水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

徐 明 楊 超

1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西 西安710065 2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司 陜西 西安 710077

水工建筑的建設(shè)目的在于完成發(fā)電、防洪以及灌溉等任務(wù),有著數(shù)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(fù)雜的工作環(huán)境,一般是修建在大江大河內(nèi),科學(xué)調(diào)控周圍既有的水資源,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)抗旱、防洪這一目的。還有數(shù)量眾多的水庫(kù)大壩具備發(fā)電這一職能,如若因?yàn)槟承┮蛩囟a(chǎn)生一系列的運(yùn)轉(zhuǎn)安全事故,就會(huì)造成較為嚴(yán)重的后果,因此對(duì)其進(jìn)行科學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程之中,應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)行各類規(guī)范的基本要求來(lái)選擇合理的設(shè)計(jì)方式以及計(jì)算軟件,以此來(lái)保障設(shè)計(jì)結(jié)果具備更高的精確性以及可靠性。當(dāng)前關(guān)于水工建筑的設(shè)計(jì)規(guī)范主要包含了《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191-2008)和《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5077-1997)等。

一、水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式

在建筑行業(yè)不斷發(fā)展的背景之下,我國(guó)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段也逐漸趨于成熟,由最初的定值設(shè)計(jì)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱硕糠治?這也讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式主要有以下幾種:

(1)允許應(yīng)力設(shè)計(jì)法

這一方法是一種最為傳統(tǒng)的分析方法,主要是把材料設(shè)定成均值彈性體,利用荷載下界面的最大應(yīng)力來(lái)設(shè)置出低于材料允許的應(yīng)力大小。一般而言允許應(yīng)力的計(jì)算公式是材料強(qiáng)度的平均值除以安全系數(shù)K。由于水工混凝土結(jié)構(gòu)并不屬于彈性材料的范疇,導(dǎo)致通過(guò)這一方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)有著相應(yīng)的誤差,并且在選取安全系數(shù)K的具體數(shù)值時(shí)主要使用了經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行界定,很容易讓計(jì)算結(jié)果和實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生較大的偏離。

(2)破損階段設(shè)計(jì)法

這一設(shè)計(jì)方式主要考慮到了鋼筋混凝土的彈塑性性能,在該設(shè)計(jì)下要求結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力必須要低于結(jié)構(gòu)承載能力,具體公式是M≤Mμ/k,其中M主要指的是截面內(nèi)力,Mμ則是指的是截面極限彎矩,K表示安全系數(shù)。從上述公式能夠得知,針對(duì)K安全系數(shù)的取值仍然依賴于人文經(jīng)驗(yàn),是一種較為典型的定值設(shè)計(jì)方式,與傳統(tǒng)方法相比對(duì)彈塑性性能進(jìn)行了充分的考慮,故而能夠在水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中應(yīng)用,具備使用較為簡(jiǎn)易、便于試驗(yàn)與檢驗(yàn)這樣的優(yōu)點(diǎn)。

(3)半經(jīng)驗(yàn)半概率的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

這一方式主要是以破損階段設(shè)計(jì)法為基礎(chǔ)不斷改進(jìn)而成,對(duì)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)進(jìn)行了判定,分解了單一安全系數(shù),具體的計(jì)算公式如下:S(n*Qk,。。。)≤R(m,k,fk,ak,。。。)其中S主要指的是截面應(yīng)力,n主要指的是荷載系數(shù),Qk表示荷載標(biāo)準(zhǔn)值,R指的是截面抗力,m表示工作條件系數(shù),k表示材料強(qiáng)度系數(shù),fk表示材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,ak表示幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。在使用了這一設(shè)計(jì)方式之后,無(wú)論是荷載系數(shù)還是材料強(qiáng)度系數(shù)都是依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值,雖然材料強(qiáng)度系數(shù)的取值存在著一定的概率含義,但從本質(zhì)而言依舊是定值設(shè)計(jì)法的一種。

(4)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

這一設(shè)計(jì)方式主要是將結(jié)構(gòu)失效概率主要判定水工混凝土結(jié)構(gòu)可靠程度的具體標(biāo)準(zhǔn),其計(jì)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(biāo),βf。則為相應(yīng)的目標(biāo)可靠指標(biāo)。在開展水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程之中,可按照公式要求按部就班進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)也可以完成分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式的轉(zhuǎn)化。就其本質(zhì)而言,這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式主要是以統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的定量分析方法,當(dāng)前大部分水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都采取了這一方式。

二、水閘結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)分析

(1)滲透穩(wěn)定分析

在規(guī)劃與設(shè)計(jì)小型水閘時(shí),主要是根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中所介紹的滲徑系數(shù)法來(lái)對(duì)閘基防滲長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算,而針對(duì)大中型水閘設(shè)計(jì)按照上述規(guī)范附錄C中所介紹的改進(jìn)阻力系數(shù)法來(lái)對(duì)水閘的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。在采用上述手段來(lái)明確防滲段位置具體的滲透壓力時(shí),應(yīng)當(dāng)通過(guò)直線比例法來(lái)完成對(duì)滲壓水頭的計(jì)算,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘室及擋土墻的穩(wěn)定性的驗(yàn)證。

(2)水閘地基穩(wěn)定分析

水閘地基穩(wěn)定分析主要包含地基處理、地基應(yīng)力分析以及地基沉降計(jì)算這三個(gè)組成部分,其中地基應(yīng)力分析主要是對(duì)地基穩(wěn)定性進(jìn)行工況分析以及擋土墻突降進(jìn)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(guò)這一方法的應(yīng)用,能夠讓地基具備更強(qiáng)的承載力,全面降低沉降,提升地基的抗振動(dòng)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(duì)單樁承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程之中,應(yīng)當(dāng)將樁體強(qiáng)度和承載力進(jìn)行有機(jī)的協(xié)調(diào),如若地基下存在著一定的卵石層,就應(yīng)當(dāng)通過(guò)高壓旋噴樁地基來(lái)進(jìn)行處理;在設(shè)計(jì)地基沉降時(shí)主要是對(duì)壓縮曲線以及附加應(yīng)力這兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì),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(kuò)大重建工程中的水閘項(xiàng)目則采取e-P壓縮曲線,如若部分工程的規(guī)模較大,那么就可以采取e-lg P這一壓縮曲線。附加應(yīng)力主要是按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,矩形基礎(chǔ)的長(zhǎng)寬比不能夠超過(guò)10,條形基礎(chǔ)的長(zhǎng)寬比必須要超過(guò)10,通過(guò)規(guī)范附表可以得到地基上計(jì)算點(diǎn)的附加應(yīng)力系數(shù),從而得到相應(yīng)的附加應(yīng)力。在計(jì)算的過(guò)程之中應(yīng)當(dāng)明確認(rèn)識(shí)到復(fù)合地基變形主要包含了復(fù)合土層的變形以及樁端下土層的變形,因此要對(duì)不同變形情況采取合理的計(jì)算方式。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述,水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)是保障水工建筑體系安全性及穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況選擇合理的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,遵循既定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)要求,明確設(shè)計(jì)要點(diǎn),從而保證混凝土結(jié)構(gòu)后續(xù)施工工作的順利開展。