第4卷《材料、结构》编写说明

白俊光　张宗亮

光阴似箭，时光如梭。转眼之间，参与组织修编《水工设计手册》(第2版)第4卷《材料、结构》的工作已经3年多了。第1版《手册》出版已有28年了，这期间，我国的社会经济事业迅猛发展，水利水电事业更是取得了巨大的成就，随着一大批技术复杂、规模宏大的水利水电工程的建设，新理论、新技术、新材料的应用和发展，使得我国水利水电工程设计技术水平和能力得到了显著提升，在工程材料、工程结构设计的理论、方法、材料、工艺等各方面都取得了巨大的进步和提升。本次的修编按照编委会科学性、一致性和实用性的技术路线要求，力求在第1版的基础上，全面、准确地反映水利水电工程材料科学、工程结构设计方面成熟的先进成果和设计经验，与国家和行业最新版本的技术标准、设计方法取得一致，以方便广大工程技术人员使用，并力争对工程设计人员起到应有参考指导作用。同时，本着《手册》是工具书，不是教科书，不是科技专著，也不是简单的技术标准条文罗列的特殊要求，针对当代设计人员的知识结构和设计手段现状，要求书稿的文字简洁明了流畅，内容实用且指导作用明确。在编委会和技术委员会的统一组织和领导下，在中国水利水电出版社编辑们的大力协助下，参与第4卷共7章修编的50多名专家和工程技术人员本着严谨、科学的工作态度和奉献精神，牺牲工作之余的休闲时间，辛勤工作，精益求精，反复推敲，经过章内、卷内参编人员多次讨论、调整，经过编委会和审稿专家、出版社的多重审核，参编人员多次认真修改完善，书稿才得以最终出版发行。真是来之不易!相信这些同仁的辛勤劳动成果，会对中国水利水电工程设计事业起到应有的促进作用，感谢各位专家和工程技术人员的辛勤劳动和友好合作。

各章的主要修编内容和提醒读者关注的有关问题分述如下。

1　第1章建筑材料

1.1　建筑材料的基本性质

《手册》第2版与第1版相比，这一节总的格局变化不大，都是以表格形式反映水工建筑物设计中经常采用材料的基本性质与物理指标的表达式、标准符号和标准单位等，反映主要建筑材料的特性名称、计算公式、强度参数、热力学系数等;第1版共2张表，修编后为4张表;对第1版中个别计算式做了订正，参数单位的表达更符合国家标准，本节对其他卷的相关材料的指标、符号、单位等起到统一指导作用;为了广大读者使用方便、计算简单，并与国家标准相配套，第2版中材料热力学参数采用摄氏温标体系。

1.2　水泥

第2版将“水泥”独立成一节，并大量增加篇幅与内容。主要就水利水电工程建设中经常遇到的10种水泥做了全面介绍，重点是其主要用途和使用中应注意事项。

1.3　掺合材料

第2版将“掺合材料”独立成一节，文字篇幅也相应增加，分别叙述掺合材料中活性掺合料和非活性掺合料，重点是介绍这些掺合材料的主要成分、技术性能以及使用中应注意事项。

1.4　水工混凝土骨料

第2版将骨料独立成一节，内容也扩充得较多。重点介绍骨料品质与混凝土性能的关系，对其中11项性能指标一一说明;介绍骨料品质特征与质量要求，以及特种混凝土对骨料质量的特殊要求，还就国内部分水利水电工程水工混凝土使用的骨料实例(共40余座水电站)列表在案，提供其主要技术指标，对阅读者可直接供作参考与借鉴。

1.5　水工混凝土外加剂

第2版中分别介绍9类混凝土外加剂。重点介绍这9类外加剂的技术特点以及使用中应注意事项。

1.6　水工混凝土

第2版以混凝土本身作为该节核心内容独立编写;除了对常态混凝土进行系统叙述外，增加了碾压混凝土的内容，详细介绍碾压混凝土配合比设计以及技术性能;对混凝土的抗拉抗压力学指标、热力学参数、干缩徐变特征、变形与耐久性等内容，提供较为详尽的资料，还用较多篇幅反映混凝土配合比的设计原则以及用不同的方法举例计算混凝土配合比中各种材料组成与用量。

1.7　特种混凝土

第1版中这部分内容归入“其他混凝土”一节，第2版中系统反映12种特种混凝土应用现状，介绍各种特种混凝土的基础概念、性能指标、参考配合比、具体用途以及施工中应注意事项。

1.8　砂浆材料

第2版中砂浆材料内容补充了许多，分为8个种类，分别介绍其相关技术性能和参考配合比。

1.9　防水和防腐蚀材料

第2版这节内容除了防水材料外，增加了防腐蚀材料，总共分为石油沥青、渣油、聚合物、防水卷材、防水涂料、防水密封油膏、防腐蚀材料等及其亚类。详细介绍了上述各种材料基本概念和适用范围以及主要技术性能等。

1.10　金属材料

第1版中的金属防腐蚀涂料在第2版中独立成一节;第2版中还增加了型钢、钢板桩，尤其钢丝和钢绞线内容，以适应水电建设中出现的各种防渗、支护等工程设计的需要。

1.11　土石坝填筑材料

在我国，当地材料坝长期以来及今后都在不断应用与发展，有的工程规模十分巨大。为此第2版中增加了土石坝填筑材料一节，包括了筑坝石料、防渗土、砾石土、红土、胀缩土、分散性黏土、冰积土等。

本节详细叙述各种土石坝填筑材料的基本概念、适用范围、材料组成和力学指标，以及在施工中应注意事项，具有较好的参考意义。

1.12　灌浆材料

第2版中灌浆材料扩充了相应内容，包括常用灌浆材料(水泥浆液类和水玻璃灌浆材料)、新型灌浆材料(沥青灌浆材料、无机灌浆材料、有机灌浆材料、复合灌浆材料、微灌浆材料)。并系统介绍各种灌浆材料的主要成分、物理性能和适用范围，更具有可读性和参考作用。

1.13　止水材料

第2版中止水材料包括了水工闸门橡胶水封、PVC止水带、铜止水带、不锈钢止水带、复合密封止水材料、无黏性反滤止水材料等，并反映各种止水材料的几何尺寸特征与物理力学参数以及适用对象，具有可读性和实用价值。

1.14　混凝土表面保温材料

第2版增写了这一节，以适应混凝土浇筑过后表面需要保护等作业要求，并提供温控专业设计知识，主要反映反映混凝土表面保温材料的种类和用途，保温材料的选择原则及尺度要求。

1.15　土工合成材料

本节为第2版新增内容，介绍了土工合成材料分类情况以及产品种类名录，包括了土工布、土工膜、土工复合材料、土工特种材料等4大类及20余种亚类。对各种材料详细介绍其构造形式、主要用途、技术特征以及有关事宜。

2　第2章水工结构可靠度

采用基于可靠度理论为基础的极限状态设计方法已成为国内外工程结构设计趋于认同的先进设计方法。多数工业结构设计技术标准都以此理论作为基础。第1版中没有此部分内容。本次修编专门增加此部分内容，以便读者学习查找方便。

本章分为5节，前3节主要介绍结构可靠度基本概念、单目标结构可靠度计算方法和体系可靠度计算方法。2.4节重点介绍单一安全系数法可靠度方法的工程应用，并以表格形式列出龙滩重力坝、二滩拱坝的可靠度计算分析的实例。2.5节介绍基于可靠度的分项系数极限状态设计法，介绍了水工结构分项系数极限状态设计表达式中的结构重要性系数、设计状态系数、作用分项系数、材料性能分项系数、结构系数等各分项系数的确定方法。还对分项系数极限状态设计法与单一安全系数设计法的差异做了比较。

本章参照《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB50199—94)编写，相关内容与2013年发布的《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》(GB50199—2013)基本一致，因GB50199—2013比GB50199—94有所扩充和删减，需要参阅时以GB50199—2013为准。

3　第3章水工建筑物安全标准及荷载

本章在第1版《手册》第4卷第17章“主要设计标准和荷载计算”的基础上，综合其他各卷有关内容，调整修订而成。所引水工建筑物安全标准及荷载内容来自水利、水电行业目前所见规范的最新版本。

本章内容的调整和修订主要包括3个方面:

(1)内容归并，由4节合并为2节。

(2)3.1节以最新的国家标准和行业标准为基础，列入了水利、水电工程等别及水工建筑物级别划分内容，增加了堤防、边坡级别划分内容;除传统的单一安全系数设计法外，还增述了以概率统计可靠度设计方法为基础的分项系数极限状态设计法，并对分项系数和单一安全系数的确定原则进行了说明。

(3)3.2节按最新的认识理念对水工建筑物各作用荷载进行了分类，共述及14种荷载。全节的荷载种类增加了地应力及围岩压力、温度(变)作用、灌浆压力等内容，第1版中的浮托力、渗透压力合并为扬压力。对于荷载计算方法与计算公式，在分项系数极限状态法及单一安全系数法两种设计方法中，除挡土墙的土压力计算在参数选取上有所不同外，其他基本相同，章中一一罗列。采用分项系数极限状态设计方法时，荷载计算应同时取用与之相匹配的荷载分项系数。

水利行业标准(SL系列)采用单一安全系数设计法，电力行业标准(DL系列)采用分项系数极限状态设计法。根据《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB 50199—94)的规定，各类水工建筑物应满足承载能力极限状态设计式[见本章公式(3.1 -1)]。公式中涉及到几个系数:结构重要性系数γ0;设计状况系数ψ;反映作用不确定性的作用分项系数γG(γQ、γE);反映材料性能不确定性的分项系数γm，还有反映作用效应计算模式不定性和抗力计算模式不确定性以及各分项系数未能反映的其他不确定性的承载能力极限状态结构系数γd。单一安全系数设计法中的安全系数K为考虑各种因素不确定性的一个综合的保险系数。从形式上看，极限状态设计法似乎是把一个安全系数分解为几个分项系数，实际上分项系数是按各因素统计特性按照结构失效概率相应确定的，具有比较明确的概率和风险特性。单一安全系数是工程界考虑了结构的安全等级、工作状态及荷载效应组合、结构和地基的受力特点和计算所用的方程(分析模型准确性差的取值高)、材料抗力试验方法和取值规则，以及作用值的勘测试验方法及取值规则等因素后，根据以往使用经验，对抗力进行折减，把抗力除以一个大于1的数K，此数K即为安全系数，风险特性并不明确。

目前工程界分项系数极限状态设计法和单一安全系数设计法并存使用，对于某些统计特性难以明确的因素，设计只能采用单一安全系数。而各分项系数的确定除了按统计特性及结构失效概率原则外，还参考了单一安全系数并进行相应套改，两种方法使用的设计效果基本相同。

本章共列入了14种在水工建筑物设计中常见的主要作用荷载的取值和计算方法。还有些作用难以计算确定，如预应力是人为施加的，不是计算确定的;锚杆作用机理尚不十分明确，也没有成熟公认的计算公式;孔隙压力是和土压力伴生的，计算非常复杂，等等。这些在《手册》中没有列入，需要时可参考有关专著。

4　第4章水工混凝土结构

将第1版《手册》第3卷第11章“钢筋混凝土结构”变更为第2版第4卷第4章“水工混凝土结构”。

第2版《手册》中的水工混凝土结构主要是依据《水工混凝土结构设计规范》(DL/ T5057—2009)与《水工混凝土结构设计规范》(SL191—2008)的规定编写的。由于两本标准关于承载能力极限状态的设计在实质上是基本相同的，仅在表达形式上有所差别，结构设计安全度和最终配筋量只是在某种情况下会略有不同，因此为了节省篇幅，本章以DL/T5057—2009为主进行编写，同时对SL191—2008与DL/T5057—2009有所不同之处则另加说明，相同之处就不再重复或加注。

《水工混凝土结构设计规范》(SDJ20—78)理论体系是允许应力法，采用单一安全系数，没有“基本设计规定”章节，也没有“温度作用设计原则”章节，为了更加清楚阐述新规范理论体系和温度作用效应，本次增加了“基本设计规定”、“温度作用设计原则”两节，取消了第1版的“总则”一节，本章由原来的9节变为10节。

为反映计算科学技术和我国水电水利建设的发展现状，增加了“弧形闸门预应力混凝土闸墩”、“钢筋混凝土蜗壳”、“钢筋混凝土尾水管”、“平面闸门门槽”、“坝体内孔洞”、“非杆件体系结构裂缝控制验算”等内容。

根据计算公式的不适用性或在水工结构设计的实际情况，删除了“受弯构件斜截面的抗弯强度计算”和“受拉边倾斜的矩形、T形、工字形截面的受弯构件斜截面的抗剪强度计算”等内容。

根据内容的调整，把原来的第9节变为4.10节，删除其中的“少筋混凝土结构”的内容。

第2版《手册》出版过程中，《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB50199—94)进行了修订，2013年发布《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》(GB50199—2013)，编制人员按照GB50199—2013的技术要求对第4章“水工混凝土结构”的内容进行了复查，本章内容符合新标准的要求，技术内容没有变化，在此特别进行说明。

5　第5章砌体结构

在材料性能和基本设计规定方面，与《砌体结构设计规范》(GB50003—2001)统一，增加了空心砖的设计参数。

在结构构件计算章节，将所有构件的计算合并为一节。同时，针对不同的结构构件，增加较为实用的计算例题。

增加了砌体结构的构造措施一节，在此节中，介绍了砌体房屋墙、柱的高厚比限值，砌体房屋结构的一般构造要求，砌体房屋结构防止或减轻墙体开裂的主要措施，水工浆砌石坝构造规定，水工砌石挡墙构造规定，土石坝砌石护坡构造规定，渠道(防渗)砌护构造规定，砌石基础构造规定，浆砌涵洞、桥墩(台)构造规定，砌体房屋结构抗震构造措施。

限于篇幅要求，对于配筋砖砌体构件、配筋砌块砌体构件内容，未作介绍，如果需要，可另外查询有关的设计手册。

6　第6章钢结构

本次修编以第1版《手册》第3卷第13章“钢木结构”为基础，内容范围主要针对水电站建筑中一般的钢结构设计，不包括水工钢闸门、压力钢管和泄水建筑物钢衬等内容，水工钢闸门、泄水建筑物钢衬在第7卷《泄水与过坝建筑物》中有专门的章节，压力钢管在第8卷《水电站建筑物》中也有专门的章节内容。出于环境保护的要求和新材料的广泛使用，近年木结构建筑已经很少修建，在水电站附属建筑物中也很少使用，因此《手册》(第2版)删除了木结构有关内容。而空间网架屋盖近年来在水电站中应用较为常见，因此在结构设计章节增加了空间网架设计屋盖的一些内容，比如形式及选型、一般规定、原则和方法等。

考虑技术进步并与现行《钢结构设计规范》(GB50017—2003)相一致，与第1版《手册》相比，本次修编的计算方法采用概率极限状态法，用分项系数设计表达式进行计算，弃用了传统的容许应力法。

较系统列入了水工钢结构常用钢的分类，更新了钢材的钢牌号，并给出了钢材的选用原则和主要选用规定。

按照极限状态设计法，对第1版的计算公式进行了修正;并列出了钢材和连接件的强度、结构变形等主要设计指标。

本次修编将钢结构防腐蚀措施内容纳入本章。主要列出了涂料保护和热喷金属保护这两种防腐蚀措施，对于水工钢结构建筑不常用的阴极保护则没有列入。

《手册》(第2版)第4卷《材料、结构》出版过程中，《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB50199—94)进行了修订，2013年发布《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》(GB50199—2013)，编制人员按照GB50199—2013的技术要求对“第6章钢结构”的内容进行了复查，本章内容符合新标准的要求，技术内容没有变化，在此特别进行说明。

7　第7章水工结构抗震

30多年来，水工抗震学科发展迅速，《水工建筑物抗震设计规范》(SL203—97、DL 5073—2000)早已颁布实施，水利水电工程的建设规模、抗震设防水准和抗震设计要求都发生了较大变化。基于以上情况，第2版与第1版比较，在编写格局和内容上都有较大调整。

第2版遵循以下基本原则:一是立足于成熟的科研成果和抗震设计经验，重点介绍水工抗震设计应遵循的基本原则、设计步骤和设计计算和安全评价方法;二是适当介绍近年来该领域的最新研究成果及其在实际工程中的应用;三是结合实际工程抗震设计成果的重点介绍，便于工程设计人员的理解、掌握。

为便于设计人员理解和应用，本次修编中节次安排基本按照SL203—97、DL5073—2000中的章节目录进行。

为使本章内容更加简练和实用，本次修编中，在适当删除了一些有关工程地震、结构动力学、大坝—地基—库水动力相互作用方面的一些基本概念、基本理论、数值模拟方法等内容的同时，主要在以下方面做了适当补充和完善:

(1)基本规定和要求。重点论述水工抗震设计的基本原则和规定，以及构成水工结构抗震设计基本前提的抗震设防水准和目标。

(2)筑坝材料的动态性能。这是对大坝抗震设计和安全评价有重要影响的因素。限于当时的发展状况，第1版《手册》中未包括此部分。近年来，针对大坝混凝土和土石料的动态性能方面取得了许多研究成果，故作适当介绍。

(3)在地震作用方面，根据近年来的研究成果，增加了对工程场址地震输入机制方面的介绍，包括场址设计峰值加速度、坝址地震动输入方式、自由场入射地震动输入机制研究等。其中，尤其对于地震部门给出的工程场址设计基岩水平向峰值加速度的物理涵义给出了清晰的阐述，便于广大设计人员准确理解和应用到工程抗震设计中。

(4)重点体现以动力法为主、按承载能力极限状态进行水工结构抗震安全评价的内容。第1版《手册》中，水工结构抗震设计还处于以拟静力法为主、按确定性的容许应力或安全系数评价水工结构抗震安全的阶段。第2版中所依据的SL203—97、DL5073—2000，除土石坝外的各类水工结构，其设计计算方法已实现了从拟静力法为主向动力法为主的转变、抗震安全评价方法实现了从确定性方法到以概率法为基础的承载能力极限状态设计方法的转变，故本版作重点介绍。

(5)2008年“5·12”汶川地震后，国家有关部门提出要求，对于大、中型水电工程除进行设计地震下的抗震设计外，增加了校核地震工况的设防要求，同时对于重大工程还应进行极限抗震能力研究。本版中适当增加了这方法的内容。

(6)对混凝土重力坝、拱坝和土石坝，结合实际工程，对其抗震设计包括的地震动参数确定、大坝材料动态性能、计算分析(模型试验)成果分析和大坝抗震安全评价、工程抗震措施设计的完整过程以典型工程为例进行较为详细的介绍，便于设计人员理解和应用。

(7)对汶川地震中我国典型混凝土坝和土石坝的震害进行了总结分析。对宝珠寺重力坝、沙牌拱坝和紫坪铺面板堆石坝在汶川地震中的震害进行了全面系统的总结，在此基础上，结合大坝的抗震设计情况，从震害现象中总结经验教训，对今后类似工程的抗震设计有重要借鉴价值。

(8)增加了进水塔、渡槽、地下结构和升船机的抗震设计内容。限于当时这些结构形式的抗震设计计算方法尚不成熟以及工程设计经验的缺乏，第1版中对于这些结构的抗震设计，仅仅简单介绍了进水塔动态特性的近似计算等。第2版中在对这些结构型式抗震研究和设计成果进行总结的基础上，全面介绍了其抗震计算和安全评价方法、工程抗震措施等抗震设计方面的内容。

(9)增加了水工结构振动台动力模型试验的内容。第1版中，由于当时国内还缺少可用于动力模型试验的振动台设备，水工结构振动台动力模型试验研究尚处起步阶段，故未包含此部分内容。随着我国国民经济和水利水电事业的发展，一些单位已建置了具有国际先进水平的大型地震模拟振动台，并结合一些重要大坝及其他水工结构工程开展了大量的试验研究，取得了许多有价值的研究成果，对水工结构的抗震设计有重要参考价值。现行抗震规范规定，对于抗震设防类别为甲类的、设计烈度8度、9度的水工建筑物应进行动力试验验证。因此，第2版中增加了相关内容，重点介绍混凝土坝和土石坝抗震试验中关于相似条件、模型材料、动力加载、量测和采集技术以及结合数值计算成果综合评价大坝的抗震安全。