关于水工砌体结构设计方法的构思
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇关于水工砌体结构设计方法的构思范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
[摘要]：目前国内尚无专门的水工砌体结构设汁规范.本文按水利水电系统工程结构应遵守的共同准则，提出一种新的水工砌体结构设计方法.该方法设计值与GBJ3-88砌体结构设计规范相同，内力设计值的计算方法与即将颁行的新编水工砼结构设计规范相同，结构系数由类比和校正法原则确定。
[关键词]：水工砌体 ;结构设计方法
中图分类号：TU318文献标识码： A
一、新的水工砌体结构设计应符合的原则
参考新编《水工砼结构设计规范》编制中具备的原则，新的水工砌体结构设计方法应能符合下述三项基本要求:
1、符合水利水电系统工程结构应遵守的共同准则.术语和符号按《工程结构设计基本术语和通用符号(GBJ3-88 )》规定采用，计量单位采用我国法定的计量单位.根据《水工统标》规足，改用近似概率极限状态设计法计算，并以5种分项系数表达的实用设计表达式表达.
2、尽量与我国其他规范统一衔接，尤其是与即将颁行的新编水工建筑物荷载设计规范、水工硅结构设计规范以及GBJ3一88规范、85桥规等规范统一衔接.
3、能反映水工结构特点，使同类构件在不同荷载组合作用下均具有较准的可靠度.
新编水工钢筋砼构件计算公式的组成与特点
在新编水工砼结构设计规范中，钢筋砼结构构件的计算公式可分为内力设计值、结构系数和极限承载力设计值三部分.例如，钢筋砼轴心受压构件，可按新编水工砼结构设计规范计算:
(公式1）
式中N.(水工)-按水工建筑物荷载设计规范计算的内力(轴向压力)设计值
Yd一一结构系数，按水工砼结构设计规范，取Yd = 1. 20;
为讨论方便，本文称其为轴心受压构件载面极限承载力设计值.
在新编水工砼结构设计规范中，钢筋硅结构构件计算公式的组成具有下列特点:
(1)水工钢筋砼构件载面极限承载力设计道〔例如轴心受压构件的一般与GBJ10一89规范相同;
（2）内力设计值按水工建筑物荷载设计规范规定计算，反映水工结构特点;
(3)由GBJ10一89砼结构设计规范公式〔例如轴心受压构件N(工民建)与新编水工砼结构设计规范公式〔例如式. 1〕对比可知:（公式2）
式中，N(工民建)表示按工民建系统规范计算的内力(轴向压力)设计值，其余符号意义同前.
综上所述，水工钢筋砼结构构件的计算公式，一般是由GBJ10一89公式的内力设计值换成结构系数Yd(= 1. 20)乘水工内力设计值而来的.
二、新水工砌体结构设计方法的设想
式 2本质意义是:工民建系统公式的内力设计值等于结构系数Yd(= 1. 20)乘以水工系统的内力设计值.根据这一观点，参考新编水工钢筋硅结构构件计算公式的组成，可将GBJ3一88砌体结构设计规范中按工民建系统计算的内力设计值，一律换成水工系统的内力设计值与结构系数Yd的乘积，然后用GBJ3一88规范公式计算水工砌体结构.这就是笔者对新的水工砌体结构设计方法的设想.下面进一步论述这种新的设计方法.
1、设计表达式
按《水工统标》采用5种分项系数表达的实用设计表达式.
1）承载能力极限状态计算
・基本组合
承载能力极限状态的基本组合采用下列设计表达式:
（式3）
式中左边诸项的乘积为内力设计值，按水工规范计算，各符号意义及其求算方法与新编水工砼结构规范相同;R(.)表示结构构件抗力函数，可套用GBJ3一88规范的规定和方法计算;
Yd为结构系数.只要能合理确定Yd值，就可用新编水工砼结构设计规范的方法求算内力设计值，用GBJ3一88规范求承载力〔R(・)/Yd}，按式3)进行承载力设计.
・偶然组合
承载能力极限状态偶然组合的设计表达式，采用与新编水工砖结构设计规范相同的原则确定.即偶然作用分项系数可取为1. 0;参与组合的某些可变作用，可根据各类水工建筑物设计规范的规定作适当折减;结构系数Yd的取值可按基本组合的规定取用.
2）整体稳定验算
当水工砌体结构作为一个刚体，需验算整体稳定时(例如验算抵抗倾班、滑移、漂浮等)，可参考85《桥规》,GBJ3一88《砌体结构设计规范》，采用下列实用设计表达式计算:
式中CG.CQ分别为水久荷载与可变荷载的效应系数，其余符号意义同前.
2、关于正常使用极限状态验算的问题
砌体结构除应按承载力极限状态设计外，还应满足正常使用极限状态的要求.由于砌体结构自身的特点，其正常使用极限状态的要求在一般情况下可通过一定的构造措施予以保证.
在基本构件载面承载力计算中，水工砌体结构系数Ya的取值，可参照85《桥规》，按水工素砼结构构件计算公式估计.
在85《桥规》中，素砼结构构件与砼砌块砌体结构构件为统一的计算公式.参照85《桥规》的做法，水工砼砌块砌体结构构件可用水工素砼结构构件的公式计算.以砼轴心受压短柱为例:
按水工砼结构设计规范计算:
按本文方法计算
4、水工砌体结构构件的计算
根据本文2所述设计表达式，以及内力设计值按水工方法计算、抗力计算与GBJ3一88相同的原则，不难列出水工砌体结构构件的具体计算公式.以下通过几个算例进一步讨论本文提出的计算方法.
例某钢筋砼梁式渡槽(图1)属Ⅲ级水工建筑物.采用M5水泥砂浆、MU30粗料石砌成等载面石墩支承.墩身载面尺寸:顺渡槽方向b=1.6m,横渡槽方向h=2. 5 m ,最高墩身高25 m.砌体重力密度Y=23 kN/m3，跨槽身自重NK=800kN,满水时水重,NK=1900GkN.试验算石墩支承是否安全.
「解(1)高厚比验算
比照砖柱，取[β=16，则
符合构造要求.
(2)渡槽通水时的验算
按GBJ3一88规范，M5水泥砂浆、NIU30粗料石
则
(3)施工期验算
由和查表得则
三、水工混凝土结构设计
针对传统的混凝土结构设计以强度设计为主的特点，水工混凝土建筑结构设计不仅要注重结构强度设计，还需要更多地考虑建筑结构在长期使用过程中由于水下环境作用引起的结构材料腐蚀对结构性能与适用性的影响,应尽可能通过合理的结构设计延长结构使用寿命。水工混凝土建筑结构的设计应严格按照现行的有关国家、地区及行业标准和规定执行,充分考虑建筑结构在正常使用阶段结构构件的相关检测和维护过程,在进行水工混凝土结构设计时, 应预留足够的工作面为后续工作提供可实施性。值得指出的是,水工混凝土结构在使用过程中遭受病害是不可避免的,只是应将其程度降至最低水平。因此,在设计混凝土结构构件时,在考虑材料受环境侵蚀和老化对性能产生的影响后,还仍然要确保结构和构件存有足够的安全性和整体稳定性。
1、水工混凝土结构的特性
水工混凝土是混凝土学科中带有许多特殊性的领域。将一般混凝土结构设计理论用于水工混凝土结构,常会遇到不少无法解决的困难。水工混凝土结构的特殊性有如以下5个方面。
1） 结构尺寸较大,常为大体积结构,或为跨高比很小的短杆件。
2） 强度所需的配筋率小于一般混凝土结构设计理论中规定的最小配筋率,但其配筋量仍极大。
3） 大体积混凝土结构的水泥水化热较大,在外界温度变化时,常不可避免地发生温度裂缝。为限制裂缝宽度需配置较多的温度钢筋。
4） 结构有的全浸于水中,有的处于承压或干湿交替的状态,有的尚有渗漏、冻融或冲刷气蚀等作用,耐久性常成为水工混凝土的严重问题。
5）不少结构为非杆件体系,无法象弯、压、拉等标准杆件那样按极限强度理论进行配筋分析。
为适应水工中这种大体积、低配筋和非杆件的特殊性态, 我国工程界曾作过多方面的探索,如按应力图形配筋、非线性钢筋混凝土有限元分析、大体积混凝土温度配筋等,并有了不少进展。
2、水工混凝土结构的可靠度分析
水工统一标准已规定水工结构设计必须采用以近似概率法为基础的可靠度理论。但在引用这一理论时,注意到水工混凝土结构的某些特殊性是完全必要的。例如：
1） 水工大体积混凝土的实际强度与实验室小试块强度的差异就比工民建的混凝土来得更大些,其中尺寸效应、持久强度和水饱和时的强度降低及后期强度的增长等因素造成的混凝土强度不定性就有深入研究的必要。
水工中一些主要荷载的实测和统计工作做得还很不够。有些荷载如土压力、围岩压力、
渗透压力、地基反力等还是用理论公式计算出来的,与实测值有多大差异还不十分清楚。有些荷载还具有人工控制的特点,如有溢洪或闸门设施时的挡水压力,就具有确定的上下限,它的分布概型就具有很大特殊性。
2） 水工中荷载与荷载效应之间的关系常随所采用的分析方法的不同而有根本性的差别。例如：尾水管,采用一般框架分析或带刚性域框架分析或用有限元分析,得出的荷载效应值将有极大差别,甚至会使截面内力发生变号。因此计算简图正确程度的不定性将严重影响结构实有的可靠指标。但这种不定性目前还难于统计分析。
3）房屋建筑或桥梁工程等失事后果仅在于建筑物本身以及本身范围内的人身及经济损失。但挡水大坝等水工建筑物失事后将危及下游广大范围内的村镇及农田,其损失远大于建筑物本身。因此对这种会导致严重后果的结构是不能用一个结构重要性系数并简单地取 就能了事的。在它的可靠指标分析中应该把造成后果的严重程度考虑在内。目前,水工统一标准（初稿）把水工建筑物的安全等级也类似房屋建筑那样分为三级,分别取。但水工中的大型建筑物如葛洲坝、刘家峡工程与一些小型渠系涵管之间,其失事后果严重性的差别,决不是1.0， 0.9 之比。我们认为水工建筑物的安全等级宜分为五级,对于挡水建筑可分属于1,2,3个级别,对于一般钢筋混凝土结构构件则可分属于3,4,5三个级别。因为最重要的钢筋混凝土构件也无法与3级挡水闸坝相比。
3、 水工混凝土结构的耐久性
过去,工程技术人员所关心的常常只是工程的设计和建造。但工程结构在长期使用过程
中会逐渐损坏这一客观规律迫使人们把注意力转向已建结构的可靠性评估及维修加固技术方面来。人们除了关心工程的初始造价外,还应从大系统出发考虑工程的维护费用及遇到风险时的损失期望值。这方面的研究已成为结构工程学科发展的重要分支。
目前,国内不少50年代的建筑物,已进入“老年期”,对其继续使用寿命作出鉴定和书评估,以及采取最佳的加固补救技术是十分重要的。国内在房屋建筑方面已制定了相应的法规
和条文,编制了可靠性鉴定标准和加固技术规范。水工混凝土建筑的病害比房屋建筑严重得多,除混凝土碳化钢筋诱蚀引起顺筋开裂外,还有冻融、低强度风化、渗漏、冲刷气蚀、水质侵蚀、碱骨料反应等严重病害。仅“七五”期间,部属大中型水电工程需要修补的就耗资数亿元。
但目前水工钢筋混凝土设计规范中, 对耐久性还只以荷载直接作用下的受力裂缝的宽度作为衡量的指标,这显然是很不全面的。有关水工建筑物调查显示：967根构件中因钢筋锈蚀顺筋开裂（先锈后裂）的占56% ,但未发现一根是由于受力裂缝（横向裂缝）引起的。钢筋混凝土构件的耐久性主要决定子保护层厚度、水泥品种和讯量、水灰比、结构类型、施工质量、表面防护等。大体积混凝土结构则还与混凝土强度、抗冻性、抗渗性、抗腐蚀性和抗冲刷能力等有关。因此,在设计阶段就应该把这些因素加入进去加以考虑,以改变设计人员只重视强度的片面观。
结语：
1)当前我国工程结构总的基本设计原则是“概率极限状态设计原则”.从长远的观点看，水工砌体结构继续沿用《桥规》设计是不适宜的.
2)尽管GBJ3一88规范也是采用“概率极限状态设计原则”，但不是以5种分项系数表达的实用设计表达式，不完全符合水利水电系统工程结构应共同遵守的GBJ5099一94《水工统标》，用GBJ3一88规范设计一般的水工砌体结构有不足之处.
3)本文方法本质上是GBJ3-88规范方法.由于内力设计值改用水工方法计算，因此，可与其它专业的水工规范统一或衔接，使用方便、安全可靠，具有水工特点.鉴于目前研究的深度和广度，建议用于中小型水利水电工程中的砌体结构设计.
参考文献：
[1]水利水电工程结构可靠度统一标准(GB50199一94).北京:中国计划出版社,1994
[2]施楚贤主编.砌体结构，武汉:武汉工业大学出版社