吳 彬 蘆建軍 代春生

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家對于基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)越來越重視，各地供水及污水處理工程近年來逐年增多，而各種貯水構(gòu)筑物也有向大型化發(fā)展的趨勢。目前國內(nèi)對大型貯水池構(gòu)筑物幾乎均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要依靠設(shè)置永久式伸縮縫來控制裂縫，解決溫度應(yīng)力。根據(jù)GB 50069—2002給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)筑物一般間隔20 m～30 m需設(shè)一道貫通式伸縮縫，那么一座水池將被分割成很多塊，塊與塊之間用止水板材連接，止水板材宜采用橡膠或塑料止水帶。但是大型超長貯水構(gòu)筑物中設(shè)置伸縮縫后，其結(jié)構(gòu)體系往往存在下列問題：

1)整體性較差，抗震措施較為復(fù)雜。在地震力作用下，分縫處很容易因互相碰撞而損壞，分縫以后各板塊的質(zhì)量中心和剛度中心不一致，為抵抗地震荷載的作用就需要額外增加一些抗側(cè)力構(gòu)件，這些抗側(cè)力構(gòu)件通常構(gòu)造復(fù)雜，且對水流的均勻性產(chǎn)生一定影響，造成了額外的水頭損失，當(dāng)水池池體高度較大時表現(xiàn)更為明顯。

2)設(shè)縫處的防水構(gòu)造措施復(fù)雜，一般是由止水板材、填縫材料和嵌縫材料組成，單個工程的止水帶使用長度往往很長，導(dǎo)致混凝土不易澆筑密實，止水帶節(jié)點也因施工原因等造成一定程度的漏水風(fēng)險。

正是由于傳統(tǒng)的分縫水池在整體性、抗震性和耐久性方面的種種缺陷，越來越多的設(shè)計者開始向全新無縫整體式水池的設(shè)計方向努力，并開展了大量研究工作。我國設(shè)計工作者在大量建設(shè)實踐和現(xiàn)場實驗的基礎(chǔ)上，從力學(xué)角度對混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行了深入研究，大致提出了“抗”“放”“調(diào)”的混凝土設(shè)計準(zhǔn)則[1-3]，來解決超長整體不設(shè)縫水池的溫度應(yīng)力問題?！翱埂薄胺拧薄罢{(diào)”三種設(shè)計原則在實際的工程應(yīng)用中均證明了整體式水池的優(yōu)越性，其抗裂、抗?jié)B和耐久性效果也優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)縫水池。面對市政給排水工程中整體超長水池的發(fā)展趨勢，如何合理解決整體式水池中由溫度應(yīng)力產(chǎn)生的一系列結(jié)構(gòu)問題已成為市政工程界和學(xué)術(shù)界面臨的主要課題之一。

2 雙鋼板混凝土整體式水池的提出

2.1 雙鋼板混凝土

雙鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，由鋼板—混凝土—鋼板組合而成，它在雙層鋼板的中間灌注混凝土，為了增加鋼板和混凝土核心之間的相互作用，在上、下鋼板之間通過焊接剪力連接件來保證鋼板與混凝土的連接和相互作用。通過大量的文獻(xiàn)查閱[4-6]和考察，將這種新型組合結(jié)構(gòu)引入市政水池結(jié)構(gòu)工程中，提出雙鋼板混凝土整體式水池的結(jié)構(gòu)體系，即水池的側(cè)壁和頂板采用鋼板夾心混凝土組合結(jié)構(gòu)、底板采用鋼筋混凝土，水池不設(shè)伸縮縫，其中鋼板之間通過兩塊肋板由栓釘連接而成，再澆筑混凝土形成雙鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.2 雙鋼板混凝土承載機理

目前國內(nèi)外對于鋼板—混凝土—鋼板組合結(jié)構(gòu)的承載機理主要采用的是等代梁模型和桁架模型。等代梁模型中假設(shè)鋼與混凝土都為彈性材料，并且混凝土沒有抗拉強度，鋼板與混凝土完全復(fù)合，將混凝土的寬度按照鋼與混凝土的彈性模量的比例進(jìn)行折減(m=E/Ec)，然后在等效截面上使用鋼的彈性模量E來計算其彎曲應(yīng)力和撓度，如圖2所示。桁架模型中混凝土在縱向上的受壓區(qū)可以取等代梁模型中的等效截面，桁架模型中的桿件元素由栓釘組成，模型的一個主要優(yōu)點是鋼板與混凝土只在節(jié)點處有連接，這樣的假設(shè)方法更接近實際情況，如圖3所示。

在以上理論的基礎(chǔ)上，通過有限元軟件ABAQUS建立三維模型，將栓釘與混凝土之間的接觸關(guān)系定義為摩擦接觸，混凝土使用規(guī)范中規(guī)定的本構(gòu)曲線；鋼板使用有強化段的雙折線本構(gòu)曲線，按照不同跨度、鋼板不同厚度、栓釘不同間距以及核心混凝土厚度不同對構(gòu)件進(jìn)行分類。分析結(jié)果如圖4所示。

通過有限元模擬結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，雙鋼板混凝土發(fā)生破壞時，下部鋼板與混凝土之間發(fā)生了較明顯的滑移，頂部鋼板在集中荷載下發(fā)生了局部屈曲，最終的破壞模式主要是受拉鋼板屈曲破壞和栓釘受剪破壞，在整個加載過程中，雙鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)基本屬于大變形結(jié)構(gòu)，初始加載階段基本符合平截面假定。影響雙鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)的承載力主要因素有：

1)受拉鋼板越薄，混凝土區(qū)域承受的應(yīng)力就越大，因此，鋼板越厚，核心混凝土對于結(jié)構(gòu)的抗剪承載力的貢獻(xiàn)就越大；

2)混凝土厚度增加，結(jié)構(gòu)的抗剪承載力越小；

3)栓釘間距，即含鋼率的影響不是特別明顯；

4)跨度越大，抗剪承載力越低。

2.3 雙鋼板混凝土水池的特點

面對大型水池整體化的趨勢，采用預(yù)應(yīng)力或后澆帶的方法在經(jīng)濟(jì)性和可靠性都受到了很大的限制，而將雙鋼板混凝土結(jié)構(gòu)引入到市政水池結(jié)構(gòu)中，正是看中了其自身所固有的抗?jié)B雙防線特點，使得溫度應(yīng)力的問題不再會制約結(jié)構(gòu)材料性能的充分發(fā)揮，水池可以通長不設(shè)縫，進(jìn)而降低由設(shè)縫而帶來的一系列問題。

綜合分析后，雙鋼板混凝土整體式水池主要具有以下幾個方面的特點：

1)抵抗溫度應(yīng)力，水池不設(shè)縫，抗?jié)B性能好。

由于外部鋼板的存在，使得內(nèi)部混凝土即使在有貫通裂縫的情況下仍能保證整個墻體的抗?jié)B性能滿足水池的要求，而良好的抗?jié)B性有助于保證水池的耐久性。

2)具有良好的受力性能。

雙鋼板混凝土結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮鋼板和混凝土兩種材料的性能，鋼板為內(nèi)側(cè)的混凝土提供了約束，從而提高混凝土的抗壓能力，同時內(nèi)側(cè)混凝土為鋼板提供側(cè)向支承，避免鋼板的局部失穩(wěn)，整個結(jié)構(gòu)具有承載力高、剛度大、抗震延性和變形性能好的特點。

3)施工便捷程度大幅提高。

結(jié)構(gòu)外側(cè)的雙鋼板可以在工廠模塊化加工，現(xiàn)場拼裝，同時外側(cè)鋼板又可以兼做模板，施工速度顯著加快，通過螺栓的拉結(jié)可約束混凝土澆筑過程中的側(cè)向變形，降低施工成本。

2.4 雙鋼板混凝土水池面臨的問題

從概念分析的角度，采用雙鋼板夾心混凝土整體式水池的結(jié)構(gòu)可能存在兩個問題：其一，用鋼量過高而帶來的工程成本問題，初步估算含鋼率大約在2%～3%，大于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土水池。但當(dāng)綜合考慮其減少混凝土用量、減少結(jié)構(gòu)占用面積、不需施工模板和支撐費用、縮短工期等因素，則結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性可大幅改善；其二，水池結(jié)構(gòu)固有的特點，其池體內(nèi)壁的鋼板必將面臨一定的防腐問題，針對這種可能出現(xiàn)的腐蝕情況，可通過鋼板壁噴鋅、采用耐候鋼等措施加以處理。

3 結(jié)語

通過分析雙鋼板混凝土結(jié)構(gòu)體系的一些承載力機理，其特有的組合結(jié)構(gòu)特性如果能夠利用在市政水池結(jié)構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)特有的抗?jié)B雙防線可以解決大型整體不設(shè)縫水池結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力問題，避免了因設(shè)置伸縮縫而導(dǎo)致的水池開裂問題，可以說是對整體不設(shè)縫水池結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的有益探索和嘗試。