水工建筑混凝土結構設計要點分析

徐 明 楊 超

1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 陜西 西安710065 2.中國葛洲壩集團第三工程有限公司 陜西 西安 710077

水工建筑的建設目的在于完成發電、防洪以及灌溉等任務,有著數量眾多的種類,可以劃分成泄水、取水、擋水、輸水建筑物,主要是將混凝土和鋼筋混凝土作為建筑材料。由于水工建筑物有著較為復雜的工作環境,一般是修建在大江大河內,科學調控周圍既有的水資源,以此來實現抗旱、防洪這一目的。還有數量眾多的水庫大壩具備發電這一職能,如若因為某些因素而產生一系列的運轉安全事故,就會造成較為嚴重的后果,因此對其進行科學混凝土結構設計就顯得尤為重要。在進行設計的過程之中,應當根據現行各類規范的基本要求來選擇合理的設計方式以及計算軟件,以此來保障設計結果具備更高的精確性以及可靠性。當前關于水工建筑的設計規范主要包含了《水工混凝土結構設計規范》(SL 191-2008)和《水工建筑物荷載設計規范》(DL 5077-1997)等。

一、水工建筑混凝土結構設計方式

在建筑行業不斷發展的背景之下,我國水工混凝土結構設計手段也逐漸趨于成熟,由最初的定值設計逐步轉變為了定量分析,這也讓結構設計有著更高的可靠性以及精確性。目前常用的水工建筑混凝土結構設計方式主要有以下幾種:

(1)允許應力設計法

這一方法是一種最為傳統的分析方法,主要是把材料設定成均值彈性體,利用荷載下界面的最大應力來設置出低于材料允許的應力大小。一般而言允許應力的計算公式是材料強度的平均值除以安全系數K。由于水工混凝土結構并不屬于彈性材料的范疇,導致通過這一方法進行計算時有著相應的誤差,并且在選取安全系數K的具體數值時主要使用了經驗法進行界定,很容易讓計算結果和實際結果產生較大的偏離。

(2)破損階段設計法

這一設計方式主要考慮到了鋼筋混凝土的彈塑性性能,在該設計下要求結構最大內力必須要低于結構承載能力,具體公式是M≤Mμ/k,其中M主要指的是截面內力,Mμ則是指的是截面極限彎矩,K表示安全系數。從上述公式能夠得知,針對K安全系數的取值仍然依賴于人文經驗,是一種較為典型的定值設計方式,與傳統方法相比對彈塑性性能進行了充分的考慮,故而能夠在水工混凝土結構設計之中應用,具備使用較為簡易、便于試驗與檢驗這樣的優點。

(3)半經驗半概率的極限狀態設計法

這一方式主要是以破損階段設計法為基礎不斷改進而成,對結構極限狀態進行了判定,分解了單一安全系數,具體的計算公式如下:S(n*Qk,。。。)≤R(m,k,fk,ak,。。。)其中S主要指的是截面應力,n主要指的是荷載系數,Qk表示荷載標準值,R指的是截面抗力,m表示工作條件系數,k表示材料強度系數,fk表示材料強度標準值,ak表示幾何參數標準值。在使用了這一設計方式之后,無論是荷載系數還是材料強度系數都是依靠經驗進行取值,雖然材料強度系數的取值存在著一定的概率含義,但從本質而言依舊是定值設計法的一種。

(4)概率極限狀態設計法

這一設計方式主要是將結構失效概率主要判定水工混凝土結構可靠程度的具體標準,其計算公式如下:Pf≤[Pf],β≤βf。其中Pf主要指的是失效概率,[Pf]則指的是允許失效概率,β表示可靠指標,βf。則為相應的目標可靠指標。在開展水工建筑混凝土結構設計的過程之中,可按照公式要求按部就班進行設計,同時也可以完成分項系數設計表達式的轉化。就其本質而言,這一結構設計方式主要是以統計數學為基礎的定量分析方法,當前大部分水工建筑混凝土結構設計都采取了這一方式。

二、水閘結構計算要點分析

(1)滲透穩定分析

在規劃與設計小型水閘時,主要是根據《水閘設計規范》中所介紹的滲徑系數法來對閘基防滲長度進行計算,而針對大中型水閘設計按照上述規范附錄C中所介紹的改進阻力系數法來對水閘的滲流穩定性進行計算。在采用上述手段來明確防滲段位置具體的滲透壓力時,應當通過直線比例法來完成對滲壓水頭的計算,以此來實現對閘室及擋土墻的穩定性的驗證。

(2)水閘地基穩定分析

水閘地基穩定分析主要包含地基處理、地基應力分析以及地基沉降計算這三個組成部分,其中地基應力分析主要是對地基穩定性進行工況分析以及擋土墻突降進行工況分析;地基處理一般采取了水泥土深層攪拌樁法,通過這一方法的應用,能夠讓地基具備更強的承載力,全面降低沉降,提升地基的抗振動液化能力,相比之下有著較低的施工成本,較快的施工速度以及較小的緩凝污染。在對單樁承載力進行設計的過程之中,應當將樁體強度和承載力進行有機的協調,如若地基下存在著一定的卵石層,就應當通過高壓旋噴樁地基來進行處理;在設計地基沉降時主要是對壓縮曲線以及附加應力這兩個方面進行設計,其中壓縮曲線在加固工程之中主要采取e-P回彈在壓縮曲線,而在擴大重建工程中的水閘項目則采取e-P壓縮曲線,如若部分工程的規模較大,那么就可以采取e-lg P這一壓縮曲線。附加應力主要是按照《水閘設計規范》中的相關標準進行計算,矩形基礎的長寬比不能夠超過10,條形基礎的長寬比必須要超過10,通過規范附表可以得到地基上計算點的附加應力系數,從而得到相應的附加應力。在計算的過程之中應當明確認識到復合地基變形主要包含了復合土層的變形以及樁端下土層的變形,因此要對不同變形情況采取合理的計算方式。

結語

綜上所述,水工建筑混凝土結構是保障水工建筑體系安全性及穩定性的關鍵因素,相關人員應當結合實際情況選擇合理的混凝土結構設計方法,遵循既定的設計標準與設計要求,明確設計要點,從而保證混凝土結構后續施工工作的順利開展。