探尋鋼結(jié)構(gòu)在市政排水工程中的設(shè)計(jì)與對(duì)策

趙曉燕 黃 暉

1. 西城工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310000

2. 浙江建大規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 浙江 杭州 310000

由鋼制材料組成的鋼結(jié)構(gòu)建筑，因鋼結(jié)構(gòu)擁有強(qiáng)度高、自重輕、整體剛度好以及抵抗變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于跨度較大、超高以及超重型建筑物。也正因其高強(qiáng)度、延性好其結(jié)構(gòu)截面可以選的比混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕巧，但如果設(shè)計(jì)方法不得當(dāng)就更容易結(jié)構(gòu)破壞，特別在抗震地區(qū)。

市政排水工程中，綜合處理車間、板框車間及維修車間等其有以下幾大特點(diǎn)：1、空間大、設(shè)備管道多；2、車間內(nèi)設(shè)備重，并往往伴隨著振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)；3、所處的環(huán)境比較“惡劣”，不僅面臨著高濕度、而且還有因水處理中過程中產(chǎn)生的微腐蝕性的氣體等；4、設(shè)備的檢修、維護(hù)、更換等需要預(yù)留專用通道。

因此，在市政排水類工程中，需注重結(jié)構(gòu)布局合理、對(duì)鋼材需采取對(duì)應(yīng)防腐措施，還需要解決鋼結(jié)構(gòu)的防火問題[2]。

1 我國鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀及在市政排水中應(yīng)用前景

隨著我國倡導(dǎo)集約型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，土地作為不可再生資源，能夠在寸土寸金的市中心相同占地面積前提下也就催生了多層、高層、超高層的純鋼結(jié)構(gòu)體系或混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)混合體系的建筑。鋼結(jié)構(gòu)利用它較小的結(jié)構(gòu)截面可以獲得更多的實(shí)際使用面積以及相同層高前提下獲得更大的凈空高度。

根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》，國家“十三五”期間的節(jié)能減排目標(biāo)的具體措施中，明確需深化主要污染物減排，要建立健全企事業(yè)單位總量控制制度，控制重點(diǎn)流域和工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、移動(dòng)源污染物排放；實(shí)施節(jié)能、循環(huán)經(jīng)濟(jì)。主要大氣污染物和主要水污染物減排等重點(diǎn)工程。

各地方政府為了實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，都很重視市政排水工程中污水的處理。各地污水處理廠紛紛新建、擴(kuò)建以及提升改造等。

2 市政排水工程中鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)與對(duì)策

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是"概念設(shè)計(jì)"，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。市政排水的概念設(shè)計(jì)從工藝布置開始，在工藝專業(yè)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)工程師提前介入，對(duì)樓層上設(shè)備的布置、樓板洞口的預(yù)留，還有結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的布置，整體高度、凈空高度的確定等根據(jù)專業(yè)知識(shí)提供合理建議[3]。

設(shè)計(jì)師根據(jù)工程的不同特點(diǎn)采取對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)對(duì)策。大跨度廠房屋面當(dāng)要考慮懸掛檢修吊車或作為下方設(shè)備的懸掛點(diǎn)時(shí)，可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。為了減少設(shè)備振動(dòng)的沖擊作用，在框架中就近布置柱間支撐將荷載最直接地傳導(dǎo)到基礎(chǔ)。樓面上的大型設(shè)備布置應(yīng)與主結(jié)構(gòu)布置匹配。盡量保證樓板的連續(xù)性，避免局部過大開孔造成樓板剛度削弱。對(duì)局部樓層較高的，可利用中間的檢修走道，為立柱提供平面外支撐。

一般來說，結(jié)構(gòu)體系要?jiǎng)偠染鶆?、力學(xué)模型清晰。盡可能利用綜合因素使各部分成為有機(jī)體系、挖崛合理因素，使其以最直接的傳力線路將荷載傳遞到基礎(chǔ)。讓抗側(cè)剛度形心與結(jié)構(gòu)重心盡量重合，減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。選擇合適的平面外支撐系統(tǒng)，減少構(gòu)件計(jì)算長度，必要時(shí)，可采用格構(gòu)柱等空間受力更合理構(gòu)件[4]。

在良好的概念設(shè)計(jì)和體系選擇前提下，需通過設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體分析。新版的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》增加了結(jié)構(gòu)分析方法，首次引入的“直接分析法”和“基于性能的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法”。

當(dāng)采用直接分析設(shè)計(jì)法時(shí)，可以直接建立帶有初始幾何缺陷的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件單元模型，也可以用等效荷載來替代。在直接分析設(shè)計(jì)法中，應(yīng)能充分考慮各種對(duì)結(jié)構(gòu)剛度有貢獻(xiàn)的因素，如初始缺陷、二階效應(yīng)、材料彈塑性、節(jié)點(diǎn)半剛性等，以便能準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)行為。直接分析設(shè)計(jì)法作為一種全過程的非線性分析方法，不允許進(jìn)行荷載效應(yīng)的迭加，而應(yīng)采用荷載組合進(jìn)行非線性求解[5]。

因市政排水工程設(shè)備繁多，工藝布局復(fù)雜，需采用結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行空間有限元整體分析，根據(jù)分析結(jié)果，評(píng)估結(jié)構(gòu)最小剛度比、最小樓層受剪承載力比值、結(jié)構(gòu)自振周期、最大層間位移角、最大位移比等指標(biāo)，綜合判斷結(jié)構(gòu)體系的選擇是否合理。超出允許范圍時(shí)，還需調(diào)整結(jié)構(gòu)修正計(jì)算結(jié)果直到所以指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)選型基本結(jié)束。

3 市政排水工程中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)與對(duì)策

通過結(jié)構(gòu)選型后，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)首先需明確不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件需適應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選用通常需要考慮：結(jié)構(gòu)類型，所處的抗震區(qū)設(shè)防烈度，所處的重要性等級(jí)，結(jié)構(gòu)的規(guī)模等級(jí)等。排水建筑工程中，20萬以上城鎮(zhèn)、抗震設(shè)防烈度為7度及以上的縣及縣級(jí)市的污水干管（含合流），主要污水處理廠的主要水處理建（構(gòu)）筑物、進(jìn)水泵房、中控室、化驗(yàn)室，以及城市排澇泵站、城鎮(zhèn)主干道立交處的雨水泵房，抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為重點(diǎn)設(shè)防類。屬于需要提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的建筑（簡稱乙類）。重點(diǎn)抗震設(shè)防類別建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震措施；但抗震設(shè)防烈度為9度時(shí)，應(yīng)按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基礎(chǔ)的抗震措施應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。同時(shí)，應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用[6]。

有些車間雖然采用的門式剛架結(jié)構(gòu)，但必須深析國標(biāo)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）的適用范圍。當(dāng)廠房高度超過18m或吊車為重級(jí)工作制或吊車起吊重量大于20T時(shí)，是不適用的，其風(fēng)荷載體系系數(shù)、風(fēng)荷載作用下的柱頂位移、構(gòu)件長細(xì)比、構(gòu)件寬厚比等與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）有較大區(qū)別，不可混用。

在鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)照表1，表2，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最低延性等級(jí)。再分別對(duì)應(yīng)拉彎和壓彎構(gòu)件，確定截面板件寬厚比等級(jí)及限值。有柱間支撐系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，支撐系統(tǒng)作為抗震設(shè)計(jì)的第一道防線，需要采取更為嚴(yán)格的措施。

表1 塑料耗能區(qū)承載性能等級(jí)參考選用表

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件最低延性等級(jí)

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)根據(jù)受力性質(zhì)特點(diǎn)，一般要計(jì)算其強(qiáng)度、平面內(nèi)穩(wěn)定、平面外穩(wěn)定、受剪承載力、構(gòu)件截面局部穩(wěn)定、構(gòu)件的長細(xì)比、構(gòu)件剛度等。必要時(shí)需進(jìn)行焊接截面腹板考慮屈曲后的強(qiáng)度復(fù)核或疲勞驗(yàn)算[7]。

4 市政排水工程中鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)及措施

市政排水工程在水處理中過程中一般都會(huì)產(chǎn)生一些微腐蝕性的氣體，因此廠房鋼結(jié)構(gòu)的防腐顯得非常重要。鋼構(gòu)件防腐主要側(cè)重于鋼結(jié)構(gòu)表面處理、防腐涂層的選擇、防腐措施以及全壽命周期內(nèi)的檢查、維護(hù)和大修。鋼構(gòu)件在涂防銹蝕涂料前，必須將構(gòu)件表面的毛刺、鐵銹、油污及附著物清除干凈使表面露出銀灰色，有條件時(shí)，優(yōu)先采用噴砂除銹，除銹等級(jí)為Sa2.5。防腐涂層要選擇耐水、耐化學(xué)藥品性，可以選擇附著能力強(qiáng)而且防腐性能優(yōu)異的氟碳漆和無機(jī)防腐涂料，防腐層干膜厚度宜≥240um。 鋼柱柱腳埋入地下部分應(yīng)以C10混凝土包裹（保護(hù)層厚度不應(yīng)小于50mm），并包出地面150mm。所埋入部分表面應(yīng)作除銹處理但不作涂料涂裝。設(shè)計(jì)中需要約定檢修周期，對(duì)檢查中發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)處理。

市政排水工程基礎(chǔ)部分的防腐也不容忽視。在場地孔隙潛水在干濕交替情況下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均具強(qiáng)腐蝕性；在長期浸水情況下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有弱腐蝕性；這種條件下，鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)混凝土的墊層、基礎(chǔ)、承臺(tái)等均涂環(huán)氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層，厚度≥500μm。由于場地孔隙潛水在干濕交替情況下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均具強(qiáng)腐蝕性，樁身結(jié)構(gòu)防腐蝕措施采用，管樁應(yīng)采用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、摻入抗硫酸鹽的外加劑、摻入礦物摻和料、摻入鋼筋阻銹劑(但不得采用亞鹽酸類的阻銹劑)，水灰比不應(yīng)大于0.4，抗?jié)B等級(jí)不應(yīng)低于S10，保護(hù)層厚度不應(yīng)小于45mm。地下水位標(biāo)高以下1500mm范圍內(nèi)，管樁外表面涂刷環(huán)氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層，厚度≥500μm。

5 市政排水工程中鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)及措施

鋼結(jié)構(gòu)所使用的鋼材耐高溫的性能較差，如果所處環(huán)境溫度超過了430-540℃這一范圍，就會(huì)迅速降低承載力，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。另外，鋼材耐火性能也較差，在火災(zāi)的影響下，鋼材會(huì)因?yàn)榛馂?zāi)的高溫導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失承載能力，從而造成房屋倒塌。通常需要采用防火保護(hù)措施，防火涂料是常用的主要保護(hù)措施之一。市政排水鋼結(jié)構(gòu)雖然車間內(nèi)多的“水”，但在水處理中用到大量的化學(xué)藥品，并且在降解污染物時(shí)還會(huì)排出有害物質(zhì)，而且污水也不能作為消防用水。建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收可以參考《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》( GB 51249—2017) 。

構(gòu)件的耐火極限驗(yàn)算主要根據(jù)構(gòu)件在火災(zāi)下的升溫及鋼材因高溫的性能衰減，計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力不足以抵抗外荷載作用的時(shí)長。判定構(gòu)件耐火極限可采用三個(gè)指標(biāo)：耐火極限、承載力和臨界溫度，具體方法有：(1)耐火極限法。(2)承載力法。(3)臨界溫度法。

根據(jù)構(gòu)件的受力特點(diǎn)不一樣，需分別按規(guī)范中給出的火災(zāi)下軸心受拉鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、軸心受壓鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、偏心受壓鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、單軸受彎鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、拉彎或壓彎鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的計(jì)算判別公式進(jìn)行耐火驗(yàn)算[8]。

鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料通常分膨脹型和非膨脹型兩種，根據(jù)不同部位的耐火極限選用。作為合格的防火涂料必須滿足以下技術(shù)要求：1、防火涂料應(yīng)具有國家消防產(chǎn)品合格評(píng)定中心頒發(fā)的“3C”強(qiáng)制認(rèn)證證書；2、防火涂料不應(yīng)含有石棉和玻璃纖維等有害物質(zhì)，嚴(yán)禁采用苯類溶劑類產(chǎn)品；3、防火涂料應(yīng)具有很好的大變形能力和高粘結(jié)性，應(yīng)采取合適的措施和施工工藝，保證鋼構(gòu)件在火災(zāi)高溫下發(fā)生L/20最大變形過程中，涂料的完整性和完好性，滿足不空鼓、不開裂、不脫落的工作要求，以及不流墜和乳突；4、應(yīng)按批次對(duì)進(jìn)場防火涂料的干密度、粘接強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和等效熱傳導(dǎo)系數(shù)或等效熱阻進(jìn)行第三方復(fù)驗(yàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)文件要求。

6 結(jié)束語

隨著對(duì)節(jié)能減排的推進(jìn)，鋼結(jié)構(gòu)在市政排水工程會(huì)被更廣泛的應(yīng)用，但是，基于市政排水工程的特殊性、重要性，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要充分考慮“適用條件、結(jié)構(gòu)合理、防腐及防火”，掌握設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的重要作用，提高我國建筑的安全系數(shù)，為我國的建筑行業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。