水利水电工程中材料特性的应用

GXF360 2017-11-05

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水利水电工程中材料特性的应用

□黄芝兰（江西赣禹工程建设有限公司）

摘要：材料力学在水利水电设计、施工阶段应用广泛，其结合相关的力学模型分析，对水利工程合理选择材料做出了细致说明。为有效提升水利工程的安全性和实用性，最重要的是掌握科学方法，保证水利工程在投入使用后更加持久耐用，通过相关的材料特性知识展开具体分析，同时探讨材料力学特性在水利工程中的应用价值，具有一定的参考价值。

关键词：材料力学；水利水电工程；应用价值

0 引言

水利工程是否安全，合理选取材料并投入建设是关键。材料力学的相关知识和理论能够解决此类问题，并且在建筑材料的选择和水利工程建设方面发挥出良好的应用价值。

1 水利水电工程中混凝土的变形情况分析

混凝土本身就是一种应用较为广泛的材料，特别是在现代水利工程的建设中，属于应用范围广、应用量大的建筑材料。混凝土凭借着超高的强度和耐用性，受到了各行各业的关注，但是混凝土的劣势也不容忽视，它缺乏优良的抗拉强度，在面临温度和湿度等不稳定因素影响下，很容易出现裂缝。为此，研究混凝土的变性条件对于保障水利工程项目的安全性具有深远意义。

1.1 自生体积变形

如果处于恒温或者是绝湿的条件下，胶凝材料往往会受到水化作用的影响促使混凝土的体积发生变形，从而引发自生体积变形。这种自生体积变形与水泥的使用量、品种等有着直接关系。膨胀性自生体积变形在混凝土结构降温的时候可以产生拉应力，从而发挥出相应的补偿作用。在宏观角度分析，自生体积变形属于一种均匀的变化，因此，面对内外温差的存在，可能无法体现出补偿作用，只能对外部的约束作用产生的温度应力起到补偿价值。

1.2 干湿变形

如果混凝土逐渐失去水分，会出现收缩的情况，在特定情况下，如果吸收了水分，则可能出现膨胀状态，使得湿度影响下的体积变化导致混凝土发生干湿变形。混凝土的内部温度状态往往会因为环境温度和导湿性能再次产生严重后果。

1.3 自由温度变形

在没有任何约束条件的影响下，只通过温度变化引起的变形称为混凝土的自由温度变形。如εx=εy=εz=αT，γxy= γyz=γzx=0，也就是将α视为热膨胀系数，发现膨胀系数是可以直接影响到温度应力数值的，因此对相关的混凝土温度应力来说，α就是一个非常重要的参考数值。

1.4 弹性变形和徐变

理想的弹性体在受到某种单向力的影响时，在应力和应变之间可能符合σ=Eε定律，在这个式子中，E就是弹性模量。当应力保持不变的时候，应变也可保持不变，但是具体的情况不是如此简单。根据相关资料证明，当应力保持不变的时候，混凝土的应变可以伴随着时间的变化而发生改变，此类现象属于徐变。

2 水利水电工程中建筑材料的选取和设计

水利水电工程项目中，根据建筑物的不同部位，选取的构件与设计过程不同，从而更有针对性地提升建筑物强度与稳定性，不同的材料和构件可以发挥出不同的强度，因此在实际选取的过程中，应该格外重视实用性。

2.1 预应力混凝土的选取和设计

预应力混凝土结构通常是指在结构承受到负荷作用之前，可以适当对其施加压力，保证在外荷作用的影响下，受到拉区混凝土从内到外产生的压应力，通过利用此种压应力，合理抵消或者是适当减小外荷载产生的拉应力，确保结构在投入使用的过程中不会出现裂缝问题，同时也能进一步延长裂缝出现的时间。如图1所示。

图1 预应力混凝土结构示意图

2.2 建筑构件的构造设计

材料力学着重以固体物为主要的研究对象，特别是相关构件的研究，重视拉压、剪切、弯曲等基本的外作用力影响下材料的力学性能。通过相关的实践证明，各种固体材料在接受基本外作用力的时候，均能呈现出不一样的力学性能。依照不同的力学性能，可以适当地选取符合条件的构件材料。

2.3 材料的选择

2.3.1 拉压力

在选取此类构件材料的时候，应该格外关注构件内部的拉压反向应力，钢材凭借着与其抗拉压能力相近，成为最受欢迎的现代建筑材料。砖石本身的抗拉应力远小于抗压能力，因此在较长的时间段内，砖石成为炙手可热的墙体材料。面对多种单一的材料，应该全面分析其抗拉压优缺点，明确现代建筑材料的开发主要是将不同性能的材料复合作用到一起，使复合材料体现出优良的力学性能，同时也展示出良好的化学与物理性能。

2.3.2 扭曲变形与剪切

构件本身的横截面往往会出现剪应力，但是扭曲变形和剪切时出现的剪应力存在着明显差别。在受到剪应力作用的时候，构件断面可能会出现相对的错动，同时构件局部也能受到应压力的作用，断面之上的剪应力和拉应力相对于工作中的建筑构件，会产生较大的扭转变形，减弱构件的强度和刚度。因此，在实际设计的过程中，应该及时避免或减少此类情况的发生。

2.3.3 材料的设计

建筑物会受到多种自然因素的影响，因此组成的构件会发生不同程度的变形。如果发生的变形幅度较大，可能会影响建筑物的正常使用。在设计的过程中，应该注重经济合理的原则，从空间力学的角度上分析，应该适当的将合理与经济结合到一起，使得构件在发生外作用力的同时，产生内部的正应力和剪应力，利用材料力学的应力计算方法规划出构件截面的尺寸参数，从而更加科学地选取截面形状，确保实现经济实用的目的时，也能有效地增强构件强度和刚度，使其更加持久耐用。