桁架式分縫清水池

王水華，李 健，劉忠宏

(中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院，四川成都610081)

1 清水池結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

隨著城市的飛速發(fā)展，水廠規(guī)模日趨增大，清水池的容積也逐漸加大。對于萬噸以上的大容積清水池，其平面尺寸會超過規(guī)范規(guī)定的溫度伸縮縫間距要求，需要設(shè)置變形縫以適應(yīng)溫濕度和混凝土的收縮變形。變形縫間采用橡膠止水帶連接，然后填以嵌縫膏。清水池設(shè)置伸縮縫以后，被分成了若干相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)受力單元，這些單元可分為角單元、邊單元、中單元、中隔墻邊單元和中隔墻中單元(圖1)。

圖1 分縫清水池單元示意圖

各單元除了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置差異很大外，其荷載也有很大的差異。除池頂覆土、頂板自重等豎向力外，外池壁和中隔墻還會受到內(nèi)水的水平壓力作用，在埋深較大時，基坑回填土及地下水對外池壁的側(cè)壓力也會較大。單元之間的這種結(jié)構(gòu)布置差異和荷載差異，都極大地增加了設(shè)計(jì)難度。

2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系及存在問題

2.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

清水池的外池壁和中隔墻因擋水需要，均為較厚的鋼筋混凝土墻板。為了支撐頂蓋，池內(nèi)還布置有很多的立柱(圖1中未畫出立柱)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系除了外池壁、中隔墻和立柱外，不再設(shè)置其它的抗側(cè)力構(gòu)件。

這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的分縫清水池，一般采用等代框架法計(jì)算。即將清水池按X、Y兩個不同方向分成若干榀框架，每榀框架分別進(jìn)行計(jì)算，不考慮其整體變形的協(xié)調(diào)性?，F(xiàn)以角單元為例，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系布置及計(jì)算簡圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系及計(jì)算簡圖

2.2 存在問題

從圖2可以看出，各單元因所處的位置不同，其主要抗側(cè)構(gòu)件(墻、柱)分布差異很大，在水平力(水壓力和水平地震力)的作用下，它們的變形情況會有極大的不同。

在內(nèi)水壓力作用下，各單元因受力不同其變形量差別很大。中單元只有立柱沒有墻板，而立柱四周受到的水壓力是均衡的，因此不會產(chǎn)生水平位移。邊單元外池壁則會受到較大的水壓力作用，且在相應(yīng)方向上沒有較強(qiáng)的抗側(cè)構(gòu)件，水平位移就比較大，有時會達(dá)到30 mm以上。這樣大的位移差會使變形縫間的橡膠止水帶長期處于拉應(yīng)力狀態(tài)，從而加速橡膠的老化，縮短其使用壽命。

在水平地震力作用下，各單元的變形量差異也會很大。某些單元(如角單元和邊單元)因?yàn)槠淇箓?cè)剛度嚴(yán)重不對稱，還會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在地震烈度較高時，這種變形差異就會造成各單元之間的變形縫寬度發(fā)生急劇變化，甚至出現(xiàn)頂板相互碰撞的情況，其破壞性是顯而易見的。而最容易被損壞的，依然是變形縫間的橡膠止水帶。

3 斜撐式結(jié)構(gòu)體系

針對分縫清水池傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的上述弊病，我院資深專家郭天木開創(chuàng)性地提出了斜撐式清水池的結(jié)構(gòu)體系。這種體系的核心思路就是在圖2所示的每榀等代框架上加設(shè)一道斜撐，以減小等代框架在水平力作用下的位移。設(shè)置斜撐后的等代框架，其水平位移可減小到10 mm以內(nèi)。這樣小的變形，對橡膠止水帶的不利影響幾乎可以忽略不計(jì)。斜撐一般布置在靠近外池壁或中隔墻的位置。以角單元為例，其斜撐布置及計(jì)算簡圖如圖3所示。

圖3 斜撐布置及計(jì)算簡圖

這種斜撐式結(jié)構(gòu)體系在我院設(shè)計(jì)的大型分縫清水池中得到了廣泛的應(yīng)用，并在國內(nèi)許多相關(guān)設(shè)計(jì)院推廣。到目前為止，采用這種結(jié)構(gòu)體系的清水池已經(jīng)遍布全國，其安全性和可靠性已經(jīng)得到了設(shè)計(jì)人員的普遍認(rèn)可。

但是，這種結(jié)構(gòu)體系還是存在一定缺陷的。從圖3可以看出，雖然在等代框架上加設(shè)斜撐后使得清水池的水平位移大為減小，但從總體來看，其抗側(cè)力構(gòu)件的布置還是嚴(yán)重不對稱，在地震力作用下，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)依然會很明顯，只是扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位移減小了很多而已。

4 桁架式結(jié)構(gòu)體系

4.1 桁架式清水池

清水池頂板一般都會覆蓋厚度500 mm以上的土層，荷載相對較大，板厚度基本都在150 mm以上，配筋也比較大。清水池分縫后，各單元的平面形狀一般都會接近于正方形，邊長在20～40 m之間。這樣一塊頂板，其平面內(nèi)的剛度是非常大的，也會有很強(qiáng)平面內(nèi)抗彎、抗剪能力。在水平荷載作用下，由于高剛度頂板的存在，各榀框架不可能自由變形，而是會相互牽制，最終達(dá)到變形協(xié)調(diào)。由此可見，將清水池分成若干榀框架分別進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果與其實(shí)際受力與變形情況是不符的。當(dāng)然，這樣的計(jì)算是偏于安全的。

對于這種分縫清水池，有沒有更為合理的結(jié)構(gòu)體系呢?為此筆者進(jìn)行了大量的工作，翻閱了很多相關(guān)資料，并進(jìn)行了許多的計(jì)算、比較，最終在斜撐式清水池結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，通過改變斜撐的布置方式，創(chuàng)新出了一種新型的斜撐式清水池——桁架式清水池。仍以角單元為例，桁架式清水池的結(jié)構(gòu)布置及計(jì)算簡圖如圖4所示。

圖4 桁架布置及計(jì)算簡圖

比較圖3、圖4可以看出，后者只是將原來分別布置于各榀等代框架上的斜撐集中布置到了變形縫邊的框架上，形成了一榀抗側(cè)剛度很大的桁架，總的斜撐數(shù)量并沒有增加。這樣，在單元的四周，都分布了剛度很大的抗側(cè)力構(gòu)件——墻板和桁架，原有結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)力構(gòu)件布置不對稱的情況得到了極大的改善。

這種結(jié)構(gòu)體系的水平力傳遞途徑與上述其它兩種結(jié)構(gòu)體系有明顯的區(qū)別，清水池頂板成了水平力傳遞的一個重要角色。以內(nèi)水壓力為例，水壓力首先作用在外池壁上，在頂板外邊緣形成一個向外的水平拉力，再由頂板將這個水平力向其兩邊的抗側(cè)力構(gòu)件(墻板和桁架)傳遞。這種結(jié)構(gòu)體系充分利用了清水池頂板平面內(nèi)的剛度和抗彎、抗剪能力，傳力途徑明確可靠，大大減輕了原有結(jié)構(gòu)體系扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯的弊端。事實(shí)上，這種結(jié)構(gòu)體系是將池壁、立柱、斜撐及頂板系統(tǒng)(宜采用梁板體系)作為一個整體進(jìn)行考慮的，是一個空間結(jié)構(gòu)體系。采用這種結(jié)構(gòu)體系的清水池，其水平位移可進(jìn)一步的減小，一般可控制在5 mm以內(nèi)。

4.2 桁架式清水池計(jì)算

由于桁架式清水池是一個空間結(jié)構(gòu)體系，采用人工計(jì)算就會有一定的難度。當(dāng)然也可以進(jìn)行簡化后用人工計(jì)算，只是其準(zhǔn)確性相對較差而已，但保證其安全是完全可以做到的。

以下介紹一種相對簡單的計(jì)算方法。還是以角單元受內(nèi)水壓力作用的工況為例進(jìn)行說明。首先，計(jì)算出水壓力作用下對頂板邊緣產(chǎn)生的拉力，并將這個拉力集中作用在每榀立柱外側(cè)的頂節(jié)點(diǎn)上，如圖4中所示的力F。剩下的事情，就可以交給計(jì)算機(jī)來完成了。相信任何一個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，都會熟練使用PKPM系列結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，其中的SATWE就可以用于這個結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算。計(jì)算時可按圖4用PMCAD進(jìn)行建模，將結(jié)構(gòu)所受到的外力輸入計(jì)算模型，然后用SATWE進(jìn)行計(jì)算就可以了。需要注意的是，有些荷載(如內(nèi)水壓力和外側(cè)基坑填土壓力)是不能同時輸入的，必須按不同工況下的荷載分別輸入模型進(jìn)行計(jì)算，并按最不利的工況進(jìn)行配筋。

從受力角度來說，在桁架的每一跨都布置了斜撐，形成一榀通長的抗側(cè)桁架，無疑是最好的。但在實(shí)際工程中，為了節(jié)省投資，斜撐的布置是可以適當(dāng)減少的，最好的方法就是按斜撐數(shù)量由少到多進(jìn)行試算，只要斜撐的數(shù)量能將清水池變形和構(gòu)件內(nèi)力控制在合理范圍以內(nèi)就足夠了。比如中單元，由于其所受水平力最小，一般只需要在四周各布置1、2跨斜撐就可以了。

4.3 桁架式清水池工程實(shí)例

現(xiàn)在，桁架式清水池的使用還相當(dāng)?shù)纳?，筆者也僅在成都香山加壓泵站工程中設(shè)計(jì)過一個這種結(jié)構(gòu)體系的清水池。

香山加壓站清水池平面尺寸96 m×90 m，兩個方向各設(shè)兩條變形縫，分為9個獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。這個清水池就是按前面介紹的桁架式結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)的。工程于2007年完工并投入使用，期間經(jīng)歷了2008年的“5·12”汶川特大地震，并沒有任何的損壞，可見這種結(jié)構(gòu)體系是安全可靠的。

5 結(jié)束語

雖然現(xiàn)在這種桁架式清水池還未得到廣泛的使用(主要原因是沒有進(jìn)行過任何推廣)，但其優(yōu)點(diǎn)還是很明顯的，希望通過這篇文章的刊登，能有機(jī)會與更多的同行進(jìn)行交流，讓這種新的結(jié)構(gòu)體系在工程中得到應(yīng)用。

[1]郭天木.斜撐設(shè)縫矩形清水池[C]∥郭天木論文集，2006

[2]CECS 117給水排水工程混凝土構(gòu)筑物變形縫設(shè)計(jì)規(guī)程[S]