì)量管理人員根據(jù)現(xiàn)場需求對這一配比進(jìn)行檢驗測試，符合實際要求的配比才是最適合的。對于砂子中的含水率可以采用現(xiàn)場干炒法來進(jìn)行，根據(jù)得出的含水率及時對混凝土的配合比進(jìn)行調(diào)整。

2 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(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，要將受壓破壞極限值來作為設(shè)計根據(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)計中要確定好應(yīng)力約束極限狀態(tài)，來測定混凝土的不連續(xù)點，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)計中的重要環(huán)節(jié)。水利工程中，多數(shù)結(jié)構(gòu)都是受裂縫要求控制，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)。要確定出容許裂縫的寬度，要根據(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)來進(jìn)行確定，綜合考慮。一般而言，不同的安全等級的水工建筑，耐久性指標(biāo)也會不同。

現(xiàn)代工程中，裂縫的控制適用于一些標(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的寬度是水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難點與要點。對裂縫的設(shè)定要根據(jù)鋼筋混凝土構(gòu)件的裂性評估后結(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，要注意在實際的使用中，混凝土與鋼筋的極限狀態(tài)來進(jìn)行設(shè)計。

對于重要的工程而言，由于現(xiàn)行的規(guī)范中搞裂驗算的可靠性不高，所以需要根據(jù)不同的情況進(jìn)行處理雙保證的問題幾種裂縫公式計算結(jié)果見圖1:

1)如M≤Mcr，則不必再進(jìn)行限裂驗算。

2)如Mcr＜ M≤ Mcrk，則要求wcrk≤［wcr］。

3)如Mk＜ Mcrk，則要求wcrk≤［wcr］。

以上不帶K的為設(shè)計值，wcr為抗裂彎矩。

2.3 以水閘為例的伸縮縫預(yù)留

水閘結(jié)構(gòu)相對簡單，一般由水工結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)兩部分組成。首先關(guān)于閘板的伸縮性設(shè)計，水閘的結(jié)構(gòu)分為上產(chǎn)的機房與橋頭，在水閘設(shè)計規(guī)范中，對分段的長度有著一定的要求，土基的分估長度約30 m。

當(dāng)建筑物較長時，為了因為氣溫原因?qū)е碌牧芽p，需要在以下2種情況中使用:

1)建筑物長期不符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。建筑結(jié)構(gòu)類型發(fā)生了較大變化。

2)建筑平面豐富復(fù)雜。

從整體上看，下部的結(jié)構(gòu)主要是為了上部的結(jié)構(gòu)的可靠性，伸縮縫可以在下部與上部同時設(shè)置，當(dāng)上部的結(jié)構(gòu)長度不符合要求時，上部構(gòu)件完全可以整體結(jié)構(gòu)。

圖1 幾種裂縫公式計算結(jié)果

3 水閘設(shè)計問題

水閘工程設(shè)計在水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中也是非常重要的環(huán)節(jié)。在水利工程應(yīng)用中，水閘使用多，它的排水與止水都將決定著水工建筑的使用壽命。所以要對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。

3.1 消力池排水孔設(shè)計

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，會流入到消力池的底板上，將會在陡坡的末端與底板的交接處形成收縮水深，這時的動能與流速都會很大，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，受到低壓強與高流速的影響，有可能會從孔中吸出，長久下去，將會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。

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。同時為了避免側(cè)墻滲露，增強抗沖的能力，可以在進(jìn)口側(cè)墻的位置同時設(shè)置有排水孔。讓上游的水直接通過孔滲到墻的后面。

3.3 止水伸縮縫

對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，止水伸縮縫會因為材料、設(shè)計的原因出現(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)場施工過程中，要對水泥渣、油漬進(jìn)行清理干凈，否則將會導(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，同時注意要在工作面外進(jìn)行。為了避免止水片上出現(xiàn)針孔等問題導(dǎo)致止水縫發(fā)生滲漏的問題，在安裝時，要確保它的性能、規(guī)格滿足設(shè)計要求。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，要保證焊接質(zhì)量。如果因為混凝土的振搗導(dǎo)致的混凝土澆筑不良，會對工程產(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。由于混凝土有著良好的和易性，來保證與振搗密實相符合。止水伸縮縫滲漏以預(yù)防為主要，規(guī)范操作。

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。首先規(guī)范中對截面尺寸由強度條件決定的結(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);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;只按受力性態(tài)來確定出ρmin，使板和梁、墻和柱采用了同一值。有一些理論中提出，不采用Mcr=Mu的原則和固定的ρmin值，而是采用一個隨設(shè)計與截面極限內(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 溫濕度計算

溫濕度計算具有明顯的水工特色。在現(xiàn)代不少水工中，都會有溫度裂縫的出現(xiàn)，但目前的規(guī)范中并沒有相關(guān)具體規(guī)定，對于大體積的混凝土溫度計算要的問題是溫度場計算、應(yīng)力計算，混凝土抗裂性驗算與當(dāng)不滿足抗裂時，配筋以及限制裂縫寬度。

對于溫度場與應(yīng)力的計算可以采用有限元、差分法進(jìn)行求解，在應(yīng)力計算時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試驗數(shù)據(jù)，在優(yōu)化后，已經(jīng)提出適合于不同工程的徐變計算公式，并在不同的配比下，松馳系數(shù)的實用表格，通過對計算值與試驗值進(jìn)行比較，二者的誤差在10%以內(nèi)。混凝土的松馳系數(shù)見表1。

表1 混凝土的松馳系數(shù)表

6 安全監(jiān)控

施工后，要對大型、重要的水工建筑進(jìn)行監(jiān)控，水工建筑在發(fā)生破壞時，提前會有一定的征兆，所以需要在平時的監(jiān)測過程中，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次分析，準(zhǔn)確判定狀態(tài)。對于發(fā)現(xiàn)的問題需要及時解決，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、監(jiān)控分析與工作狀態(tài)評估。采用安全監(jiān)控，對水工建筑的使用狀態(tài)以及評估有著重要的現(xiàn)實意義。

7 結(jié)語

現(xiàn)代施工中，水利工程占比越來越多，加強水工建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常有必要性，它的質(zhì)量影響到整個工程的質(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，提高安全性、耐久性，選擇合適的混凝土原料，加強止水閘與裂縫的防范設(shè)計，提出安全監(jiān)測，對于工程的使用都有重要的意義。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，會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)計中的問題，相信在未來的工程應(yīng)用中，水工將能夠為國民經(jīng)濟的發(fā)展帶來更大的作用，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比分析［J］. 人民黃河，2011，33(03):93-95.

［2］賈明川.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計若干問題探討［J］.內(nèi)蒙古水利，2012(04):15-16.

［3］危朝揚.水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題探討［J］.河南建材，2013(03):121-122.

TU375

B

1007-7596(2014)07-0140-03

2013-10-11

劉榮釗(1973-)，男，山東無棣人，工程師。