水工建筑混凝土结构设计要点分析

2021-09-16徐明杨超

探索科学(学术版) 2021年8期

徐明杨超

1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安710065 2.中国葛洲坝集团第三工程有限公司陕西西安 710077

水工建筑的建设目的在于完成发电、防洪以及灌溉等任务,有着数量众多的种类,可以划分成泄水、取水、挡水、输水建筑物,主要是将混凝土和钢筋混凝土作为建筑材料。由于水工建筑物有着较为复杂的工作环境,一般是修建在大江大河内,科学调控周围既有的水资源,以此来实现抗旱、防洪这一目的。还有数量众多的水库大坝具备发电这一职能,如若因为某些因素而产生一系列的运转安全事故,就会造成较为严重的后果,因此对其进行科学混凝土结构设计就显得尤为重要。在进行设计的过程之中,应当根据现行各类规范的基本要求来选择合理的设计方式以及计算软件,以此来保障设计结果具备更高的精确性以及可靠性。当前关于水工建筑的设计规范主要包含了《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008)和《水工建筑物荷载设计规范》(DL 5077-1997)等。

一、水工建筑混凝土结构设计方式

在建筑行业不断发展的背景之下,我国水工混凝土结构设计手段也逐渐趋于成熟,由最初的定值设计逐步转变为了定量分析,这也让结构设计有着更高的可靠性以及精确性。目前常用的水工建筑混凝土结构设计方式主要有以下几种:

(1)允许应力设计法

这一方法是一种最为传统的分析方法,主要是把材料设定成均值弹性体,利用荷载下界面的最大应力来设置出低于材料允许的应力大小。一般而言允许应力的计算公式是材料强度的平均值除以安全系数K。由于水工混凝土结构并不属于弹性材料的范畴,导致通过这一方法进行计算时有着相应的误差,并且在选取安全系数K的具体数值时主要使用了经验法进行界定,很容易让计算结果和实际结果产生较大的偏离。

(2)破损阶段设计法

这一设计方式主要考虑到了钢筋混凝土的弹塑性性能,在该设计下要求结构最大内力必须要低于结构承载能力,具体公式是M≤Mμ/k,其中M主要指的是截面内力,Mμ则是指的是截面极限弯矩,K表示安全系数。从上述公式能够得知,针对K安全系数的取值仍然依赖于人文经验,是一种较为典型的定值设计方式,与传统方法相比对弹塑性性能进行了充分的考虑,故而能够在水工混凝土结构设计之中应用,具备使用较为简易、便于试验与检验这样的优点。

(3)半经验半概率的极限状态设计法

这一方式主要是以破损阶段设计法为基础不断改进而成,对结构极限状态进行了判定,分解了单一安全系数,具体的计算公式如下:S(n*Qk,。。。)≤R(m,k,fk,ak,。。。)其中S主要指的是截面应力,n主要指的是荷载系数,Qk表示荷载标准值,R指的是截面抗力,m表示工作条件系数,k表示材料强度系数,fk表示材料强度标准值,ak表示几何参数标准值。在使用了这一设计方式之后,无论是荷载系数还是材料强度系数都是依靠经验进行取值,虽然材料强度系数的取值存在着一定的概率含义,但从本质而言依旧是定值设计法的一种。

(4)概率极限状态设计法

这一设计方式主要是将结构失效概率主要判定水工混凝土结构可靠程度的具体标准,其计算公式如下:Pf≤[Pf],β≤βf。其中Pf主要指的是失效概率,[Pf]则指的是允许失效概率,β表示可靠指标,βf。则为相应的目标可靠指标。在开展水工建筑混凝土结构设计的过程之中,可按照公式要求按部就班进行设计,同时也可以完成分项系数设计表达式的转化。就其本质而言,这一结构设计方式主要是以统计数学为基础的定量分析方法,当前大部分水工建筑混凝土结构设计都采取了这一方式。

二、水闸结构计算要点分析

(1)渗透稳定分析

在规划与设计小型水闸时,主要是根据《水闸设计规范》中所介绍的渗径系数法来对闸基防渗长度进行计算,而针对大中型水闸设计按照上述规范附录C中所介绍的改进阻力系数法来对水闸的渗流稳定性进行计算。在采用上述手段来明确防渗段位置具体的渗透压力时,应当通过直线比例法来完成对渗压水头的计算,以此来实现对闸室及挡土墙的稳定性的验证。

(2)水闸地基稳定分析

水闸地基稳定分析主要包含地基处理、地基应力分析以及地基沉降计算这三个组成部分,其中地基应力分析主要是对地基稳定性进行工况分析以及挡土墙突降进行工况分析;地基处理一般采取了水泥土深层搅拌桩法,通过这一方法的应用,能够让地基具备更强的承载力,全面降低沉降,提升地基的抗振动液化能力,相比之下有着较低的施工成本,较快的施工速度以及较小的缓凝污染。在对单桩承载力进行设计的过程之中,应当将桩体强度和承载力进行有机的协调,如若地基下存在着一定的卵石层,就应当通过高压旋喷桩地基来进行处理;在设计地基沉降时主要是对压缩曲线以及附加应力这两个方面进行设计,其中压缩曲线在加固工程之中主要采取e-P回弹在压缩曲线,而在扩大重建工程中的水闸项目则采取e-P压缩曲线,如若部分工程的规模较大,那么就可以采取e-lg P这一压缩曲线。附加应力主要是按照《水闸设计规范》中的相关标准进行计算,矩形基础的长宽比不能够超过10,条形基础的长宽比必须要超过10,通过规范附表可以得到地基上计算点的附加应力系数,从而得到相应的附加应力。在计算的过程之中应当明确认识到复合地基变形主要包含了复合土层的变形以及桩端下土层的变形,因此要对不同变形情况采取合理的计算方式。