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摘要：随着水工混凝土结构设计的不断发展，增强水工建筑结构的设计质量非常必要。本文介绍了水工混凝土结构设计规范的理解与应用，分析了非杆件体系结构配筋设计，以供参考。
关键词：水工；混凝土结构；设计
前言
混凝土结构广泛用于水工建筑物，例如混凝土大坝、水闸、码头等建筑物承载与防渗等功能主要由混凝土结构承担。混凝土结构具有优越的强度、整体性、浇筑性、耐久性与经济性，使其在水工建筑中发挥着越来越重要的作用，未来前景更加广阔。混凝土结构的应用离不开设计工作，何况结构设计既需要深厚的理论基础，也需要丰富的实践经验，可以说是综合性很强的技术工作。同时还应看到，尽管水工混凝土结构与其他土木建筑混凝土结构有许多共通之处，但也有自己的特点，无论应用环境还是行业特点都反映出一定的差异性，因此水工混凝土结构设计自有其独特的一面。笔者有幸从事水工混凝土结构设计工作，在工作中积累了一定经验，现在拿来与大家分享，希望共同提高和进步。
1水工混凝土结构设计规范的理解与应用
1.1前言
世界各国都非常重视规范的制定和实施，并定期进行更新和修订，以反映最新的研究成果和工程实践。规范的更新和修订，对设计人员工作影响较大，因为这要求设计人员必须改变已经习惯的体系和设计方法，去适应新的体系和调整一些方法，因而对设计规范正确理解与应用就显得极为重要了，下面就结合实例进行分析和讨论。
1.2合理配置钢筋，避免超筋破坏
《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）（简称《水工08》）第13.1.5条规定“不宜以强度较高的钢筋代替原设计中强度较低的纵向受力钢筋”，假如有必要代换时，“应按照钢筋受拉承载力相等的原则进行代换”。再有第13.2.4条规定“考虑地震作用组合的框架梁”，它的纵向受拉钢筋配筋率“不应大于2.5%”，但也不应小于规定的最小配筋率。不少现场施工人员和设计人员并未真正理解和关注这些内容，总觉得钢筋配多一些或者用高强度钢筋等量替换低强度钢筋应该更安全，却没有想到违反了“强柱弱梁”的抗震设计原则，也就是《水工08》条文说明第13.1.5条所说的“形成柱铰型破坏机构”。实际上，还有一个情况是新旧规范的“转换”问题。与《水工混凝土结构设计规范》（SL191-96）（简称《水工96》）相比，《水工08》更注重超筋破坏问题。在截面尺寸、荷载相同情况下两个规范配筋原则有一些调整，以受弯构件正截面承载力计算公式适用条件为例，《水工96》中为，而在《水工08》中是，所以尽管配筋率后者比前者有所提高，但在最大配筋率方面却是后者比前者减少了，文献[1]总结出最大配筋率平均减少了17.7%。所以设计人员带着旧规范的“思维惯性”进行设计，也很容易突破新规范最大配筋率要求，这样就无法避免超筋问题出现。
1.3全面理解规范，准确控制裂缝
对于水工混凝土结构来说，裂缝控制始终是值得关注的，而在规范中也有不少相关条款，对这些条款应仔细阅读和全面理解。《水工08》第3.2.7条表3.2.7注2规定结构构件“混凝土保护层厚度超过50mm时，表列裂缝宽度限值可增加0.05”，注4规定结构构件“承受水压且水力梯度>20时，表列裂缝宽度限值宜减少0.05”。水工混凝土结构构件经常又大又厚，其保护层厚度超过50mm一点也不奇怪，并且还存在承受水压且水力梯度较大的情况，这些细节规定要求设计人员应根据具体情况选择适当的设计条件，但部分设计人员只关注表3.2.7中内容而没有仔细阅读注解，一味按表格取值是不合适的。如果应增加限值而没有增加，势必增加控制费用；如果必须减小限值但没有减小，则难以实现裂缝控制目标。《水工08》第7.2.5规定裂缝宽度验算结果不满足要求时，可采用“较小直径带肋钢筋，减少钢筋间距，适当增加受拉区纵向钢筋截面积等”措施，但是所增加的钢筋截面面积“不宜超过承载力计算所需纵向钢筋截面面积的30%”。假如仍无法满足裂缝宽度验算要求，“可考虑采取其他工程措施”。这说明单纯依靠增加钢筋用量来满足裂缝宽度要求是不合适的，因为那样不仅无法缓解应力集中现象，而且还增加了材料费用。防裂措施还包括局部受拉区混凝土掺加纤维；受拉区混凝土表面设置可靠防护层等。如果无法阻止裂缝出现时，可通过预埋隔离片等构造措施引导裂缝只在预定区域出现，也可以采取施加预压应力措施。
2非杆件体系结构配筋设计分析
水工混凝土结构设计中经常会遇到某些形体复杂或受力条件特殊的情况，例如蜗壳结构、弧形闸墩、大坝孔口等，它们无法按杆件体系求解截面内力和配筋，这类结构规范中称为非杆件体系结构。目前，非杆件体系配筋设计有几种方法[2]：（1）经验类比法，因为各工程特点不尽相同，可能存在配筋不足现象；（2）根据试验结果承载力计算配筋，但只有牛腿、深受弯构件、弧门支座等少量构件可以应用；（3）弹性应力图法，可以计算所有非杆系配筋量；（4）非线性有限元法，仍需要通过应力图法算出配筋量后再复核结构承载力与裂缝形态。可见，应力图法是解决非杆件体系结构配筋问题的基础。下面结合实例谈谈这种配筋设计方法。
2.1工程概况
某水电站河床坝基深槽工程承载板[3]。其处理方法是先以钢筋混凝土承载板洞挖置换处理深槽，再在其上浇筑坝体。挖除承载板下部沙砾石后，回填混凝土及灌浆。承载板将坝段自重传递到岸坡基岩之上，属于关键承重结构，同时又是大体积非杆件体系结构，如上所述，应采用应力图法进行配筋。
2.2叠合梁法应力计算
承载板总厚15.5m，分5层浇筑，每层厚度分别为6、1.5、2、3、3（m）。碾压混凝土坝分为14层，每层3m。计算时取基础深度=承载板底部高程-86m，基础宽度=承载板两角各+120m，并在基础底部、两侧设置法向链杆支座。承载板混凝土设计C25，钢筋HRR335。计算参数：砂砾石弹性模量80MPa，泊松比0.3；承载板混凝土弹性模量，碾压混凝土弹性模量为龄期；其他参数按规范规定选取。然后以叠合梁法模拟分层浇筑过程。第1层自重全由基岩承担，本层内不产生应力。第2层浇筑后产生自重作用于第1层（弹模按28d计），以此类推。
2.3应力图法配筋
然后计算各剖面拉力和总应力，并按照应力图法计算配筋用量为46305mm2/m。
3结束语
水工混凝土结构设计既是水利水电工程建设中的重要环节，也是保证水工建筑物质量的关键环节。为了做好设计工作，设计人员首先应全面准确地理解设计规范，因为这是保障设计质量的基础；同时，还应不断学习和吸收新的知识，并在实践中充实和提高，这样就可以设计出更多、更好、适用的结构体系。
参考文献：
[1]张晓燕，李凤兰，刘许超，等.“2008版”《水工混凝土结构设计规范》受弯构件配筋量的差异分析[J].河南水利与南水北调，2011（16）：57-60.
[2]孟影，汪基伟，冷飞.水工混凝土结构设计规范应力图形法配筋计算的比较[J].水利水电科技进展，2014，34（2）：31-35.
[3]何学，汪基伟，冷飞.大体积非杆系混凝土承载板的配筋[J].水利水电科技进展，2013，33（1）：58-61，94.
[4]陈德亮，王长德.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2005
[5]危朝扬畅水工建筑结构设计关键问题探讨［J］畅河南建材，2013（3）：121－122.
[6]贾明川.水工混凝土结构设计若干问题探讨［J］畅内蒙古水利，2012（4）：15－16.