原创《普通净（污）水厂的结构设计》
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【摘 要】本文简单的介绍了一般框架的结构设计、净（污）水厂框架结构设计注意事项、构筑物抗浮水位及裂缝控制.
【关键词】抗浮水位；混凝土水池；裂缝；结构设计
1.建筑物
净( 污) 水厂主要的建筑物有：门卫、机修仓库、综合楼、加药间、加氯间、污泥脱水机房、鼓风机房、变配电间等, 这些建筑物一般都是框架结构.
1.1 框架结构布置
框架结构是由梁、柱构件组成的空间结构,既承受竖向荷载,又承受风荷载和地震作用,其特点是柱网布置灵活,便于获得较大的使用空间；同时框架结构由于构件截面较小,结构的承载力和刚度都较低,在地震中容易产生震害.因此,框架结构应在纵横两个方向都布置为框架.
由于框架结构在纵横两个方向都承受很大的水平力,因此都应做成刚接框架结构,保证尽可能多次超静定,这是抗震的本质.对于抗震设计来说多次超静定相当于多条防线,从而使结构避免出现单道防线产生的瞬间损坏式坍塌.
对于结构的平面形式,为了保证结构纵横两方向都有足够的承载力和刚度,高层框架结构宜采用方形、圆形、正多边形等规则、对称的平面,使两个方向上尺寸和刚度都接近；当结构采用不规则的平面形状,如H 形、Y 形、V 形等形状时,由于结构传力路线复杂,且容易引起结构的较大扭转和一些部位的应力集中,为了保证结构在平面内有很大的刚度,应尽可能减小外伸段的长度.
1.2 柱设计
（1）初步确定柱截面尺寸
《抗规》[1]6.3.5 条和《高规》[2]6.4.1 条对柱截面的尺寸提出了一些要求,主要有：截面的宽度和高度,四级或不超过2 层时不宜小于300mm,一、二、且超过2 层时不宜小于400mm；圆柱的直径,四级或不超过2 层时不宜小于350mm,一、二、且超过2 层时不宜小于450mm；剪跨比宜大于2；截面长边与短边的边长比不宜大于3.
（2）柱轴压比控制
柱轴压比是影响柱抗震性能的主要因素之一,为了使柱具有很好的延性和耗能能力,规范采取的措施之一就是限制轴压比.
《砼规》[3]11.4.16 条、《抗规》6.3.6 条及《高规》6.4.2 条同时对柱轴压比限制提出了要求.
a．抗震等级越高的建筑结构,其延性要求也越高,因此对轴压比的限制也越严格；抗震等级低或非抗震时可适当放松,但任何情况下不得大于1.05.
b．当柱轴压比超限时,可采取增大柱截面尺寸、提高混凝土强度等级等措施来降低柱轴压比使其满足规范要求,也可通过复合箍筋来提高轴压比的限值.在高层建筑中,也常采用设置芯柱的方法来提高轴压比限值（总体提高≤ 0.15）.
（3）短柱
剪跨比不大于2、柱净高与柱截面高度之比不大于4 的柱为短柱,箍筋需要全高加密.（如楼梯间与梯梁相连的柱子）
1.3 净（污）水厂框架结构设计注意事项
根据《设防标准》[4]5.1.3 条、5.1.4 条及相应条文说明可知全国绝大部分县级（含）以上的水厂中的主要水处理建（构）筑物应划为重点设防类（乙类）；《抗规》6.1.5 条中规定：乙类建筑不应采用单跨框架结构.水厂设计时,由于工艺的特殊要求（如设置吊车）,往往不能避免有单跨框架.这时结构设计应有一定的变通.下面以一个7 度区新建6.0 万吨/ 天的净水厂的送水泵房( 长× 宽× 高：21.50×7.50×6.5)为例子.因工艺要求,送水泵房内设有电动单梁悬挂起重机,故在房屋的中间不能有柱子.图2（单跨框架结构）的布置满足了工艺要求也满足受力的要求,但不满足《抗规》6.1.5 条的要求.图3（非单跨框架结构）的布置则同时满足了工艺要求和规范要求.需要注意的是有单跨框架不一定就是单跨框架结构,只有在框架结构中,某个主轴方向均为单跨框架,或两个多跨之间的最大距离过大时,才可认定为单跨框架结构.图4（框剪结构）的布置也同时满足了工艺要求和规范要求,但是甲方认为单层的建筑做成框剪结构造价偏高,故在设计中采用较少.
净（污）水厂与一般民用建筑中的柱设计也有所不同.下面还是以同一个送水泵房为例.
由上表看出净（污）水厂的框架等级会比一般民用建筑的框架等级高一级,同时水厂框架抗震等级为二级,《抗规》6.3.9 条规定角柱箍筋全高加密.由于水厂工艺的要求,往往层高会比较高,柱截面尺寸大小一般不是按轴压比控制,而是位移角控制的情况比较多.
2.构筑物
净水厂主要的构筑物有：取水泵房、沉淀池、滤池、清水池、送水泵房、排水排泥池等.污水厂主要的构筑物有进水泵房、沉砂池、二沉池、生化池、高效沉淀池、滤池、接触消毒池等.水池结构设计最主要的就是抗浮和裂缝.
2.1 抗浮水位的确定
水池占地大且内部空旷,抗浮设计尤为重要.《钢筋砼水池结构规程》[5] 中对水池的整体抗浮稳定安全系数取为 1.05,一般抗浮设计水位均取用水文资料的最高地下水位.我们在实际的工程中,很多工程地质勘查报告所提到的地下水位并不是从地方水文资料分析得到的,在勘查报告中反映出来的数据往往是勘测期间的数据.如果勘测期间正好处于旱季或者枯水期,那得到的水文资料仅反映勘测期间的地下水位情况,所提供的地下水位标高将难以被设计取用, 或导致结构计算偏不安全.对于此类勘查报告,我们需要与详勘单位沟通,以得到比较权威的水文数据用于工程设计.
2.2 缝的设置
《钢筋砼水池结构规程》7.1.3 条规定：伸缩缝的间距,根据水池的结构类别、地基类别和水池的工作条件等设置,一般为 20 ～ 30 米,同时还要根据工艺专业的条件的布置做适当调整.缝宽一般为 30mm,在实际的工程中,同一剖面上连同基础或底板断开,通常沉降缝、伸缩缝、抗震缝三缝合一.对于大型的水池,一般需设置多道这种伸缩缝,伸缩缝的设置在实际使用中容易造成以下一些问题:(l) 水池结构整体性差、抗震措施较复杂;(2) 橡胶止水带处节点构造复杂,不易浇筑密实;(3) 当橡胶止水带本身存在着质量问题时,其施工质量不易控制.在《钢筋砼水池结构规程》中有指出,当采取可靠措施时,伸缩缝的间距可进行适当调整,意即在采取可靠措施时,超长水池结构也可不设置伸缩缝.可以通过设置混凝土后浇带、使用补偿收缩混凝土,增设加强带、使用预应力技术等可靠措施来替代伸缩缝.
对于不能一次完成浇筑的水池底板、壁板,在施工中需留有施工缝,施工缝应设在池壁上.在选择施工缝位置时,应符合温度应力计算所选择的位置,钢筋在施工缝处贯通不断,且施工缝应设置在构件受力较小的部位,在施工过程中要尽量缩短施工缝上、下两段混凝土的浇筑间隙时间.因在施工缝处先后两期分期浇筑的混凝土间的结合要比一次浇筑的混凝土要差,故在施工缝处需加设企口、在断面处采取埋设止水带或者外贴式止水带和表面设槽口嵌入封缝料等措施.
2.3 裂缝的控制
由上表可以看出各规范对最大裂缝限值要求基本一致,笔者在工程设计中最大裂缝宽度一般控制在 0.2mm.各规范对钢筋的混凝土最小保护层限值的要求不一致,相差较大；笔者在工程设计中一般以《钢筋砼水池结构规程》为准.在这里要说明的是有时候审图专家会要求钢筋的最小保护层厚度按《地下防水规范》规定的50mm设计,这对水池的配筋和裂缝影响很大.
根据《砼规》7.1.2 条裂缝计算公式：
cs- 最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离（mm）：当cs <20 时,取cs 等于20 ；当cs >65 时,取cs 等于65.
《砼规》8.2.1 条对钢筋的混凝土保护层 的定义：最外层钢筋的保护层厚度.
由cs 和c 两者的定义可以看出水池的cs等于c.由裂缝公式可以看出裂缝大小与保护层厚度成正比.水池的配筋一般以裂缝控制为主,为了能控制裂缝宽度,对应的钢筋会增加很多,直接导致工程造价发生较大幅度上浮.
《耐久性规范》[7]3.5.4 条：对裂缝宽度无特殊外观要求的,当保护层设计厚度超过30mm时,可以将厚度取为30mm 计算裂缝的最大宽度.
对应条文说明：表面裂缝最大宽度的计算值可根据现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010 或现行行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62 的相关公式计算,后者给出的裂缝宽度与保护层厚度无关.
研究表明,按照规范GB 50010 公式计算得到的最大裂缝宽度要比国内外其他规范的计算值大得多,而规定的裂缝宽度允许值却偏严.增大混凝土保护层厚度虽然会加大构件裂缝宽度的计算值,但实际上对保护钢筋减轻锈蚀十分有利,所以在JTG D62 中,不考虑保护层厚度对裂缝宽度计算值的影响.此外,不能为了减少裂缝计算宽度而在厚度较大的混凝土保护层内加设没有防锈措施的钢筋网,因为钢筋网的首先锈蚀会导致网片外侧混凝土的剥落,减少内侧箍筋和主筋应有的保护层厚度,对构件的耐久性造成更为有害的后果.荷载与收缩引起的横向裂缝本质上属于正常裂缝,如果影响建筑物的外观要求或防水功能可适当填补.
结语：
本质上来说钢筋保护层的问题是结构耐久性的问题,所以当有专家要求钢筋的最小混凝土保护层50mm 时,笔者会按《耐久性规范》规定的保护层30mm 计算裂缝,应力及配筋按保护层50mm 计算,这样和原先的计算结果相差不大,对工程造价基本无影响.对于净（污）水厂建筑物的高度,结构一定要考虑起吊设备,一般工艺会提供吊钩到地面的净距离的要求,而结构要根据梁高和吊车埋件的情况来最终确定建筑物的高度反提给工艺和建筑专业.
结构设计论文参考资料：
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