對(duì)水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題的研究

摘 要：水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)中的重要組成部分，針對(duì)其特殊的功能設(shè)計(jì)，將成為水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能正常實(shí)現(xiàn)的保障。筆者根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)在文章中嘗試闡述一下對(duì)水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題的見解。

關(guān)鍵詞：水利工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；混凝土

就我國(guó)現(xiàn)階段的情況而言，大多數(shù)水利工程都以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的形式為主：就普通的水工建筑結(jié)構(gòu)而言，建筑結(jié)構(gòu)的荷載稱重和防滲功能等主要都是由混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)的，由此可以看出，混凝土結(jié)構(gòu)在水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中時(shí)尤為重要的。本文就混凝土材料和其他新型的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行分析。

1 水利工程建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主要特點(diǎn)，而水利工程建筑設(shè)計(jì)中混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅要注重結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，還要考慮建筑結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于地下水壓和水環(huán)境作用造成的結(jié)構(gòu)腐蝕或者結(jié)構(gòu)破壞對(duì)水利工程建筑物的結(jié)構(gòu)性能和適用性的嚴(yán)重影響。為了能夠盡可能的完善水利工程建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，必須要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該嚴(yán)格的遵守、地區(qū)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在進(jìn)行水利工程建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要為了后續(xù)工作提供可實(shí)施性，這就要求在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該預(yù)留足夠的工作面。在這里值得一提的是，水利工程建筑物在使用的過(guò)程中，由于水下環(huán)境的影響而造成的破壞是不可避免的，設(shè)計(jì)者和施工者只能盡力的將這種遭到破壞的可能性，和可能遭到破壞的嚴(yán)重程度降到最低。因此，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇建筑使用材料的時(shí)候，一定要考慮到材料的抗腐蝕能力和抗老化性來(lái)確保水利工程建筑物的安全性能、穩(wěn)定性能和使用功能。

2 解析水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的特性

水利工程建筑物結(jié)構(gòu)用的混凝土是混凝土中帶有許多特殊因素的。若是將一般的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論運(yùn)用到對(duì)水利工程建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是存在很多無(wú)法解決的問(wèn)題的。因?yàn)樗こ探ㄖ锝Y(jié)構(gòu)所用的混凝土必須要求具有下面的五個(gè)特性：

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸偏大，一般都是大體積的結(jié)構(gòu)或者跨高比很小的短桿件。

2.2 為了滿足水工混凝土的強(qiáng)度需要，配筋率一般要小于普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中規(guī)定的最小配筋率，但是所需的配筋量仍然是很大的。

2.3 由于體積越大的混凝土結(jié)構(gòu)的水泥水化熱越大，在外界溫度發(fā)生改變的時(shí)候，就不可避免的會(huì)發(fā)生溫度裂縫。所以，為了限制這些裂縫的寬度，就需要配置較多的溫度鋼筋。

2.4 結(jié)構(gòu)有一部分是全部浸沒在水中的，有的是處于承壓的狀態(tài)，而還有一部分是處于干濕交替的狀態(tài)，所以為了避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)佘樓、凍融、沖刷氣蝕等情況的發(fā)生，應(yīng)該更加重視結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.5 在水利工程建筑物的結(jié)構(gòu)中有不少是非桿件體系，這些體系不能進(jìn)行彎、壓、拉等極限活動(dòng)，所以不能按照極限強(qiáng)度理論進(jìn)行配筋分析。為了適應(yīng)水利工程建筑物結(jié)構(gòu)的這種特殊性質(zhì)，我國(guó)曾經(jīng)做過(guò)深入的探索研究，并且得到了很大的進(jìn)展。

3 分析水利工程建筑物結(jié)構(gòu)的可靠度

水利工程建筑物結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)規(guī)定了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須采用近似概率法為基礎(chǔ)所建立的可靠度理論。但是在運(yùn)用這一理論時(shí)，必須要充分地注意到水利工程建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的某些特性。例如：

3.1 水利工程大體積混凝土的強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)候的強(qiáng)度差異就比工民建的混凝土更大。其中應(yīng)該就尺寸效應(yīng)、持久強(qiáng)度和水飽和強(qiáng)度降低以及后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)要等因素造成的混凝土強(qiáng)度不定性進(jìn)行研究。

水利工程中的主要荷載的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)工作還有待遇進(jìn)一步提高。例如如土壓力、圍巖壓力、滲透壓力、地基反力等這些荷載還是要用理論公式進(jìn)行計(jì)算的，所以和實(shí)際測(cè)量值還是存在差異的。有些荷載還具有人工控制的特點(diǎn)，如有溢洪或閘門設(shè)施時(shí)的擋水壓力，就具有確定的上下限，它的分布概型就具有很大特殊性。

3.2 水工中荷載與荷載效應(yīng)之間的關(guān)系常隨所采用的分析方法的不同而有根本性的差別。因此計(jì)算簡(jiǎn)圖正確程度的不定性將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)實(shí)有的可靠指標(biāo)。但這種不定性目前還難于統(tǒng)計(jì)分析。

3.3 房屋建筑或橋梁工程等失事后果僅在于建筑物本身以及本身范圍內(nèi)的人身及經(jīng)濟(jì)損失。但擋水大壩等水工建筑物失事后將危及下游廣大范圍內(nèi)的村鎮(zhèn)及農(nóng)田，其損失遠(yuǎn)大于建筑物本身。因此對(duì)這種會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果的結(jié)構(gòu)是不能用一個(gè)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)并簡(jiǎn)單地取λο=1.1就能了事的。在它的可靠指標(biāo)分析中應(yīng)該把造成后果的嚴(yán)重程度考慮在內(nèi)。目前，水工統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（初稿）把水工建筑物的安全等級(jí)也類似房屋建筑那樣分為三級(jí)，分別取λο=1.1，1.0，0.9。但水工中的大型建筑物如葛洲壩、劉家峽工程與一些小型渠系涵管之間，其失事后果嚴(yán)重性的差別，決不是1.0，0.9之比。我們認(rèn)為水工建筑物的安全等級(jí)宜分為五級(jí)，對(duì)于擋水建筑可分屬于1，2，3個(gè)級(jí)別，對(duì)于一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件則可分屬于3，4，5三個(gè)級(jí)別。因?yàn)樽钪匾匿摻罨炷翗?gòu)件也無(wú)法與3級(jí)擋水閘壩相比。

4 水工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

過(guò)去，工程技術(shù)人員所關(guān)心的常常只是工程的設(shè)計(jì)和建造。但工程結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)逐漸損壞這一客觀規(guī)律迫使人們把注意力轉(zhuǎn)向已建結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估及維修加固技術(shù)方面來(lái)。人們除了關(guān)心工程的初始造價(jià)外，還應(yīng)從大系統(tǒng)出發(fā)考慮工程的維護(hù)費(fèi)用及遇到風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的損失期望值。這方面的研究已成為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展的重要分支。

目前，國(guó)內(nèi)不少50年代的建筑物，已進(jìn)入“老年期”，對(duì)其繼續(xù)使用壽命作出鑒定和書評(píng)估，以及采取最佳的加固補(bǔ)救技術(shù)是十分重要的?；炷两ㄖ牟『Ρ确课萁ㄖ?yán)重得多，除混凝土碳化鋼筋誘蝕引起順筋開裂外，還有凍融、低強(qiáng)度風(fēng)化、滲漏、沖刷氣蝕、水質(zhì)侵蝕、堿骨料反應(yīng)等嚴(yán)重病害。僅“七五”期間，部屬大中型水電工程需要修補(bǔ)的就耗資數(shù)億元。但目前水工鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)耐久性還只以荷載直接作用下的受力裂縫的寬度作為衡量的指標(biāo)，這顯然是很不全面的。有關(guān)于水工建筑物的調(diào)查顯示：967根構(gòu)件中因鋼筋銹蝕順筋開裂（先銹后裂）的占56%，但未發(fā)現(xiàn)一根是由于受力裂縫（橫向裂縫）引起的。鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性主要決定于保護(hù)層厚度、水泥品種和訊量、水灰比、結(jié)構(gòu)類型、施工質(zhì)量、表面防護(hù)等。大體積混凝土結(jié)構(gòu)則還與混凝土強(qiáng)度、抗凍性、抗?jié)B性、抗腐蝕性和抗沖刷能力等有關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該把這些因素加入進(jìn)去加以考慮，以改變?cè)O(shè)計(jì)人員只重視強(qiáng)度的片面觀。

綜上所述，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)在是越來(lái)越規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化。但在相關(guān)領(lǐng)域要更進(jìn)一步，而如何更好地深入發(fā)展和應(yīng)用仍是一項(xiàng)重大課題。這就需要工程設(shè)計(jì)人員、科研人員共同努力，使之趨于完善。

參考文獻(xiàn)

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