淺談普通凈（污）水廠的結構設計

徐勛

【摘要】本文簡單的介紹了一般框架的結構設計、凈（污）水廠框架結構設計注意事項、構筑物抗浮水位及裂縫控制。

【關鍵詞】抗浮水位；混凝土水池；裂縫；結構設計

1、建筑物

凈（污）水廠主要的建筑物有：門衛、機修倉庫、綜合樓、加藥間、加氯間、污泥脫水機房、鼓風機房、變配電間等，這些建筑物一般都是框架結構。

1.1框架結構布置

框架結構是由梁、柱構件組成的空間結構，既承受豎向荷載，又承受風荷載和地震作用，其特點是柱網布置靈活，便于獲得較大的使用空間；同時框架結構由于構件截面較小，結構的承載力和剛度都較低，在地震中容易產生震害。因此，框架結構應在縱橫兩個方向都布置為框架。

由于框架結構在縱橫兩個方向都承受很大的水平力，因此都應做成剛接框架結構，保證盡可能多次超靜定，這是抗震的本質。對于抗震設計來說多次超靜定相當于多條防線，從而使結構避免出現單道防線產生的瞬間損壞式坍塌。

對于結構的平面形式，為了保證結構縱橫兩方向都有足夠的承載力和剛度，高層框架結構宜采用方形、圓形、正多邊形等規則、對稱的平面，使兩個方向上尺寸和剛度都接近；當結構采用不規則的平面形狀，如H形、Y形、V形等形狀時，由于結構傳力路線復雜，且容易引起結構的較大扭轉和一些部位的應力集中，為了保證結構在平面內有很大的剛度，應盡可能減小外伸段的長度。

1.2柱設計

（1）初步確定柱截面尺寸

《抗規》[1]6.3.5條和《高規》[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層時不宜小于300mm，一、二、三級且超過2層時不宜小于400mm；圓柱的直徑，四級或不超過2層時不宜小于350mm，一、二、三級且超過2層時不宜小于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，規范采取的措施之一就是限制軸壓比。

《砼規》[3]11.4.16條、《抗規》6.3.6條及《高規》6.4.2條同時對柱軸壓比限制提出了要求。

a.抗震等級越高的建筑結構，其延性要求也越高，因此對軸壓比的限制也越嚴格；抗震等級低或非抗震時可適當放松，但任何情況下不得大于1.05。

b.當柱軸壓比超限時，可采取增大柱截面尺寸、提高混凝土強度等級等措施來降低柱軸壓比使其滿足規范要求，也可通過復合箍筋來提高軸壓比的限值。在高層建筑中，也常采用設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）水廠框架結構設計注意事項

根據《設防標準》[4]5.1.3條、5.1.4條及相應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）筑物應劃為重點設防類（乙類）；《抗規》6.1.5條中規定：乙類建筑不應采用單跨框架結構。水廠設計時，由于工藝的特殊要求（如設置吊車），往往不能避免有單跨框架。這時結構設計應有一定的變通。下面以一個7度區新建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，送水泵房內設有電動單梁懸掛起重機，故在房屋的中間不能有柱子。圖2（單跨框架結構）的布置滿足了工藝要求也滿足受力的要求，但不滿足《抗規》6.1.5條的要求。圖3（非單跨框架結構）的布置則同時滿足了工藝要求和規范要求。需要注意的是有單跨框架不一定就是單跨框架結構，只有在框架結構中，某個主軸方向均為單跨框架，或兩個多跨之間的最大距離過大時，才可認定為單跨框架結構。圖4（框剪結構）的布置也同時滿足了工藝要求和規范要求，但是甲方認為單層的建筑做成框剪結構造價偏高，故在設計中采用較少。

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，同時水廠框架抗震等級為二級，《抗規》6.3.9條規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、構筑物

凈水廠主要的構筑物有：取水泵房、沉淀池、濾池、清水池、送水泵房、排水排泥池等。污水廠主要的構筑物有進水泵房、沉砂池、二沉池、生化池、高效沉淀池、濾池、接觸消毒池等。水池結構設計最主要的就是抗浮和裂縫。

2.1抗浮水位的確定

水池占地大且內部空曠，抗浮設計尤為重要。《鋼筋砼水池結構規程》[5]中對水池的整體抗浮穩定安全系數取為 1.05，一般抗浮設計水位均取用水文資料的最高地下水位。我們在實際的工程中，很多工程地質勘查報告所提到的地下水位并不是從地方水文資料分析得到的，在勘查報告中反映出來的數據往往是勘測期間的數據。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高將難以被設計取用，或導致結構計算偏不安全。對于此類勘查報告，我們需要與詳勘單位溝通，以得到比較權威的水文數據用于工程設計。

2.2縫的設置

《鋼筋砼水池結構規程》7.1.3條規定：伸縮縫的間距，根據水池的結構類別、地基類別和水池的工作條件等設置，一般為 20～30米，同時還要根據工藝專業的條件的布置做適當調整。縫寬一般為 30mm，在實際的工程中，同一剖面上連同基礎或底板斷開，通常沉降縫、伸縮縫、抗震縫三縫合一。對于大型的水池，一般需設置多道這種伸縮縫，伸縮縫的設置在實際使用中容易造成以下一些問題：（l）水池結構整體性差、抗震措施較復雜；（2）橡膠止水帶處節點構造復雜，不易澆筑密實；（3）當橡膠止水帶本身存在著質量問題時，其施工質量不易控制。在《鋼筋砼水池結構規程》中有指出，當采取可靠措施時，伸縮縫的間距可進行適當調整，意即在采取可靠措施時，超長水池結構也可不設置伸縮縫。可以通過設置混凝土后澆帶、使用補償收縮混凝土，增設加強帶、使用預應力技術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，施工縫應設在池壁上。在選擇施工縫位置時，應符合溫度應力計算所選擇的位置，鋼筋在施工縫處貫通不斷，且施工縫應設置在構件受力較小的部位，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間。因在施工縫處先后兩期分期澆筑的混凝土間的結合要比一次澆筑的混凝土要差，故在施工縫處需加設企口、在斷面處采取埋設止水帶或者外貼式止水帶和表面設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范對最大裂縫限值要求基本一致，筆者在工程設計中最大裂縫寬度一般控制在 0.2mm。各規范對鋼筋的混凝土最小保護層限值的要求不一致，相差較大；筆者在工程設計中一般以《鋼筋砼水池結構規程》為準。在這里要說明的是有時候審圖專家會要求鋼筋的最小保護層厚度按《地下防水規范》規定的50mm設計，這對水池的配筋和裂縫影響很大。

根據《砼規》7.1.2條裂縫計算公式：

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

《砼規》8.2.1條對鋼筋的混凝土保護層 的定義：最外層鋼筋的保護層厚度。

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，對應的鋼筋會增加很多，直接導致工程造價發生較大幅度上浮。

《耐久性規范》[7]3.5.4條：對裂縫寬度無特殊外觀要求的，當保護層設計厚度超過30mm時，可以將厚度取為30mm計算裂縫的最大寬度。對應條文說明：表面裂縫最大寬度的計算值可根據現行國家標準《混凝土結構設計規范》GB 50010或現行行業標準《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTG D62的相關公式計算，后者給出的裂縫寬度與保護層厚度無關。研究表明，按照規范GB 50010公式計算得到的最大裂縫寬度要比國內外其他規范的計算值大得多，而規定的裂縫寬度允許值卻偏嚴。增大混凝土保護層厚度雖然會加大構件裂縫寬度的計算值，但實際上對保護鋼筋減輕銹蝕十分有利，所以在JTG D62中，不考慮保護層厚度對裂縫寬度計算值的影響。此外，不能為了減少裂縫計算寬度而在厚度較大的混凝土保護層內加設沒有防銹措施的鋼筋網，因為鋼筋網的首先銹蝕會導致網片外側混凝土的剝落，減少內側箍筋和主筋應有的保護層厚度，對構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填補。

結語：

本質上來說鋼筋保護層的問題是結構耐久性的問題，所以當有專家要求鋼筋的最小混凝土保護層50mm時，筆者會按《耐久性規范》規定的保護層30mm計算裂縫，應力及配筋按保護層50mm計算，這樣和原先的計算結果相差不大，對工程造價基本無影響。對于凈（污）水廠建筑物的高度，結構一定要考慮起吊設備，一般工藝會提供吊鉤到地面的凈距離的要求，而結構要根據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。

參考文獻：

[1]《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2016年版）

[2]《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3—2010

[3]《混凝土結構設計規范》GB50010-2010（2015年版）

[4]《建筑工程抗震設防分類標準》GB50223-2008

[5]《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》CECS138-2002

[6]《地下工程防水技術規范》GB50108-2008

[7]《混凝土結構耐久性設計規范》GB/T50476-2008

[8]《建筑結構設計問答及分析》朱炳寅.編著