王水華，李 健，劉忠宏

(中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院，四川成都610081)

1 清水池結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

隨著城市的飛速發(fā)展，水廠規(guī)模日趨增大，清水池的容積也逐漸加大。對(duì)于萬(wàn)噸以上的大容積清水池，其平面尺寸會(huì)超過(guò)規(guī)范規(guī)定的溫度伸縮縫間距要求，需要設(shè)置變形縫以適應(yīng)溫濕度和混凝土的收縮變形。變形縫間采用橡膠止水帶連接，然后填以嵌縫膏。清水池設(shè)置伸縮縫以后，被分成了若干相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)受力單元，這些單元可分為角單元、邊單元、中單元、中隔墻邊單元和中隔墻中單元(圖1)。

圖1 分縫清水池單元示意圖

各單元除了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置差異很大外，其荷載也有很大的差異。除池頂覆土、頂板自重等豎向力外，外池壁和中隔墻還會(huì)受到內(nèi)水的水平壓力作用，在埋深較大時(shí)，基坑回填土及地下水對(duì)外池壁的側(cè)壓力也會(huì)較大。單元之間的這種結(jié)構(gòu)布置差異和荷載差異，都極大地增加了設(shè)計(jì)難度。

2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系及存在問(wèn)題

2.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

清水池的外池壁和中隔墻因擋水需要，均為較厚的鋼筋混凝土墻板。為了支撐頂蓋，池內(nèi)還布置有很多的立柱(圖1中未畫(huà)出立柱)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系除了外池壁、中隔墻和立柱外，不再設(shè)置其它的抗側(cè)力構(gòu)件。

這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的分縫清水池，一般采用等代框架法計(jì)算。即將清水池按X、Y兩個(gè)不同方向分成若干榀框架，每榀框架分別進(jìn)行計(jì)算，不考慮其整體變形的協(xié)調(diào)性?，F(xiàn)以角單元為例，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系布置及計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系及計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 存在問(wèn)題

從圖2可以看出，各單元因所處的位置不同，其主要抗側(cè)構(gòu)件(墻、柱)分布差異很大，在水平力(水壓力和水平地震力)的作用下，它們的變形情況會(huì)有極大的不同。

在內(nèi)水壓力作用下，各單元因受力不同其變形量差別很大。中單元只有立柱沒(méi)有墻板，而立柱四周受到的水壓力是均衡的，因此不會(huì)產(chǎn)生水平位移。邊單元外池壁則會(huì)受到較大的水壓力作用，且在相應(yīng)方向上沒(méi)有較強(qiáng)的抗側(cè)構(gòu)件，水平位移就比較大，有時(shí)會(huì)達(dá)到30 mm以上。這樣大的位移差會(huì)使變形縫間的橡膠止水帶長(zhǎng)期處于拉應(yīng)力狀態(tài)，從而加速橡膠的老化，縮短其使用壽命。

在水平地震力作用下，各單元的變形量差異也會(huì)很大。某些單元(如角單元和邊單元)因?yàn)槠淇箓?cè)剛度嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)，還會(huì)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在地震烈度較高時(shí)，這種變形差異就會(huì)造成各單元之間的變形縫寬度發(fā)生急劇變化，甚至出現(xiàn)頂板相互碰撞的情況，其破壞性是顯而易見(jiàn)的。而最容易被損壞的，依然是變形縫間的橡膠止水帶。

3 斜撐式結(jié)構(gòu)體系

針對(duì)分縫清水池傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的上述弊病，我院資深專(zhuān)家郭天木開(kāi)創(chuàng)性地提出了斜撐式清水池的結(jié)構(gòu)體系。這種體系的核心思路就是在圖2所示的每榀等代框架上加設(shè)一道斜撐，以減小等代框架在水平力作用下的位移。設(shè)置斜撐后的等代框架，其水平位移可減小到10 mm以?xún)?nèi)。這樣小的變形，對(duì)橡膠止水帶的不利影響幾乎可以忽略不計(jì)。斜撐一般布置在靠近外池壁或中隔墻的位置。以角單元為例，其斜撐布置及計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 斜撐布置及計(jì)算簡(jiǎn)圖

這種斜撐式結(jié)構(gòu)體系在我院設(shè)計(jì)的大型分縫清水池中得到了廣泛的應(yīng)用，并在國(guó)內(nèi)許多相關(guān)設(shè)計(jì)院推廣。到目前為止，采用這種結(jié)構(gòu)體系的清水池已經(jīng)遍布全國(guó)，其安全性和可靠性已經(jīng)得到了設(shè)計(jì)人員的普遍認(rèn)可。

但是，這種結(jié)構(gòu)體系還是存在一定缺陷的。從圖3可以看出，雖然在等代框架上加設(shè)斜撐后使得清水池的水平位移大為減小，但從總體來(lái)看，其抗側(cè)力構(gòu)件的布置還是嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)，在地震力作用下，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)依然會(huì)很明顯，只是扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位移減小了很多而已。

4 桁架式結(jié)構(gòu)體系

4.1 桁架式清水池

清水池頂板一般都會(huì)覆蓋厚度500 mm以上的土層，荷載相對(duì)較大，板厚度基本都在150 mm以上，配筋也比較大。清水池分縫后，各單元的平面形狀一般都會(huì)接近于正方形，邊長(zhǎng)在20～40 m之間。這樣一塊頂板，其平面內(nèi)的剛度是非常大的，也會(huì)有很強(qiáng)平面內(nèi)抗彎、抗剪能力。在水平荷載作用下，由于高剛度頂板的存在，各榀框架不可能自由變形，而是會(huì)相互牽制，最終達(dá)到變形協(xié)調(diào)。由此可見(jiàn)，將清水池分成若干榀框架分別進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果與其實(shí)際受力與變形情況是不符的。當(dāng)然，這樣的計(jì)算是偏于安全的。

對(duì)于這種分縫清水池，有沒(méi)有更為合理的結(jié)構(gòu)體系呢?為此筆者進(jìn)行了大量的工作，翻閱了很多相關(guān)資料，并進(jìn)行了許多的計(jì)算、比較，最終在斜撐式清水池結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變斜撐的布置方式，創(chuàng)新出了一種新型的斜撐式清水池——桁架式清水池。仍以角單元為例，桁架式清水池的結(jié)構(gòu)布置及計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 桁架布置及計(jì)算簡(jiǎn)圖

比較圖3、圖4可以看出，后者只是將原來(lái)分別布置于各榀等代框架上的斜撐集中布置到了變形縫邊的框架上，形成了一榀抗側(cè)剛度很大的桁架，總的斜撐數(shù)量并沒(méi)有增加。這樣，在單元的四周，都分布了剛度很大的抗側(cè)力構(gòu)件——墻板和桁架，原有結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)力構(gòu)件布置不對(duì)稱(chēng)的情況得到了極大的改善。

這種結(jié)構(gòu)體系的水平力傳遞途徑與上述其它兩種結(jié)構(gòu)體系有明顯的區(qū)別，清水池頂板成了水平力傳遞的一個(gè)重要角色。以?xún)?nèi)水壓力為例，水壓力首先作用在外池壁上，在頂板外邊緣形成一個(gè)向外的水平拉力，再由頂板將這個(gè)水平力向其兩邊的抗側(cè)力構(gòu)件(墻板和桁架)傳遞。這種結(jié)構(gòu)體系充分利用了清水池頂板平面內(nèi)的剛度和抗彎、抗剪能力，傳力途徑明確可靠，大大減輕了原有結(jié)構(gòu)體系扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯的弊端。事實(shí)上，這種結(jié)構(gòu)體系是將池壁、立柱、斜撐及頂板系統(tǒng)(宜采用梁板體系)作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮的，是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)體系。采用這種結(jié)構(gòu)體系的清水池，其水平位移可進(jìn)一步的減小，一般可控制在5 mm以?xún)?nèi)。

4.2 桁架式清水池計(jì)算

由于桁架式清水池是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)體系，采用人工計(jì)算就會(huì)有一定的難度。當(dāng)然也可以進(jìn)行簡(jiǎn)化后用人工計(jì)算，只是其準(zhǔn)確性相對(duì)較差而已，但保證其安全是完全可以做到的。

以下介紹一種相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算方法。還是以角單元受內(nèi)水壓力作用的工況為例進(jìn)行說(shuō)明。首先，計(jì)算出水壓力作用下對(duì)頂板邊緣產(chǎn)生的拉力，并將這個(gè)拉力集中作用在每榀立柱外側(cè)的頂節(jié)點(diǎn)上，如圖4中所示的力F。剩下的事情，就可以交給計(jì)算機(jī)來(lái)完成了。相信任何一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，都會(huì)熟練使用PKPM系列結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，其中的SATWE就可以用于這個(gè)結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算。計(jì)算時(shí)可按圖4用PMCAD進(jìn)行建模，將結(jié)構(gòu)所受到的外力輸入計(jì)算模型，然后用SATWE進(jìn)行計(jì)算就可以了。需要注意的是，有些荷載(如內(nèi)水壓力和外側(cè)基坑填土壓力)是不能同時(shí)輸入的，必須按不同工況下的荷載分別輸入模型進(jìn)行計(jì)算，并按最不利的工況進(jìn)行配筋。

從受力角度來(lái)說(shuō)，在桁架的每一跨都布置了斜撐，形成一榀通長(zhǎng)的抗側(cè)桁架，無(wú)疑是最好的。但在實(shí)際工程中，為了節(jié)省投資，斜撐的布置是可以適當(dāng)減少的，最好的方法就是按斜撐數(shù)量由少到多進(jìn)行試算，只要斜撐的數(shù)量能將清水池變形和構(gòu)件內(nèi)力控制在合理范圍以?xún)?nèi)就足夠了。比如中單元，由于其所受水平力最小，一般只需要在四周各布置1、2跨斜撐就可以了。

4.3 桁架式清水池工程實(shí)例

現(xiàn)在，桁架式清水池的使用還相當(dāng)?shù)纳伲P者也僅在成都香山加壓泵站工程中設(shè)計(jì)過(guò)一個(gè)這種結(jié)構(gòu)體系的清水池。

香山加壓站清水池平面尺寸96 m×90 m，兩個(gè)方向各設(shè)兩條變形縫，分為9個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。這個(gè)清水池就是按前面介紹的桁架式結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)的。工程于2007年完工并投入使用，期間經(jīng)歷了2008年的“5·12”汶川特大地震，并沒(méi)有任何的損壞，可見(jiàn)這種結(jié)構(gòu)體系是安全可靠的。

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然現(xiàn)在這種桁架式清水池還未得到廣泛的使用(主要原因是沒(méi)有進(jìn)行過(guò)任何推廣)，但其優(yōu)點(diǎn)還是很明顯的，希望通過(guò)這篇文章的刊登，能有機(jī)會(huì)與更多的同行進(jìn)行交流，讓這種新的結(jié)構(gòu)體系在工程中得到應(yīng)用。

[1]郭天木.斜撐設(shè)縫矩形清水池[C]∥郭天木論文集，2006

[2]CECS 117給水排水工程混凝土構(gòu)筑物變形縫設(shè)計(jì)規(guī)程[S]