淺談普通凈（污）水廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文/ 徐勛 南京寰匯市政工程設(shè)計(jì)有限公司 江蘇南京 210000

1、建筑物

凈(污)水廠主要的建筑物有：門衛(wèi)、機(jī)修倉庫、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)。對于抗震設(shè)計(jì)來說多次超靜定相當(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，四級或不超過2層時(shí)不宜小于300mm，一、二、三級且超過2層時(shí)不宜小于400mm；圓柱的直徑，四級或不超過2層時(shí)不宜小于350mm，一、二、三級且超過2層時(shí)不宜小于450mm；剪跨比宜大于2；截面長邊與短邊的邊長比不宜大于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)對柱軸壓比限制提出了要求。

a．抗震等級越高的建筑結(jié)構(gòu)，其延性要求也越高，因此對軸壓比的限制也越嚴(yán)格；抗震等級低或非抗震時(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)度等級等措施來降低柱軸壓比使其滿足規(guī)范要求，也可通過復(fù)合箍筋來提高軸壓比的限值。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)條文說明可知全國絕大部分縣級（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6.0萬噸/天的凈水廠的送水泵房(長×寬×高：21.50×7.50×6.5)為例子。因工藝要求，送水泵房內(nèi)設(shè)有電動單梁懸掛起重機(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。

圖2

圖3

圖4

凈（污）水廠與一般民用建筑中的柱設(shè)計(jì)也有所不同。下面還是以同一個(gè)送水泵房為例。

由上表看出凈（污）水廠的框架等級會比一般民用建筑的框架等級高一級，同時(shí)水廠框架抗震等級為二級，《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。《鋼筋砼水池結(jié)構(gòu)規(guī)程》[5]中對水池的整體抗浮穩(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。我們在實(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)告中反映出來的數(shù)據(jù)往往是勘測期間的數(shù)據(jù)。如果勘測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。縫寬一般為 30mm，在實(shí)際的工程中，同一剖面上連同基礎(chǔ)或底板斷開，通常沉降縫、伸縮縫、抗震縫三縫合一。對于大型的水池，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)，超長水池結(jié)構(gòu)也可不設(shè)置伸縮縫。可以通過設(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)等可靠措施來替代伸縮縫。

對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)。在這里要說明的是有時(shí)候?qū)張D專家會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，對應(yīng)的鋼筋會增加很多，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：對裂縫寬度無特殊外觀要求的，當(dāng)保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度超過30mm時(shí)，可以將厚度取為30mm計(jì)算裂縫的最大寬度。對應(yīng)條文說明：表面裂縫最大寬度的計(jì)算值可根據(jù)現(xiàn)行國家標(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)層厚度雖然會加大構(gòu)件裂縫寬度的計(jì)算值，但實(shí)際上對保護(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)沒有防銹措施的鋼筋網(wǎng)，因?yàn)殇摻罹W(wǎng)的首先銹蝕會導(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：

本質(zhì)上來說鋼筋保護(hù)層的問題是結(jié)構(gòu)耐久性的問題，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，對工程造價(jià)基本無影響。對于凈（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最終確定建筑物的高度反提給工藝和建筑專業(yè)。

[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)問答及分析》朱炳寅.編著