水工混凝土結構設計經驗淺談

鐘春

摘要：本文主要通過對水工混凝土結構設計的理解與應用，分享了做好設計工作的經驗，并結合非桿件體系配筋設計案例探討了結構設計方法。

關鍵詞：水工混凝土；結構設計；經驗

混凝土結構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構承擔。混凝土結構具有優(yōu)越的強度、整體性、澆筑性、耐久性與經濟性，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。混凝土結構的應用離不開設計工作，何況結構設計既需要深厚的理論基礎，也需要豐富的實踐經驗，可以說是綜合性很強的技術工作。同時還應看到，盡管水工混凝土結構與其他土木建筑混凝土結構有許多共通之處，但也有自己的特點，無論應用環(huán)境還是行業(yè)特點都反映出一定的差異性，因此水工混凝土結構設計自有其獨特的一面。筆者有幸從事水工混凝土結構設計工作，在工作中積累了一定經驗，現在拿來與大家分享，希望共同提高和進步。

1水工混凝土結構設計規(guī)范的理解與應用

1.1 前言

世界各國都非常重視規(guī)范的制定和實施，并定期進行更新和修訂，以反映最新的研究成果和工程實踐。規(guī)范的更新和修訂，對設計人員工作影響較大，因為這要求設計人員必須改變已經習慣的體系和設計方法，去適應新的體系和調整一些方法，因而對設計規(guī)范正確理解與應用就顯得極為重要了，下面就結合實例進行分析和討論。

1.2 合理配置鋼筋，避免超筋破壞

《水工混凝土結構設計規(guī)范》（SL 191-2008）（簡稱《水工08》）第13.1.5條規(guī)定“不宜以強度較高的鋼筋代替原設計中強度較低的縱向受力鋼筋”，假如有必要代換時，“應按照鋼筋受拉承載力相等的原則進行代換”。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“不應大于2.5%”，但也不應小于規(guī)定的最小配筋率。不少現場施工人員和設計人員并未真正理解和關注這些內容，總覺得鋼筋配多一些或者用高強度鋼筋等量替換低強度鋼筋應該更安全，卻沒有想到違反了“強柱弱梁”的抗震設計原則，也就是《水工08》條文說明第13.1.5條所說的“形成柱鉸型破壞機構”。實際上，還有一個情況是新舊規(guī)范的“轉換”問題。與《水工混凝土結構設計規(guī)范》（SL 191-96）（簡稱《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規(guī)范配筋原則有一些調整，以受彎構件正截面承載力計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[1]總結出最大配筋率平均減少了17.7%。所以設計人員帶著舊規(guī)范的“思維慣性”進行設計，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。

1.3 全面理解規(guī)范，準確控制裂縫

對于水工混凝土結構來說，裂縫控制始終是值得關注的，而在規(guī)范中也有不少相關條款，對這些條款應仔細閱讀和全面理解。《水工08》第3.2.7條表3.2.7注2規(guī)定結構構件“混凝土保護層厚度超過50mm時，表列裂縫寬度限值可增加0.05”，注4規(guī)定結構構件“承受水壓且水力梯度 >20時，表列裂縫寬度限值宜減少0.05”。水工混凝土結構構件經常又大又厚，其保護層厚度超過50mm一點也不奇怪，并且還存在承受水壓且水力梯度較大的情況，這些細節(jié)規(guī)定要求設計人員應根據具體情況選擇適當的設計條件，但部分設計人員只關注表3.2.7中內容而沒有仔細閱讀注解，一味按表格取值是不合適的。如果應增加限值而沒有增加，勢必增加控制費用；如果必須減小限值但沒有減小，則難以實現裂縫控制目標。《水工08》第7.2.5規(guī)定裂縫寬度驗算結果不滿足要求時，可采用“較小直徑帶肋鋼筋，減少鋼筋間距，適當增加受拉區(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，因為那樣不僅無法緩解應力集中現象，而且還增加了材料費用。防裂措施還包括局部受拉區(qū)混凝土摻加纖維；受拉區(qū)混凝土表面設置可靠防護層等。如果無法阻止裂縫出現時，可通過預埋隔離片等構造措施引導裂縫只在預定區(qū)域出現，也可以采取施加預壓應力措施。

2 非桿件體系結構配筋設計分析

2.1 前言

水工混凝土結構設計中經常會遇到某些形體復雜或受力條件特殊的情況，例如蝸殼結構、弧形閘墩、大壩孔口等，它們無法按桿件體系求解截面內力和配筋，這類結構規(guī)范中稱為非桿件體系結構。目前，非桿件體系配筋設計有幾種方法[2]：（1）經驗類比法，因為各工程特點不盡相同，可能存在配筋不足現象；（2）根據試驗結果承載力計算配筋，但只有牛腿、深受彎構件、弧門支座等少量構件可以應用；（3）彈性應力圖法，可以計算所有非桿系配筋量；（4）非線性有限元法，仍需要通過應力圖法算出配筋量后再復核結構承載力與裂縫形態(tài)。可見，應力圖法是解決非桿件體系結構配筋問題的基礎。下面結合實例談談這種配筋設計方法。

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，屬于關鍵承重結構，同時又是大體積非桿件體系結構，如上所述，應采用應力圖法進行配筋。

2.3 疊合梁法應力計算

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。計算時取基礎深度=承載板底部高程-86m，基礎寬度=承載板兩角各+120m，并在基礎底部、兩側設置法向鏈桿支座。承載板混凝土設計C25，鋼筋HRR335。計算參數：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，本層內不產生應力。第2層澆筑后產生自重作用于第1層（彈模按28d計），以此類推。承載板主拉應力等值線如圖2～3所示。

2.4 應力圖法配筋

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

3 結語

水工混凝土結構設計既是水利水電工程建設中的重要環(huán)節(jié)，也是保證水工建筑物質量的關鍵環(huán)節(jié)。為了做好設計工作，設計人員首先應全面準確地理解設計規(guī)范，因為這是保障設計質量的基礎；同時，還應不斷學習和吸收新的知識，并在實踐中充實和提高，這樣就可以設計出更多、更好、適用的結構體系。

參考文獻：

[1] 張曉燕，李鳳蘭，劉許超，等. “2008版”《水工混凝土結構設計規(guī)范》受彎構件配筋量的差異分析[J]. 河南水利與南水北調，2011（16）：57-60.

[2] 孟影，汪基偉，冷飛. 水工混凝土結構設計規(guī)范應力圖形法配筋計算的比較[J]. 水利水電科技進展，2014，34（2）：31-35.

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