［俄羅斯］ А.Н.沃倫奇科夫 等

環(huán)境溫度變化相當(dāng)大，是水工建筑物在干燥氣候條件下運(yùn)行的特點(diǎn)。由國(guó)立水工建筑物設(shè)計(jì)院(Гидрпроект)設(shè)計(jì)，修建在安加拉(Ангара)河(克拉斯諾亞爾斯克邊疆區(qū))上的博古昌水電站(Богучанская ГЭС)，就是在這種條件下運(yùn)行。

建筑規(guī)范規(guī)定，在進(jìn)行水工建筑物的可靠性和安全性論證時(shí)，必須考慮溫度產(chǎn)生的影響。根據(jù)分類，對(duì)施工期和運(yùn)行期的溫度影響進(jìn)行了確定，認(rèn)為外部空氣中，月平均溫度為平均變幅的溫度影響，屬于臨時(shí)性的，但影響時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)?？諝庵械脑缕骄鶞囟冗_(dá)到最大變幅的年溫度影響，則屬于特別的溫度影響。

利用有限元方法解決熱傳導(dǎo)的不穩(wěn)定問題，從中可以獲得1月份混凝土大壩中溫度的分布情況，詳見圖1。溫度對(duì)大壩應(yīng)力變形狀態(tài)產(chǎn)生影響的機(jī)理，在于大壩中心區(qū)域(此處溫度的季節(jié)性變幅不是很大)和與外部空氣接觸處的(此處的溫度變幅最大)大壩外表面之間所產(chǎn)生的溫度差。大壩核心部位的溫度變幅較小，而裸露的外表面，其溫度變幅最大。大壩表面趨于冷卻的混凝土，如果體積發(fā)生收縮，則將阻礙大壩核心部位進(jìn)一步發(fā)熱。結(jié)果，相對(duì)于較熱的大壩中心的混凝土層來說，冷卻后的表層混凝土便會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。拉應(yīng)力在大壩表面延伸，如果拉應(yīng)力大于混凝土應(yīng)力的強(qiáng)度，那么，施工縫便會(huì)張開或形成新的裂縫。

圖1 混凝土大壩溢流段1月份的溫度分布狀況(在全年月平均溫度為平均變幅的情況下)

混凝土全年的熱應(yīng)力狀態(tài)是變化不定的:裸露在外部空氣中的大壩表面在冬季會(huì)產(chǎn)生拉伸，在夏季反倒會(huì)產(chǎn)生收縮。

對(duì)于施工條件下的博古昌水電站來說，在年平均溫度為-3.2℃時(shí)，對(duì)于溫度變幅為平均變幅年而言，月平均氣溫的季節(jié)性變幅為47℃，對(duì)于為最大的溫度變幅年而言，月平均氣溫的季節(jié)性變幅為57℃。由圖1可見，大壩中心的混凝土溫度接近年平均溫度。1月份，大壩核心部位與下游面的溫度差達(dá)到25℃。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)實(shí)踐中，在對(duì)建筑物及結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性進(jìn)行論證時(shí)，主要是采用的大量連續(xù)介質(zhì)的機(jī)械方法，這也是規(guī)范文件中規(guī)定的。在解決熱傳導(dǎo)問題時(shí)所獲得的溫度差，與其他荷載和影響(靜力影響、地震影響、動(dòng)力影響)一起，被作為溫度的影響，應(yīng)在基于“水工建筑物—基礎(chǔ)”體系的數(shù)學(xué)模型研究中加以考慮。對(duì)于指定的荷載及影響組合的建筑物的應(yīng)力變形狀態(tài)，是采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算時(shí)，對(duì)大體積混凝土壩，是采用“SOLID”類型的體積有限元方法進(jìn)行模擬計(jì)算。“SOLID”一般為四方體或六面體，根據(jù)確定采用的計(jì)算法，可以為其設(shè)定有效的混凝土結(jié)構(gòu)變形模數(shù)。

假定溫度影響分布在連續(xù)的混凝土中，上述應(yīng)力變形狀態(tài)計(jì)算表明，大壩下游面產(chǎn)生的較大拉應(yīng)力，無論是在混凝土的垂直方向，還是在水平方向上，都同時(shí)存在。為了使大壩下游面的強(qiáng)度得到保證，允許裂縫的開度達(dá)到0.3 mm，但是這樣就導(dǎo)致必須配置大量的鋼筋，如圖2所示，配筋量可達(dá)100～200 cm2/m2;或者沿整個(gè)壩面安裝鋼筋網(wǎng)(100～150 cm2/m)。圖2是鋼筋的面積分配情況，這是根據(jù)混凝土的應(yīng)力狀態(tài)得出的。顯而易見，根據(jù)得到的結(jié)果，在下游面實(shí)施配筋，實(shí)際上是不可能的。

圖2 混凝土大壩的封閉壩段(從假定的連續(xù)混凝土中得出的水平與垂直方向配筋所需的面積)

布拉茨克(Братская)、烏斯季伊利姆(Усть-Ильмская)，以及其他一些運(yùn)行在干燥氣候條件下的水電站，在當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)，并未考慮到在對(duì)混凝土建筑物的應(yīng)力變形狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)直接記入溫度的影響因素。因?yàn)楫?dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力以及相應(yīng)的用于數(shù)學(xué)模擬的計(jì)算程序都有限。因此，圖2中高水平的配筋方式還未被設(shè)計(jì)出來。

水工建筑物在干燥氣候條件下良好運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)和配置的結(jié)構(gòu)鋼筋完全能夠使建筑物的安全性和可靠性得到保證。因此，沒有必要為了承受較大的拉應(yīng)力，像圖2所示的那樣，而借助鋼筋的力量來保證裂縫開度在0.3 mm以內(nèi)。

實(shí)際上，大壩的大體積混凝土不是連續(xù)介質(zhì)，在實(shí)施混凝土澆筑時(shí)，通常均設(shè)有橫向和縱向的施工縫。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)當(dāng)說，在干燥氣候條件下，混凝土的有效變形模數(shù)會(huì)出現(xiàn)衰減。當(dāng)然，其衰減程度似乎更多地是取決于施工縫。

施工縫的設(shè)置，使大體積混凝土塊有了變形的自由度，而且與連續(xù)的不斷開的介質(zhì)相比，拉應(yīng)力也會(huì)大大減小。相應(yīng)地，設(shè)置的施工縫間隙越小，混凝土中的拉應(yīng)力就會(huì)越小，以及施工縫的開度也就會(huì)越小，這樣一來，傳導(dǎo)給鋼筋的應(yīng)力也越小。

在對(duì)溫度影響進(jìn)行計(jì)算時(shí)，考慮到了混凝土的極限拉伸性，即當(dāng)達(dá)到該極限拉伸性時(shí)，裂隙的形成便會(huì)終止，而且不再發(fā)展，混凝土也能夠承受已規(guī)定的拉應(yīng)力級(jí)別。

必須指出的是，鋼和混凝土都具有相同的溫度膨脹系數(shù)。當(dāng)溫度變形超過混凝土的極限拉伸性時(shí)，僅僅依靠加筋來防止鋼筋混凝土中裂隙的形成是不可能的。配筋的主要目的在于限制裂縫的開度，其中也包括杜絕大型裂縫的形成。

在考慮計(jì)算鋼筋混凝土的變形性時(shí)，要借助于有效的混凝土結(jié)構(gòu)變形模數(shù) Ebd。設(shè)αΔT＞εlim，在這種條件下，能夠承受裂縫形成的混凝土中的溫度應(yīng)力將在0至混凝土抗拉強(qiáng)度之間。那么，在這種情況下，按照下式即可以計(jì)算出鋼筋的應(yīng)力:

式中，α為混凝土線性膨脹系數(shù);ΔT為溫度差;εlim為混凝土極限拉伸性;Ebd為混凝土有效結(jié)構(gòu)變形模數(shù);Ab為混凝土斷面面積，亦即便于在大體積混凝土計(jì)算中采用的單位面積(1 m×1 m);As為Ab斷面面積中的鋼筋面積。

在鋼筋彈性模數(shù)比為Es/Ebd＞10的條件下，可以認(rèn)定，混凝土中產(chǎn)生裂縫時(shí)，鋼筋中的應(yīng)力將達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋抗拉強(qiáng)度。

可以說，超出混凝土極限拉伸性的結(jié)構(gòu)變形，表現(xiàn)在施工縫的開度上，確定鋼筋面積和施工縫的間距，可以評(píng)估溫度縫開度數(shù)值的大小。博古昌水電站溫度差計(jì)算和鋼筋混凝土特性計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 根據(jù)博古昌水電站條件下的施工縫間距及配筋量所做的溫度施工縫寬度評(píng)估

所做的大壩應(yīng)力變形狀態(tài)分析，包含對(duì)各種形式的施工縫開度方案進(jìn)行三維計(jì)算，以及借助于模擬試驗(yàn)來完成對(duì)大壩應(yīng)力變形狀態(tài)的計(jì)算，即完成對(duì)大壩下游部位的縱、橫施工縫系列進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)。由圖3可以看出，當(dāng)下游階梯溢流面的水平施工縫之間的開度為1.5 m時(shí)，拉應(yīng)力和配筋的需求量都會(huì)大幅降低。未對(duì)大壩上游部位的施工縫做模擬試驗(yàn)，其配筋計(jì)算特性同圖2。

圖3 混凝土大壩溢流段(1～3號(hào)墩)根據(jù)施工縫開度所計(jì)算出的水平與垂直配筋所需面積

對(duì)比圖2和圖3，可以得出以下結(jié)論，下游面的布置形式(封閉壩段平整，溢流壩段為階梯式)，一般不會(huì)對(duì)大壩的溫度應(yīng)力狀態(tài)特性產(chǎn)生明顯的影響。

對(duì)重力壩下游面的混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，配筋只具有一種功能，即限制施工縫的開裂寬度。因此，即使是完全不配筋，也能達(dá)到這種效果(縫的間距、寬度和開度)。也就是說，只需將混凝土的拉應(yīng)力降低到混凝土抗拉強(qiáng)度的水平，便可使施工縫得以穩(wěn)定。

對(duì)于大壩應(yīng)力變形狀態(tài)來說，由于混凝土具有的熱物理學(xué)性能，溫度比降隨著在表面的消退，也會(huì)快速減小，溫度的影響在幾米深處即會(huì)消失，這一點(diǎn)至關(guān)重要。研究表明，在博古昌水電站大壩未配筋的斷面上，所設(shè)置的水平施工縫深度為3～4 m。這并未給包括上游面區(qū)域在內(nèi)的總體應(yīng)力變形狀態(tài)，以及大壩和壩基的穩(wěn)定性，造成實(shí)質(zhì)性的影響。

應(yīng)當(dāng)根據(jù)下游面的功能和用途，來看待與溫度影響有關(guān)的混凝土大壩下游面的配筋特性。

1 壩下游面

配筋僅僅是為了滿足結(jié)構(gòu)方案的需要，也就是說，在有施工縫開裂的情況下，為了保證下游面的完整性，以及壩體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可以根據(jù)表1確定施工縫開度的寬度。一般情況下，對(duì)于結(jié)構(gòu)性的配筋，其施工縫的寬度會(huì)超過《建筑標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范》(СНиП)要求的寬度(0.25～0.30 mm)。但是，施工縫的寬度不會(huì)影響到大壩的可靠性和安全性。這是因?yàn)橄掠蚊娴呐浣畈痪哂辛Φ淖饔茫挚p施工卻具有臨時(shí)性的特征，因?yàn)樵诤涞亩?，腐蝕活性最小。因此，如果經(jīng)過計(jì)算，配筋只會(huì)引起溫度的影響，那么可以考慮在封閉壩段的下游面混凝土中配置結(jié)構(gòu)性鋼筋。在寒冷的冬季，與規(guī)范的允許值相比，施工縫的寬度允許達(dá)到最高值。配筋的密集，并不會(huì)提高大壩的可靠性和安全性。

2 大壩階梯溢流面

從實(shí)用方面來看，大壩階梯溢流面施工縫的開度大小具有較大的意義。因此，經(jīng)過包括對(duì)施工縫的計(jì)算在內(nèi)進(jìn)行的計(jì)算，結(jié)果表明，對(duì)于溢流面，必須配筋(圖3)。由于結(jié)構(gòu)原因，下游面配筋數(shù)量最多的是在穿越水流的方向上。這是因?yàn)榕c水平線上的垂直施工縫之間的距離相比，垂直線上的水平施工縫之間的距離要小。

從上述對(duì)混凝土溫度影響機(jī)理進(jìn)行的研究結(jié)果來看，在干燥氣候條件下運(yùn)行的大體積混凝土壩，對(duì)于其下游面(封閉壩段或溢流壩段)的結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)縮小各方向的不同類型施工縫之間的距離(垂直與水平的塊體施工縫、分割壩段的叉狀切割縫)。

必須注意施工縫的結(jié)構(gòu)形式。如果配筋不穿過施工縫，那么，下游面的混凝土塊體就具有最大的變形自由度(其結(jié)果是混凝土塊體的應(yīng)力最小)。然而，從施工角度來看，這些在施工縫密集的部位是不可能做到的。因此，只推薦將這種方案在溢流面采用，因?yàn)樽钪匾氖橇芽p的形成能夠得到控制。圖4為所推薦方案的配筋示意。

圖4 階梯溢流面配筋示意

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)連接部位的配筋

如上所述，在一定的結(jié)構(gòu)區(qū)域形成補(bǔ)充應(yīng)力的同時(shí)，溫度也會(huì)對(duì)建筑物的應(yīng)力變形狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，眾所周知的是，任何一個(gè)施工斷面上累積的力的作用都將是零。溫度的影響將會(huì)導(dǎo)致裂縫形成，而任何一條裂縫都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力在其自己的作用區(qū)域進(jìn)行重新分布，這種重新分布可能帶有局部特性，也可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身的特性發(fā)生改變，并改變結(jié)構(gòu)的靜態(tài)工作方式，最終使連續(xù)的結(jié)構(gòu)分割成若干個(gè)部分等。由于靜態(tài)應(yīng)力，比如，在拉力的作用下，已改變的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞。因此，為了保證結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，重要的是，在裂縫產(chǎn)生時(shí)，就應(yīng)消除結(jié)構(gòu)的靜態(tài)作用方式發(fā)生改變的可能性。

對(duì)伸向位于大壩下游面的橋式壩段的懸臂梁進(jìn)行了研究，懸臂梁的配筋見圖5。在對(duì)懸臂梁進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其方法與連續(xù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法一樣，在計(jì)算過程中，考慮到了水平施工縫的開度情況，水平施工縫適宜于用作下游面大體積混凝土的段間接縫。正如計(jì)算結(jié)果所表明的，縫的開度將導(dǎo)致對(duì)所需要的配筋進(jìn)行重新分配，結(jié)果，致使上游面的懸臂梁上產(chǎn)生一些拉應(yīng)力區(qū)段。

應(yīng)當(dāng)引起注意的是，穿過懸臂梁的鋼筋A(yù)Z(圖5，в)。它所引起的溫度變形并不是在懸臂梁本身(懸臂梁上實(shí)際上不存在溫度差，因?yàn)槠涓鱾€(gè)面都是裸露的)，而是在其嵌固端的Z方向(橫向水流方向)上，也就是大壩的下游面發(fā)生變形。懸臂梁猶如一個(gè)剛性構(gòu)件，承擔(dān)著下游面混凝土的抗拉應(yīng)力，因?yàn)樵搼?yīng)力本身又會(huì)引發(fā)懸臂梁的拉應(yīng)力。

類似的應(yīng)力狀態(tài)還發(fā)生在垂直方向的大壩下游面，垂直方向的懸臂梁如同下游面的加強(qiáng)肋，一旦懸臂梁上出現(xiàn)有垂直拉應(yīng)力，就必需沿其嵌固端配置大量的垂直鋼筋(圖5Б)。

圖5 橋式壩段懸臂梁所需的鋼筋

通過對(duì)各種情況進(jìn)行分析，針對(duì)在干燥氣候條件下運(yùn)行的混凝土重力壩下游面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提出如下建議。

(1)對(duì)于封閉壩段的下游面，如果經(jīng)靜力荷載計(jì)算，結(jié)果認(rèn)為不需要配筋的部位，則應(yīng)當(dāng)配置結(jié)構(gòu)性鋼筋。在這種情況下，可以根據(jù)表1對(duì)縱向和橫向的塊體間的接縫開度進(jìn)行季節(jié)性調(diào)節(jié)。接縫之間的距離過大(超過1.5～3.0 m)，就有可能使塊體產(chǎn)生裂縫。但是，縫的開度和裂隙的形成不會(huì)對(duì)“大壩—基礎(chǔ)”系列的強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

(2)對(duì)溢流面的配筋設(shè)計(jì)應(yīng)先進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮到所有類型施工縫的實(shí)際形狀和所需要的裂縫開度程度。正如對(duì)方案進(jìn)行分析研究的結(jié)果一樣，對(duì)下游面配筋時(shí)，各塊體之間的鋼筋無需實(shí)施搭接。

(3)在與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)連接處的大壩下游面實(shí)施配筋時(shí)，應(yīng)根據(jù)該區(qū)域大壩混凝土的密實(shí)性進(jìn)行計(jì)算。在具有相應(yīng)的計(jì)算可能性的條件下，配筋的確定，應(yīng)考慮大壩和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中施工縫的開度，以及所允許的裂縫開度的程度。同時(shí)，結(jié)合區(qū)域的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和大壩的靜態(tài)作用方式不應(yīng)改變。

表1中所列出的所有類型的施工縫的間距，在任何情況下都應(yīng)適當(dāng)?shù)乜s小。

在對(duì)應(yīng)力變形狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須對(duì)溫度的影響進(jìn)行計(jì)算，這樣就需要運(yùn)用包括“混凝土—混凝土”接點(diǎn)形式在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型，用于計(jì)算其在溫度影響下的開度。毫無疑問，這樣就會(huì)使研制數(shù)學(xué)模型的工作量加大，但同時(shí)也將會(huì)為更有效的、具有運(yùn)用前景的數(shù)學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)工藝的研制創(chuàng)造前提條件，這些包括基于圖表處理程序的計(jì)算速度加快，開發(fā)具有自動(dòng)化設(shè)計(jì)體系的積分計(jì)算程序等。

4 結(jié)語

曾經(jīng)多次指出，俄羅斯現(xiàn)行的《建筑標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范》實(shí)際上已經(jīng)過時(shí)了，而且在制訂時(shí)，有關(guān)“水工建筑物-基礎(chǔ)”系列的應(yīng)力變形狀態(tài)的研究，有許多可能的和特別的研究方法均未能包含進(jìn)去(比如，計(jì)算圖表的繪制方法等)。盡管規(guī)范文件中也有對(duì)建筑物進(jìn)行整體計(jì)算等方面的要求，但是，制定這些要求的基礎(chǔ)，是建立在當(dāng)時(shí)使用的建筑力學(xué)與材料強(qiáng)度的計(jì)算方法之上的。

《建筑標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范》自20世紀(jì)80年代中期頒布實(shí)施以來，已完成的大量工程計(jì)算實(shí)踐已經(jīng)發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化。在后來的校訂中，包括在由俄羅斯統(tǒng)一電力系統(tǒng)電力和電氣化股份公司牽頭，組織修訂出版的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，所涉及的水工建筑物可靠性和安全性論證的章節(jié)，事實(shí)上，幾乎是未經(jīng)修改地照搬了原《建筑標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范》。因此，最有益的做法是，著手對(duì)由設(shè)計(jì)和科研機(jī)構(gòu)研制的有關(guān)水工建筑物可靠性與安全性的設(shè)計(jì)方案與科學(xué)論證方面的提議進(jìn)行整理并出版，比如說，將其列入《建筑標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范》的參考資料中。這樣，可以有效地使俄羅斯水工建筑物設(shè)計(jì)與計(jì)算領(lǐng)域所積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)得以歸總，并使其得到更有效地推廣運(yùn)用。