水工結(jié)構(gòu)工程的耐久性設(shè)計分析

牛成龍 王 杰

（寧波天成水利水電設(shè)計有限公司，浙江 寧波 315199）

1 影響水工結(jié)構(gòu)耐久性的因素

1.1 凍融環(huán)境影響結(jié)構(gòu)耐久性

自然環(huán)境是影響水工結(jié)構(gòu)耐久性的一個較大因素，惡劣的環(huán)境，比如冬季氣溫較低時，水工結(jié)構(gòu)會由于受到凍融因素的影響而產(chǎn)生破壞。所謂凍融破壞是指指混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處的環(huán)境溫度在0℃以下時，其與水接觸或者處于潮濕的區(qū)域中受到水分凍結(jié)膨脹、氣溫升高的影響后產(chǎn)生溶解收縮等體積變化，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)在反復(fù)受力過程中發(fā)生疲勞應(yīng)力現(xiàn)象，從而造成水工結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生破壞。經(jīng)過相關(guān)部門的調(diào)查，我國水利工程中有25%的水工結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到了凍融環(huán)境的影響而產(chǎn)生破壞，由于水工結(jié)構(gòu)耐久性缺陷，影響運營安全。

1.2 混凝土裂縫影響結(jié)構(gòu)耐久性

在水工結(jié)構(gòu)建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的材料是混凝土材料，但其在施工及使用過程中都會出現(xiàn)裂縫問題，并且是建筑行業(yè)中普遍存在的問題。由于水工結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境具有較為復(fù)雜的特點，如果混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫問題會影響水工結(jié)構(gòu)的構(gòu)件質(zhì)量。另外，在水利工程建設(shè)中還存在較多大體積的構(gòu)件，在進行混凝土澆筑工作的初期，在混凝土強度逐漸形成的過程中會產(chǎn)生水化熱，致混凝土內(nèi)外部形成較大的溫差，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土抗拉性能逐漸降低，引發(fā)大體積混凝土構(gòu)件裂縫問題的發(fā)生。此外，硬化后的混凝土?xí)纬墒湛s力，而這種收縮力也是引發(fā)裂縫產(chǎn)生的重要因素，在裂縫問題的影響下，水工結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性也逐漸降低。

1.3 碳化及鋼筋腐蝕影響結(jié)構(gòu)耐久性

混凝土裂縫問題的產(chǎn)生還與混凝土碳化因素密切相關(guān)，碳化的形成是因為空氣中存在的二氧化碳和混凝土中含有的堿性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)后，混凝土發(fā)生化學(xué)腐蝕過程，從而形成碳化，進一步促使混凝土產(chǎn)生裂縫。混凝土產(chǎn)生裂縫二氧化碳會通過裂縫進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成混凝土中性化。在碳化的作用下，鋼筋外層保護層無法實現(xiàn)保護鋼筋的作用，造成構(gòu)件鋼筋受到二氧化碳的侵蝕，強度逐漸降低，導(dǎo)致水工結(jié)構(gòu)的耐久性逐漸降低。另外，設(shè)計人員在設(shè)計時為了保證混凝土強度，會加入混凝土添加劑，而部分添加劑中存在氯離子元素，會銹蝕鋼筋，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量受到影響。

2 水工結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

2.1 極限狀態(tài)控制

在設(shè)計水利工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，設(shè)計的極限狀態(tài)主要包括兩方面：一是正常使用極限狀態(tài)，二是承載力極限狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)應(yīng)用于正常使用的環(huán)境、荷載、耐久性能等規(guī)定的狀態(tài)，而承載力極限狀態(tài)是指構(gòu)件受到荷載作用而產(chǎn)生變形后無法使用或者是已經(jīng)達到最大承載力時的狀態(tài)。在耐久性設(shè)計時，要以正常使用極限狀態(tài)規(guī)定的要求開展設(shè)計工作，為了保證構(gòu)件的耐久性能與預(yù)定的要求相符合，在設(shè)計時必須準(zhǔn)確計算構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)時所承受的作用力，保證構(gòu)件在使用時不會因為承受的荷載力高于預(yù)定值產(chǎn)生破壞。

2.2 控制原材料質(zhì)量

水工結(jié)構(gòu)中的混凝土強度、構(gòu)件質(zhì)量與組成混凝土的材料質(zhì)量直接關(guān)聯(lián)，而組成混凝土的原材料是膠凝材料水泥、砂子、石子、水等成分共同組成。因此，設(shè)計時應(yīng)注意原材料的選用。水泥原材料的種類比較多，在設(shè)計時可以根據(jù)工程實際進行合理化的選擇。在采購水泥時，需要嚴(yán)格把控水泥質(zhì)量，將水泥運輸至施工現(xiàn)場時，必須出具檢測報告和合格證書。另外，施工現(xiàn)場還應(yīng)設(shè)立復(fù)驗環(huán)節(jié)，水泥進場進行復(fù)驗，在抽樣時發(fā)現(xiàn)水泥材料與規(guī)范要求不符時，應(yīng)拒絕該批次采購的水泥進入實際施工現(xiàn)場內(nèi)；粗骨料的質(zhì)量對混凝土的抗壓強度具有較大影響，在選擇粗骨料時需要注重粗骨料中片狀骨料含量、含泥量等。另外，在配制混凝土?xí)r還應(yīng)注重粗骨料級配的設(shè)計，級配不佳會引發(fā)混凝土離析、不均勻等問題的發(fā)生。細(xì)骨料質(zhì)量也是影響混凝土強度的重要因素，細(xì)骨料包括人工砂、天然砂兩種類型，水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中天然砂模數(shù)應(yīng)在2.2~3.0 的范圍，人工砂模數(shù)應(yīng)采用2.4模數(shù)，并且不能超出這一范圍。

2.3 水工結(jié)構(gòu)設(shè)計中的外形設(shè)計

在設(shè)計水利工程結(jié)構(gòu)時，還需要把控外形的設(shè)計，因為外形的優(yōu)劣會對建筑物、構(gòu)筑物所能夠承受的力產(chǎn)生直接性的影響，從而進一步影響水工結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性與耐久性。因此，為了保證構(gòu)件具備較長的使用壽命，在結(jié)構(gòu)外形設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格依照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進行合理化的設(shè)計，并且還需要在設(shè)計時注意驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撓度，保證荷載力不會超出設(shè)計范圍，避免發(fā)生構(gòu)件變形問題，從而無法進行使用，進一步影響水工結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性。

2.4 裂縫控制措施

水工結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫的控制需要根據(jù)水利工程結(jié)構(gòu)的安全等級進行有效控制，目前的設(shè)計工作中，水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)用的是非常規(guī)桿件，并且用彎拉構(gòu)件控制裂縫，整個過程中的難點就是控制構(gòu)件的裂縫問題。設(shè)計人員應(yīng)以《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》為依據(jù)，采取延伸結(jié)構(gòu)構(gòu)件寬度的措施，可以有效保障構(gòu)件的耐久性。另外，控制裂縫時還需要密切關(guān)注施工過程，特別是澆筑混凝土的施工作業(yè)，關(guān)注混凝土配合比、混凝土原材料質(zhì)量、大體積混凝土澆筑作業(yè)中的防裂縫措施等作業(yè)，只有達到了合理化的要求，才能有效降低混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫寬度。

3 結(jié)語

水利工程項目具有工程量大、投資大、使用壽命長的特點，在設(shè)計環(huán)節(jié)中需要將耐久性作為設(shè)計核心。另外，在設(shè)計水工結(jié)構(gòu)時還需要注意凍融因素、混凝土裂縫問題、混凝土碳化、鋼筋腐蝕等問題對水工結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生的影響，并且還要重點關(guān)注混凝土的原材料質(zhì)量、裂縫寬度、驗算結(jié)構(gòu)撓度、外形設(shè)計等方面，從而保證水工結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有充足的耐久性能。