水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)淺談

鐘春

摘要：本文主要通過對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理解與應(yīng)用，分享了做好設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合非桿件體系配筋設(shè)計(jì)案例探討了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：水工混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；經(jīng)驗(yàn)

混凝土結(jié)構(gòu)廣泛用于水工建筑物，例如混凝土大壩、水閘、碼頭等建筑物承載與防滲等功能主要由混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)。混凝土結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的強(qiáng)度、整體性、澆筑性、耐久性與經(jīng)濟(jì)性，使其在水工建筑中發(fā)揮著越來越重要的作用，未來前景更加廣闊。混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用離不開設(shè)計(jì)工作，何況結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既需要深厚的理論基礎(chǔ)，也需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以說是綜合性很強(qiáng)的技術(shù)工作。同時(shí)還應(yīng)看到，盡管水工混凝土結(jié)構(gòu)與其他土木建筑混凝土結(jié)構(gòu)有許多共通之處，但也有自己的特點(diǎn)，無論應(yīng)用環(huán)境還是行業(yè)特點(diǎn)都反映出一定的差異性，因此水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自有其獨(dú)特的一面。筆者有幸從事水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，在工作中積累了一定經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在拿來與大家分享，希望共同提高和進(jìn)步。

1水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的理解與應(yīng)用

1.1 前言

世界各國都非常重視規(guī)范的制定和實(shí)施，并定期進(jìn)行更新和修訂，以反映最新的研究成果和工程實(shí)踐。規(guī)范的更新和修訂，對(duì)設(shè)計(jì)人員工作影響較大，因?yàn)檫@要求設(shè)計(jì)人員必須改變已經(jīng)習(xí)慣的體系和設(shè)計(jì)方法，去適應(yīng)新的體系和調(diào)整一些方法，因而對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范正確理解與應(yīng)用就顯得極為重要了，下面就結(jié)合實(shí)例進(jìn)行分析和討論。

1.2 合理配置鋼筋，避免超筋破壞

《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）（簡(jiǎn)稱《水工08》）第13.1.5條規(guī)定“不宜以強(qiáng)度較高的鋼筋代替原設(shè)計(jì)中強(qiáng)度較低的縱向受力鋼筋”，假如有必要代換時(shí)，“應(yīng)按照鋼筋受拉承載力相等的原則進(jìn)行代換”。再有第13.2.4條規(guī)定“考慮地震作用組合的框架梁”，它的縱向受拉鋼筋配筋率“不應(yīng)大于2.5%”，但也不應(yīng)小于規(guī)定的最小配筋率。不少現(xiàn)場(chǎng)施工人員和設(shè)計(jì)人員并未真正理解和關(guān)注這些內(nèi)容，總覺得鋼筋配多一些或者用高強(qiáng)度鋼筋等量替換低強(qiáng)度鋼筋應(yīng)該更安全，卻沒有想到違反了“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)原則，也就是《水工08》條文說明第13.1.5條所說的“形成柱鉸型破壞機(jī)構(gòu)”。實(shí)際上，還有一個(gè)情況是新舊規(guī)范的“轉(zhuǎn)換”問題。與《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-96）（簡(jiǎn)稱《水工96》）相比，《水工08》更注重超筋破壞問題。在截面尺寸、荷載相同情況下兩個(gè)規(guī)范配筋原則有一些調(diào)整，以受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算公式適用條件為例，《水工96》中為 ，而在《水工08》中是 ，所以盡管配筋率后者比前者有所提高，但在最大配筋率方面卻是后者比前者減少了，文獻(xiàn)[1]總結(jié)出最大配筋率平均減少了17.7%。所以設(shè)計(jì)人員帶著舊規(guī)范的“思維慣性”進(jìn)行設(shè)計(jì)，也很容易突破新規(guī)范最大配筋率要求，這樣就無法避免超筋問題出現(xiàn)。

1.3 全面理解規(guī)范，準(zhǔn)確控制裂縫

對(duì)于水工混凝土結(jié)構(gòu)來說，裂縫控制始終是值得關(guān)注的，而在規(guī)范中也有不少相關(guān)條款，對(duì)這些條款應(yīng)仔細(xì)閱讀和全面理解。《水工08》第3.2.7條表3.2.7注2規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件“混凝土保護(hù)層厚度超過50mm時(shí)，表列裂縫寬度限值可增加0.05”，注4規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件“承受水壓且水力梯度 >20時(shí)，表列裂縫寬度限值宜減少0.05”。水工混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)常又大又厚，其保護(hù)層厚度超過50mm一點(diǎn)也不奇怪，并且還存在承受水壓且水力梯度較大的情況，這些細(xì)節(jié)規(guī)定要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)條件，但部分設(shè)計(jì)人員只關(guān)注表3.2.7中內(nèi)容而沒有仔細(xì)閱讀注解，一味按表格取值是不合適的。如果應(yīng)增加限值而沒有增加，勢(shì)必增加控制費(fèi)用；如果必須減小限值但沒有減小，則難以實(shí)現(xiàn)裂縫控制目標(biāo)。《水工08》第7.2.5規(guī)定裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果不滿足要求時(shí)，可采用“較小直徑帶肋鋼筋，減少鋼筋間距，適當(dāng)增加受拉區(qū)縱向鋼筋截面積等”措施，但是所增加的鋼筋截面面積“不宜超過承載力計(jì)算所需縱向鋼筋截面面積的30%”。假如仍無法滿足裂縫寬度驗(yàn)算要求，“可考慮采取其他工程措施”。這說明單純依靠增加鋼筋用量來滿足裂縫寬度要求是不合適的，因?yàn)槟菢硬粌H無法緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且還增加了材料費(fèi)用。防裂措施還包括局部受拉區(qū)混凝土摻加纖維；受拉區(qū)混凝土表面設(shè)置可靠防護(hù)層等。如果無法阻止裂縫出現(xiàn)時(shí)，可通過預(yù)埋隔離片等構(gòu)造措施引導(dǎo)裂縫只在預(yù)定區(qū)域出現(xiàn)，也可以采取施加預(yù)壓應(yīng)力措施。

2 非桿件體系結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)分析

2.1 前言

水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到某些形體復(fù)雜或受力條件特殊的情況，例如蝸殼結(jié)構(gòu)、弧形閘墩、大壩孔口等，它們無法按桿件體系求解截面內(nèi)力和配筋，這類結(jié)構(gòu)規(guī)范中稱為非桿件體系結(jié)構(gòu)。目前，非桿件體系配筋設(shè)計(jì)有幾種方法[2]：（1）經(jīng)驗(yàn)類比法，因?yàn)楦鞴こ烫攸c(diǎn)不盡相同，可能存在配筋不足現(xiàn)象；（2）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果承載力計(jì)算配筋，但只有牛腿、深受彎構(gòu)件、弧門支座等少量構(gòu)件可以應(yīng)用；（3）彈性應(yīng)力圖法，可以計(jì)算所有非桿系配筋量；（4）非線性有限元法，仍需要通過應(yīng)力圖法算出配筋量后再復(fù)核結(jié)構(gòu)承載力與裂縫形態(tài)。可見，應(yīng)力圖法是解決非桿件體系結(jié)構(gòu)配筋問題的基礎(chǔ)。下面結(jié)合實(shí)例談?wù)勥@種配筋設(shè)計(jì)方法。

2.2 工程概況

圖1為某水電站河床壩基深槽工程承載板[3]。其處理方法是先以鋼筋混凝土承載板洞挖置換處理深槽，再在其上澆筑壩體。挖除承載板下部沙礫石后，回填混凝土及灌漿。承載板將壩段自重傳遞到岸坡基巖之上，屬于關(guān)鍵承重結(jié)構(gòu)，同時(shí)又是大體積非桿件體系結(jié)構(gòu)，如上所述，應(yīng)采用應(yīng)力圖法進(jìn)行配筋。

2.3 疊合梁法應(yīng)力計(jì)算

承載板總厚15.5m，分5層澆筑，每層厚度分別為6、1.5、2、3、3（m）。碾壓混凝土壩分為14層，每層3m。計(jì)算時(shí)取基礎(chǔ)深度=承載板底部高程-86m，基礎(chǔ)寬度=承載板兩角各+120m，并在基礎(chǔ)底部、兩側(cè)設(shè)置法向鏈桿支座。承載板混凝土設(shè)計(jì)C25，鋼筋HRR335。計(jì)算參數(shù)：砂礫石彈性模量80MPa，泊松比0.3；承載板混凝土彈性模量 ，碾壓混凝土彈性模量 ， 為齡期；其他參數(shù)按規(guī)范規(guī)定選取。然后以疊合梁法模擬分層澆筑過程。第1層自重全由基巖承擔(dān)，本層內(nèi)不產(chǎn)生應(yīng)力。第2層澆筑后產(chǎn)生自重作用于第1層（彈模按28d計(jì)），以此類推。承載板主拉應(yīng)力等值線如圖2～3所示。

2.4 應(yīng)力圖法配筋

然后計(jì)算各剖面拉力和總應(yīng)力，并按照應(yīng)力圖法計(jì)算配筋用量為46305mm2/m，配筋效果如圖4所示。

3 結(jié)語

水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既是水利水電工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，也是保證水工建筑物質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了做好設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)全面準(zhǔn)確地理解設(shè)計(jì)規(guī)范，因?yàn)檫@是保障設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)；同時(shí)，還應(yīng)不斷學(xué)習(xí)和吸收新的知識(shí)，并在實(shí)踐中充實(shí)和提高，這樣就可以設(shè)計(jì)出更多、更好、適用的結(jié)構(gòu)體系。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張曉燕，李鳳蘭，劉許超，等. “2008版”《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》受彎構(gòu)件配筋量的差異分析[J]. 河南水利與南水北調(diào)，2011（16）：57-60.

[2] 孟影，汪基偉，冷飛. 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)力圖形法配筋計(jì)算的比較[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2014，34（2）：31-35.

[3] 何學(xué)，汪基偉，冷飛. 大體積非桿系混凝土承載板的配筋[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2013，33（1）：58-61，94.