淺談水工混凝土結構設計需要注意的幾個問題

王鳳群

(河南黃河勘測設計研究院，河南 鄭州450003)

作為土木工程按材料劃分的一種結構，混凝土結構由混凝土和鋼筋等材料組成，主要包括素混凝土結構、鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構。

受到地形、地質、水文、氣象等自然條件的限制，水工建筑物需要特別注意工程選址、水工結構設計、施工和工程投資等方面的問題。

1 水工混凝土的特點

與其他結構物不同，由于所處環境不同，水工混凝土結構有其突出特點。水工結構混凝土一般是在流動或靜水的作用下工作的，水的深入、沖刷、冰凍、以及侵蝕造成水工結構物的工作環境十分復雜，混凝土結構的耐久性等問題也變得極為突出。與其它結構相比，水工混凝土存在以下幾個特點：

1.1 骨料顆粒徑較大

水工混凝土不僅骨料顆粒徑大，而且所占比例還特別高，一般情況下，大體積水工混凝土最大骨料顆粒徑在150mm左右。

1.2 膠凝材料用量較少

除特殊部位之外，水工混凝土的膠凝材料用量通常較低，一般情況下小于等于200kg/m3，同時，應摻加相應的摻合料、減水劑，以改善混凝土和易性和降低水灰比，以達到減少水泥用量，降低水熱化的目的。

1.3 長期處于潮濕環境

水工結構物大多數面積長期處于水中，混凝土的拌合水很少失去，即使是通過水泥的水化作用將一部分拌合水消耗掉，外部的水依然可以通過水泥的空隙進行補充。因此，水下水工混凝土長期處于飽水狀態。

1.4 壽命要求較長

與其他建筑物不同，水工建筑物建設周期長，投資較大，運行期長。

1.5 強度等級要求

對于某些部位的混凝土，比如高速水流過水面，容易產生空蝕和泥沙磨損，要求混凝土的強度等級不得低于C40（R400）。

2 水工混凝土結構設計常見問題

2.1 高強度的鋼筋替換原設計計算滿足要求的低強度鋼筋問題

根據國家相關規定要求，不能用高強度的鋼筋替換原設計計算滿足要求的低強度鋼筋。在使用過程中需要注意以下問題：

第一，在框架結構設計中，為了保證框架的塑性鉸發生在梁內，不宜用強度高的鋼筋替換原設計中的鋼筋，當必須替換時，應按照鋼筋抗拉力設計值相等的原則進行代換；

第二，當構件受裂縫寬度或撓度控制時，代換前后應進行裂縫寬度和撓度的驗算；

第三，鋼筋代換后要滿足混凝土結構設計規范規定的間距、錨固長度、最小直徑、搭接長度等要求。

2.2 框架梁結構放大配筋量問題

為了確保結構更加安全，在框架梁配筋時放大配筋量，往往會形成超筋結構，對整體結構安全不利。

2.3 大直徑鋼筋連接采用綁扎搭接問題

普通的鋼筋不需要嚴格焊接時可以采用綁扎搭接的方法，但對大直徑鋼筋進行連接時，不宜采用這種方法。因為直徑較大的鋼筋采用綁扎連接時，會造成混凝土保護層變薄，鋼筋間距減小，在搭接鋼筋間容易產生裂縫，直徑較大鋼筋不適宜采用綁扎搭接。

2.4 裂縫寬度解決方式不滿足規范要求問題

在混凝土結構出現裂縫且裂縫寬度不滿足要求時，僅僅采取增加鋼筋用量的方法，這樣做顯然是不對的。根據規定，當裂縫寬度控制不滿足要求的時候，可采用較小直徑的帶肋鋼筋，減少鋼筋間距等方法，其中需要注意的是增加的鋼筋截面面積最好不要超過承載力計算所需縱向鋼筋截面面積的30%。如果效果不明顯可以考慮采取其他措施。

2.5 現澆箱涵洞的隔墻、邊墻與頂板和底板的鋼筋鏈接問題

《水工混凝土結構設計規范》規定：“對水池或輸水道的邊墻，其底部不屬于大體積混凝土而是一般尺寸的底板時，則其邊墻與底板交接處的受力鋼筋搭接方式應按框架頂層節點的原則處理。現澆箱型涵洞計算時可簡化為單孔或多孔的框架結構。”因此，其節點可以按照框架的梁柱節點進行處理。《水工混凝土結構設計規范》中關于框架梁柱節點也做了詳細的規定。邊墻與底板交接處按框架梁柱頂層端節點對待，隔墻則按框架梁柱頂層中間節點對待。外墻外側縱向受力鋼筋與底板底縱向受力鋼筋搭接連接，搭接長度應 ＞1.5lae；隔墻和外墻內側縱向受力鋼筋應伸至板底，其錨固長度應滿足要求。

3 水工結構設計的實踐與經驗

3.1 原材料的選擇和檢驗工作

混凝土結構主要由碎石、砂、水泥和外加劑等原材料組成。水工混凝土結構施工之時，在選用混凝土原材料前必須對其進行檢驗，只有所有指標都符合設計規范要求的材料才能使用。當材料中存在有害物質時，會影響水泥的水化反應，導致混凝土構建強度的降低。此外，混凝土攪拌施工過程中，質量監管人員需要根據現場測驗的結果對原材料配比進行合理調整。

3.2 確定混凝土現場配合比

混凝土原材料配合比發生變化會導致混凝土結構強度發生變化，這主要是由骨料砂子含水率、含泥量的變化和碎石含粉量的變化引起的。

第一，混凝土原材料配合比換算。在混凝土攪拌現場，必須根據現場實際測試的骨料的粒徑變化范圍以及砂石表明的實際含水率，將實驗配合比換算為混凝土現場施工配合比。

第二，混凝土施工配合比的調整。為了確保水利工程水工結構混凝土和易性滿足現場施工條件的要求，在確保水灰比不變的的基礎上，需要對混凝土含水率及用水量進行相關的調整。

3.3 混凝土澆筑與振搗施工

水工混凝土結構在施工前，需要科學設計施工計劃，將混凝土按照一定的面積和走向，進行分層、分段澆筑施工，而且需要避免留下明顯的施工縫。

第一，大體積的混凝土結構需要分區、分層澆筑，澆筑厚度必須控制在振搗深度范圍之內，通常分層澆筑的厚度控制在30cm之內。

第二，長條狀的混凝土結構的澆筑施工需要分段、分層進行，保證每段混凝土結構都滿足澆筑要求，通常分段澆筑長度最好控制在10-15m。

4 結語

現階段，我國水工結構設計中存在不同專業的規范混用問題，未來的研究中，將著重解決水工結構設計遇到的各種技術性難題。也只有從技術性難題方面著手，才能真正促進我國水工混凝土結構設計朝著合理有效的方向發展。

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