水利水電工程中材料特性的應(yīng)用

□黃芝蘭（江西贛禹工程建設(shè)有限公司）

水利水電工程中材料特性的應(yīng)用

□黃芝蘭（江西贛禹工程建設(shè)有限公司）

材料力學(xué)在水利水電設(shè)計(jì)、施工階段應(yīng)用廣泛，其結(jié)合相關(guān)的力學(xué)模型分析，對(duì)水利工程合理選擇材料做出了細(xì)致說(shuō)明。為有效提升水利工程的安全性和實(shí)用性，最重要的是掌握科學(xué)方法，保證水利工程在投入使用后更加持久耐用，通過(guò)相關(guān)的材料特性知識(shí)展開(kāi)具體分析，同時(shí)探討材料力學(xué)特性在水利工程中的應(yīng)用價(jià)值，具有一定的參考價(jià)值。

材料力學(xué)；水利水電工程；應(yīng)用價(jià)值

0 引言

水利工程是否安全，合理選取材料并投入建設(shè)是關(guān)鍵。材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)和理論能夠解決此類問(wèn)題，并且在建筑材料的選擇和水利工程建設(shè)方面發(fā)揮出良好的應(yīng)用價(jià)值。

1 水利水電工程中混凝土的變形情況分析

混凝土本身就是一種應(yīng)用較為廣泛的材料，特別是在現(xiàn)代水利工程的建設(shè)中，屬于應(yīng)用范圍廣、應(yīng)用量大的建筑材料。混凝土憑借著超高的強(qiáng)度和耐用性，受到了各行各業(yè)的關(guān)注，但是混凝土的劣勢(shì)也不容忽視，它缺乏優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度，在面臨溫度和濕度等不穩(wěn)定因素影響下，很容易出現(xiàn)裂縫。為此，研究混凝土的變性條件對(duì)于保障水利工程項(xiàng)目的安全性具有深遠(yuǎn)意義。

1.1 自生體積變形

如果處于恒溫或者是絕濕的條件下，膠凝材料往往會(huì)受到水化作用的影響促使混凝土的體積發(fā)生變形，從而引發(fā)自生體積變形。這種自生體積變形與水泥的使用量、品種等有著直接關(guān)系。膨脹性自生體積變形在混凝土結(jié)構(gòu)降溫的時(shí)候可以產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而發(fā)揮出相應(yīng)的補(bǔ)償作用。在宏觀角度分析，自生體積變形屬于一種均勻的變化，因此，面對(duì)內(nèi)外溫差的存在，可能無(wú)法體現(xiàn)出補(bǔ)償作用，只能對(duì)外部的約束作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)力起到補(bǔ)償價(jià)值。

1.2 干濕變形

如果混凝土逐漸失去水分，會(huì)出現(xiàn)收縮的情況，在特定情況下，如果吸收了水分，則可能出現(xiàn)膨脹狀態(tài)，使得濕度影響下的體積變化導(dǎo)致混凝土發(fā)生干濕變形。混凝土的內(nèi)部溫度狀態(tài)往往會(huì)因?yàn)榄h(huán)境溫度和導(dǎo)濕性能再次產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

1.3 自由溫度變形

在沒(méi)有任何約束條件的影響下，只通過(guò)溫度變化引起的變形稱為混凝土的自由溫度變形。如εx=εy=εz=αT，γxy= γyz=γzx=0，也就是將α視為熱膨脹系數(shù)，發(fā)現(xiàn)膨脹系數(shù)是可以直接影響到溫度應(yīng)力數(shù)值的，因此對(duì)相關(guān)的混凝土溫度應(yīng)力來(lái)說(shuō)，α就是一個(gè)非常重要的參考數(shù)值。

1.4 彈性變形和徐變

理想的彈性體在受到某種單向力的影響時(shí)，在應(yīng)力和應(yīng)變之間可能符合σ=Eε定律，在這個(gè)式子中，E就是彈性模量。當(dāng)應(yīng)力保持不變的時(shí)候，應(yīng)變也可保持不變，但是具體的情況不是如此簡(jiǎn)單。根據(jù)相關(guān)資料證明，當(dāng)應(yīng)力保持不變的時(shí)候，混凝土的應(yīng)變可以伴隨著時(shí)間的變化而發(fā)生改變，此類現(xiàn)象屬于徐變。

2 水利水電工程中建筑材料的選取和設(shè)計(jì)

水利水電工程項(xiàng)目中，根據(jù)建筑物的不同部位，選取的構(gòu)件與設(shè)計(jì)過(guò)程不同，從而更有針對(duì)性地提升建筑物強(qiáng)度與穩(wěn)定性，不同的材料和構(gòu)件可以發(fā)揮出不同的強(qiáng)度，因此在實(shí)際選取的過(guò)程中，應(yīng)該格外重視實(shí)用性。

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的選取和設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)通常是指在結(jié)構(gòu)承受到負(fù)荷作用之前，可以適當(dāng)對(duì)其施加壓力，保證在外荷作用的影響下，受到拉區(qū)混凝土從內(nèi)到外產(chǎn)生的壓應(yīng)力，通過(guò)利用此種壓應(yīng)力，合理抵消或者是適當(dāng)減小外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，確保結(jié)構(gòu)在投入使用的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，同時(shí)也能進(jìn)一步延長(zhǎng)裂縫出現(xiàn)的時(shí)間。如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 建筑構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計(jì)

材料力學(xué)著重以固體物為主要的研究對(duì)象，特別是相關(guān)構(gòu)件的研究，重視拉壓、剪切、彎曲等基本的外作用力影響下材料的力學(xué)性能。通過(guò)相關(guān)的實(shí)踐證明，各種固體材料在接受基本外作用力的時(shí)候，均能呈現(xiàn)出不一樣的力學(xué)性能。依照不同的力學(xué)性能，可以適當(dāng)?shù)剡x取符合條件的構(gòu)件材料。

2.3 材料的選擇

2.3.1 拉壓力

在選取此類構(gòu)件材料的時(shí)候，應(yīng)該格外關(guān)注構(gòu)件內(nèi)部的拉壓反向應(yīng)力，鋼材憑借著與其抗拉壓能力相近，成為最受歡迎的現(xiàn)代建筑材料。磚石本身的抗拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗壓能力，因此在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)，磚石成為炙手可熱的墻體材料。面對(duì)多種單一的材料，應(yīng)該全面分析其抗拉壓優(yōu)缺點(diǎn)，明確現(xiàn)代建筑材料的開(kāi)發(fā)主要是將不同性能的材料復(fù)合作用到一起，使復(fù)合材料體現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能，同時(shí)也展示出良好的化學(xué)與物理性能。

2.3.2 扭曲變形與剪切

構(gòu)件本身的橫截面往往會(huì)出現(xiàn)剪應(yīng)力，但是扭曲變形和剪切時(shí)出現(xiàn)的剪應(yīng)力存在著明顯差別。在受到剪應(yīng)力作用的時(shí)候，構(gòu)件斷面可能會(huì)出現(xiàn)相對(duì)的錯(cuò)動(dòng)，同時(shí)構(gòu)件局部也能受到應(yīng)壓力的作用，斷面之上的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力相對(duì)于工作中的建筑構(gòu)件，會(huì)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，減弱構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該及時(shí)避免或減少此類情況的發(fā)生。

2.3.3 材料的設(shè)計(jì)

建筑物會(huì)受到多種自然因素的影響，因此組成的構(gòu)件會(huì)發(fā)生不同程度的變形。如果發(fā)生的變形幅度較大，可能會(huì)影響建筑物的正常使用。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該注重經(jīng)濟(jì)合理的原則，從空間力學(xué)的角度上分析，應(yīng)該適當(dāng)?shù)膶⒑侠砼c經(jīng)濟(jì)結(jié)合到一起，使得構(gòu)件在發(fā)生外作用力的同時(shí)，產(chǎn)生內(nèi)部的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，利用材料力學(xué)的應(yīng)力計(jì)算方法規(guī)劃出構(gòu)件截面的尺寸參數(shù)，從而更加科學(xué)地選取截面形狀，確保實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的時(shí)，也能有效地增強(qiáng)構(gòu)件強(qiáng)度和剛度，使其更加持久耐用。

3 結(jié)語(yǔ)

伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，結(jié)合材料力學(xué)的實(shí)踐價(jià)值，水利工程的建設(shè)和投入使用，必須要在遵循安全、可靠、高性能等原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

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編輯：符蕾

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2017-03-15