淺談普通凈（污）水廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐勛

【摘要】本文簡(jiǎn)單的介紹了一般框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、凈（污）水廠框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)、構(gòu)筑物抗浮水位及裂縫控制。

【關(guān)鍵詞】抗浮水位；混凝土水池；裂縫；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、建筑物

凈（污）水廠主要的建筑物有：門(mén)衛(wèi)、機(jī)修倉(cāng)庫(kù)、綜合樓、加藥間、加氯間、污泥脫水機(jī)房、鼓風(fēng)機(jī)房、變配電間等，這些建筑物一般都是框架結(jié)構(gòu)。

1.1框架結(jié)構(gòu)布置

框架結(jié)構(gòu)是由梁、柱構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)，既承受豎向荷載，又承受風(fēng)荷載和地震作用，其特點(diǎn)是柱網(wǎng)布置靈活，便于獲得較大的使用空間；同時(shí)框架結(jié)構(gòu)由于構(gòu)件截面較小，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度都較低，在地震中容易產(chǎn)生震害。因此，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)在縱橫兩個(gè)方向都布置為框架。

由于框架結(jié)構(gòu)在縱橫兩個(gè)方向都承受很大的水平力，因此都應(yīng)做成剛接框架結(jié)構(gòu)，保證盡可能多次超靜定，這是抗震的本質(zhì)。對(duì)于抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)多次超靜定相當(dāng)于多條防線，從而使結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)單道防線產(chǎn)生的瞬間損壞式坍塌。

對(duì)于結(jié)構(gòu)的平面形式，為了保證結(jié)構(gòu)縱橫兩方向都有足夠的承載力和剛度，高層框架結(jié)構(gòu)宜采用方形、圓形、正多邊形等規(guī)則、對(duì)稱的平面，使兩個(gè)方向上尺寸和剛度都接近；當(dāng)結(jié)構(gòu)采用不規(guī)則的平面形狀，如H形、Y形、V形等形狀時(shí)，由于結(jié)構(gòu)傳力路線復(fù)雜，且容易引起結(jié)構(gòu)的較大扭轉(zhuǎn)和一些部位的應(yīng)力集中，為了保證結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)有很大的剛度，應(yīng)盡可能減小外伸段的長(zhǎng)度。

1.2柱設(shè)計(jì)

（1）初步確定柱截面尺寸

《抗規(guī)》[1]6.3.5條和《高規(guī)》[2]6.4.1條對(duì)柱截面的尺寸提出了一些要求，主要有：截面的寬度和高度，四級(jí)或不超過(guò)2層時(shí)不宜小于300mm，一、二、三級(jí)且超過(guò)2層時(shí)不宜小于400mm；圓柱的直徑，四級(jí)或不超過(guò)2層時(shí)不宜小于350mm，一、二、三級(jí)且超過(guò)2層時(shí)不宜小于450mm；剪跨比宜大于2；截面長(zhǎng)邊與短邊的邊長(zhǎng)比不宜大于3。

（2）柱軸壓比控制

柱軸壓比是影響柱抗震性能的主要因素之一，為了使柱具有很好的延性和耗能能力，規(guī)范采取的措施之一就是限制軸壓比。

《砼規(guī)》[3]11.4.16條、《抗規(guī)》6.3.6條及《高規(guī)》6.4.2條同時(shí)對(duì)柱軸壓比限制提出了要求。

a.抗震等級(jí)越高的建筑結(jié)構(gòu)，其延性要求也越高，因此對(duì)軸壓比的限制也越嚴(yán)格；抗震等級(jí)低或非抗震時(shí)可適當(dāng)放松，但任何情況下不得大于1.05。

b.當(dāng)柱軸壓比超限時(shí)，可采取增大柱截面尺寸、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)等措施來(lái)降低柱軸壓比使其滿足規(guī)范要求，也可通過(guò)復(fù)合箍筋來(lái)提高軸壓比的限值。在高層建筑中，也常采用設(shè)置芯柱的方法來(lái)提高軸壓比限值（總體提高≤0.15）。

（3）短柱

剪跨比不大于2、柱凈高與柱截面高度之比不大于4的柱為短柱，箍筋需要全高加密。（如樓梯間與梯梁相連的柱子）

1.3凈（污）水廠框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

根據(jù)《設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)》[4]5.1.3條、5.1.4條及相應(yīng)條文說(shuō)明可知全國(guó)絕大部分縣級(jí)（含）以上的水廠中的主要水處理建（構(gòu)）筑物應(yīng)劃為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）；《抗規(guī)》6.1.5條中規(guī)定：乙類建筑不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)。水廠設(shè)計(jì)時(shí)，由于工藝的特殊要求（如設(shè)置吊車），往往不能避免有單跨框架。這時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)有一定的變通。下面以一個(gè)7度區(qū)新建6.0萬(wàn)噸/天的凈水廠的送水泵房（長(zhǎng)×寬×高：21.50×7.50×6.5）為例子。因工藝要求，送水泵房?jī)?nèi)設(shè)有電動(dòng)單梁懸掛起重機(jī)，故在房屋的中間不能有柱子。圖2（單跨框架結(jié)構(gòu)）的布置滿足了工藝要求也滿足受力的要求，但不滿足《抗規(guī)》6.1.5條的要求。圖3（非單跨框架結(jié)構(gòu)）的布置則同時(shí)滿足了工藝要求和規(guī)范要求。需要注意的是有單跨框架不一定就是單跨框架結(jié)構(gòu)，只有在框架結(jié)構(gòu)中，某個(gè)主軸方向均為單跨框架，或兩個(gè)多跨之間的最大距離過(guò)大時(shí)，才可認(rèn)定為單跨框架結(jié)構(gòu)。圖4（框剪結(jié)構(gòu)）的布置也同時(shí)滿足了工藝要求和規(guī)范要求，但是甲方認(rèn)為單層的建筑做成框剪結(jié)構(gòu)造價(jià)偏高，故在設(shè)計(jì)中采用較少。

由上表看出凈（污）水廠的框架等級(jí)會(huì)比一般民用建筑的框架等級(jí)高一級(jí)，同時(shí)水廠框架抗震等級(jí)為二級(jí)，《抗規(guī)》6.3.9條規(guī)定角柱箍筋全高加密。由于水廠工藝的要求，往往層高會(huì)比較高，柱截面尺寸大小一般不是按軸壓比控制，而是位移角控制的情況比較多。

2、構(gòu)筑物

凈水廠主要的構(gòu)筑物有：取水泵房、沉淀池、濾池、清水池、送水泵房、排水排泥池等。污水廠主要的構(gòu)筑物有進(jìn)水泵房、沉砂池、二沉池、生化池、高效沉淀池、濾池、接觸消毒池等。水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的就是抗浮和裂縫。

2.1抗浮水位的確定

水池占地大且內(nèi)部空曠，抗浮設(shè)計(jì)尤為重要?！朵摻铐潘亟Y(jié)構(gòu)規(guī)程》[5]中對(duì)水池的整體抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)取為 1.05，一般抗浮設(shè)計(jì)水位均取用水文資料的最高地下水位。我們?cè)趯?shí)際的工程中，很多工程地質(zhì)勘查報(bào)告所提到的地下水位并不是從地方水文資料分析得到的，在勘查報(bào)告中反映出來(lái)的數(shù)據(jù)往往是勘測(cè)期間的數(shù)據(jù)。如果勘測(cè)期間正好處于旱季或者枯水期，那得到的水文資料僅反映勘測(cè)期間的地下水位情況，所提供的地下水位標(biāo)高將難以被設(shè)計(jì)取用，或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)計(jì)算偏不安全。對(duì)于此類勘查報(bào)告，我們需要與詳勘單位溝通，以得到比較權(quán)威的水文數(shù)據(jù)用于工程設(shè)計(jì)。

2.2縫的設(shè)置

《鋼筋砼水池結(jié)構(gòu)規(guī)程》7.1.3條規(guī)定：伸縮縫的間距，根據(jù)水池的結(jié)構(gòu)類別、地基類別和水池的工作條件等設(shè)置，一般為 20～30米，同時(shí)還要根據(jù)工藝專業(yè)的條件的布置做適當(dāng)調(diào)整?？p寬一般為 30mm，在實(shí)際的工程中，同一剖面上連同基礎(chǔ)或底板斷開(kāi)，通常沉降縫、伸縮縫、抗震縫三縫合一。對(duì)于大型的水池，一般需設(shè)置多道這種伸縮縫，伸縮縫的設(shè)置在實(shí)際使用中容易造成以下一些問(wèn)題：（l）水池結(jié)構(gòu)整體性差、抗震措施較復(fù)雜；（2）橡膠止水帶處節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，不易澆筑密實(shí)；（3）當(dāng)橡膠止水帶本身存在著質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，其施工質(zhì)量不易控制。在《鋼筋砼水池結(jié)構(gòu)規(guī)程》中有指出，當(dāng)采取可靠措施時(shí)，伸縮縫的間距可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，意即在采取可靠措施時(shí)，超長(zhǎng)水池結(jié)構(gòu)也可不設(shè)置伸縮縫?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置混凝土后澆帶、使用補(bǔ)償收縮混凝土，增設(shè)加強(qiáng)帶、使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)等可靠措施來(lái)替代伸縮縫。

對(duì)于不能一次完成澆筑的水池底板、壁板，在施工中需留有施工縫，施工縫應(yīng)設(shè)在池壁上。在選擇施工縫位置時(shí)，應(yīng)符合溫度應(yīng)力計(jì)算所選擇的位置，鋼筋在施工縫處貫通不斷，且施工縫應(yīng)設(shè)置在構(gòu)件受力較小的部位，在施工過(guò)程中要盡量縮短施工縫上、下兩段混凝土的澆筑間隙時(shí)間。因在施工縫處先后兩期分期澆筑的混凝土間的結(jié)合要比一次澆筑的混凝土要差，故在施工縫處需加設(shè)企口、在斷面處采取埋設(shè)止水帶或者外貼式止水帶和表面設(shè)槽口嵌入封縫料等措施。

2.3裂縫的控制

由上表可以看出各規(guī)范對(duì)最大裂縫限值要求基本一致，筆者在工程設(shè)計(jì)中最大裂縫寬度一般控制在 0.2mm。各規(guī)范對(duì)鋼筋的混凝土最小保護(hù)層限值的要求不一致，相差較大；筆者在工程設(shè)計(jì)中一般以《鋼筋砼水池結(jié)構(gòu)規(guī)程》為準(zhǔn)。在這里要說(shuō)明的是有時(shí)候?qū)張D專家會(huì)要求鋼筋的最小保護(hù)層厚度按《地下防水規(guī)范》規(guī)定的50mm設(shè)計(jì)，這對(duì)水池的配筋和裂縫影響很大。

根據(jù)《砼規(guī)》7.1.2條裂縫計(jì)算公式：

cs-最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離（mm）：當(dāng)cs <20時(shí)，取cs =20 ；當(dāng)cs >65時(shí)，取cs =65。

《砼規(guī)》8.2.1條對(duì)鋼筋的混凝土保護(hù)層 的定義：最外層鋼筋的保護(hù)層厚度。

由cs和c兩者的定義可以看出水池的cs =c。由裂縫公式可以看出裂縫大小與保護(hù)層厚度成正比。水池的配筋一般以裂縫控制為主，為了能控制裂縫寬度，對(duì)應(yīng)的鋼筋會(huì)增加很多，直接導(dǎo)致工程造價(jià)發(fā)生較大幅度上浮。

《耐久性規(guī)范》[7]3.5.4條：對(duì)裂縫寬度無(wú)特殊外觀要求的，當(dāng)保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度超過(guò)30mm時(shí)，可以將厚度取為30mm計(jì)算裂縫的最大寬度。對(duì)應(yīng)條文說(shuō)明：表面裂縫最大寬度的計(jì)算值可根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010或現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D62的相關(guān)公式計(jì)算，后者給出的裂縫寬度與保護(hù)層厚度無(wú)關(guān)。研究表明，按照規(guī)范GB 50010公式計(jì)算得到的最大裂縫寬度要比國(guó)內(nèi)外其他規(guī)范的計(jì)算值大得多，而規(guī)定的裂縫寬度允許值卻偏嚴(yán)。增大混凝土保護(hù)層厚度雖然會(huì)加大構(gòu)件裂縫寬度的計(jì)算值，但實(shí)際上對(duì)保護(hù)鋼筋減輕銹蝕十分有利，所以在JTG D62中，不考慮保護(hù)層厚度對(duì)裂縫寬度計(jì)算值的影響。此外，不能為了減少裂縫計(jì)算寬度而在厚度較大的混凝土保護(hù)層內(nèi)加設(shè)沒(méi)有防銹措施的鋼筋網(wǎng)，因?yàn)殇摻罹W(wǎng)的首先銹蝕會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)片外側(cè)混凝土的剝落，減少內(nèi)側(cè)箍筋和主筋應(yīng)有的保護(hù)層厚度，對(duì)構(gòu)件的耐久性造成更為有害的后果。荷載與收縮引起的橫向裂縫本質(zhì)上屬于正常裂縫，如果影響建筑物的外觀要求或防水功能可適當(dāng)填補(bǔ)。

結(jié)語(yǔ)：

本質(zhì)上來(lái)說(shuō)鋼筋保護(hù)層的問(wèn)題是結(jié)構(gòu)耐久性的問(wèn)題，所以當(dāng)有專家要求鋼筋的最小混凝土保護(hù)層50mm時(shí)，筆者會(huì)按《耐久性規(guī)范》規(guī)定的保護(hù)層30mm計(jì)算裂縫，應(yīng)力及配筋按保護(hù)層50mm計(jì)算，這樣和原先的計(jì)算結(jié)果相差不大，對(duì)工程造價(jià)基本無(wú)影響。對(duì)于凈（污）水廠建筑物的高度，結(jié)構(gòu)一定要考慮起吊設(shè)備，一般工藝會(huì)提供吊鉤到地面的凈距離的要求，而結(jié)構(gòu)要根據(jù)梁高和吊車埋件的情況來(lái)最終確定建筑物的高度反提給工藝和建筑專業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010（2016年版）

[2]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3—2010

[3]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010（2015年版）

[4]《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008

[5]《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》CECS138-2002

[6]《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》GB50108-2008

[7]《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50476-2008

[8]《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)答及分析》朱炳寅.編著