浅谈水工混凝土结构设计需要注意的几个问题
【摘 要】随着我国经济的快速发展，国家和社会事业对水利工程的发展提出了更高的要求。本文从水工混凝土结构特点入手，通过对工程水工结构设计需要注意问题的分析，得出了改进水工结构设计的经验与建议。
【关键词】水工混凝土；结构设计；注意事项；经验与建议
作为土木工程按材料划分的一种结构，混凝土结构由混凝土和钢筋等材料组成，主要包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构。
受到地形、地质、水文、气象等自然条件的限制，水工建筑物需要特别注意工程选址、水工结构设计、施工和工程投资等方面的问题。
1 水工混凝土的特点
与其他结构物不同，由于所处环境不同，水工混凝土结构有其突出特点。水工结构混凝土一般是在流动或静水的作用下工作的，水的深入、冲刷、冰冻、以及侵蚀造成水工结构物的工作环境十分复杂，混凝土结构的耐久性等问题也变得极为突出。与其它结构相比，水工混凝土存在以下几个特点：
1.1 骨料颗粒径较大
水工混凝土不仅骨料颗粒径大，而且所占比例还特别高，一般情况下，大体积水工混凝土最大骨料颗粒径在150mm左右。
1.2 胶凝材料用量较少
除特殊部位之外，水工混凝土的胶凝材料用量通常较低，一般情况下小于等于200kg/m3，同时，应掺加相应的掺合料、减水剂，以改善混凝土和易性和降低水灰比，以达到减少水泥用量，降低水热化的目的。
1.3 长期处于潮湿环境
水工结构物大多数面积长期处于水中，混凝土的拌合水很少失去，即使是通过水泥的水化作用将一部分拌合水消耗掉，外部的水依然可以通过水泥的空隙进行补充。因此，水下水工混凝土长期处于饱水状态。
1.4 寿命要求较长
与其他建筑物不同，水工建筑物建设周期长，投资较大，运行期长。
1.5 强度等级要求
对于某些部位的混凝土，比如高速水流过水面，容易产生空蚀和泥沙磨损，要求混凝土的强度等级不得低于C40（R400）。
2 水工混凝土结构设计常见问题
2.1 高强度的钢筋替换原设计计算满足要求的低强度钢筋问题
根据国家相关规定要求，不能用高强度的钢筋替换原设计计算满足要求的低强度钢筋。在使用过程中需要注意以下问题：
第一，在框架结构设计中，为了保证框架的塑性铰发生在梁内，不宜用强度高的钢筋替换原设计中的钢筋，当必须替换时，应按照钢筋抗拉力设计值相等的原则进行代换；
第二，当构件受裂缝宽度或挠度控制时，代换前后应进行裂缝宽度和挠度的验算；
第三，钢筋代换后要满足混凝土结构设计规范规定的间距、锚固长度、最小直径、搭接长度等要求。
2.2 框架梁结构放大配筋量问题
为了确保结构更加安全，在框架梁配筋时放大配筋量，往往会形成超筋结构，对整体结构安全不利。
2.3 大直径钢筋连接采用绑扎搭接问题
普通的钢筋不需要严格焊接时可以采用绑扎搭接的方法，但对大直径钢筋进行连接时，不宜采用这种方法。因为直径较大的钢筋采用绑扎连接时，会造成混凝土保护层变薄，钢筋间距减小，在搭接钢筋间容易产生裂缝，直径较大钢筋不适宜采用绑扎搭接。
2.4 裂缝宽度解决方式不满足规范要求问题
在混凝土结构出现裂缝且裂缝宽度不满足要求时，仅仅采取增加钢筋用量的方法，这样做显然是不对的。根据规定，当裂缝宽度控制不满足要求的时候，可采用较小直径的带肋钢筋，减少钢筋间距等方法，其中需要注意的是增加的钢筋截面面积最好不要超过承载力计算所需纵向钢筋截面面积的30%。如果效果不明显可以考虑采取其他措施。
2.5 现浇箱涵洞的隔墙、边墙与顶板和底板的钢筋链接问题
《水工混凝土结构设计规范》规定：“对水池或输水道的边墙，其底部不属于大体积混凝土而是一般尺寸的底板时，则其边墙与底板交接处的受力钢筋搭接方式应按框架顶层节点的原则处理。现浇箱型涵洞计算时可简化为单孔或多孔的框架结构。”因此，其节点可以按照框架的梁柱节点进行处理。《水工混凝土结构设计规范》中关于框架梁柱节点也做了详细的规定。边墙与底板交接处按框架梁柱顶层端节点对待，隔墙则按框架梁柱顶层中间节点对待。外墙外侧纵向受力钢筋与底板底纵向受力钢筋搭接连接，搭接长度应 >1.5lae；隔墙和外墙内侧纵向受力钢筋应伸至板底，其锚固长度应满足要求。
3 水工结构设计的实践与经验
3.1 原材料的选择和检验工作
混凝土结构主要由碎石、砂、水泥和外加剂等原材料组成。水工混凝土结构施工之时，在选用混凝土原材料前必须对其进行检验，只有所有指标都符合设计规范要求的材料才能使用。当材料中存在有害物质时，会影响水泥的水化反应，导致混凝土构建强度的降低。此外，混凝土搅拌施工过程中，质量监管人员需要根据现场测验的结果对原材料配比进行合理调整。
3.2 确定混凝土现场配合比
混凝土原材料配合比发生变化会导致混凝土结构强度发生变化，这主要是由骨料砂子含水率、含泥量的变化和碎石含粉量的变化引起的。
第一，混凝土原材料配合比换算。在混凝土搅拌现场，必须根据现场实际测试的骨料的粒径变化范围以及砂石表明的实际含水率，将实验配合比换算为混凝土现场施工配合比。
第二，混凝土施工配合比的调整。为了确保水利工程水工结构混凝土和易性满足现场施工条件的要求，在确保水灰比不变的的基础上，需要对混凝土含水率及用水量进行相关的调整。
3.3 混凝土浇筑与振捣施工
水工混凝土结构在施工前，需要科学设计施工计划，将混凝土按照一定的面积和走向，进行分层、分段浇筑施工，而且需要避免留下明显的施工缝。
第一，大体积的混凝土结构需要分区、分层浇筑，浇筑厚度必须控制在振捣深度范围之内，通常分层浇筑的厚度控制在30cm之内。
第二，长条状的混凝土结构的浇筑施工需要分段、分层进行，保证每段混凝土结构都满足浇筑要求，通常分段浇筑长度最好控制在10-15m。
4 结语
现阶段，我国水工结构设计中存在不同专业的规范混用问题，未来的研究中，将着重解决水工结构设计遇到的各种技术性难题。也只有从技术性难题方面着手，才能真正促进我国水工混凝土结构设计朝着合理有效的方向发展。
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[责任编辑：谢庆云]