黃小達(dá)

(廈門(mén)水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，福建 廈門(mén) 361008)

1 工程概況

洪塘水廠擴(kuò)建工程(勘察設(shè)計(jì))(以下簡(jiǎn)稱“本工程”)原供水規(guī)模1.5萬(wàn)m3/d，土建擴(kuò)建后供水規(guī)模12萬(wàn)m3/d，包含清水池、二級(jí)泵房及加氯間、配電室與控制房、機(jī)修間及庫(kù)房、片區(qū)供水服務(wù)中心等建(構(gòu))筑物。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，清水池、二級(jí)泵房及加氯間的基礎(chǔ)持力層均為粉質(zhì)黏土層，抗浮設(shè)計(jì)的最高地下水位按周邊室外設(shè)計(jì)地面標(biāo)高以下0.5 m考慮。

清水池共2座，每座平面尺寸37.55 m×52.8 m，池內(nèi)每隔5 m設(shè)一道Y向?qū)Я鲏?，清水池?.75 m，基礎(chǔ)埋深4.1 m～5.0 m，池頂作種植屋面，覆土0.8 m，詳見(jiàn)圖1[1]。

二級(jí)泵房及加氯間包含二級(jí)泵房、吸水井、加氯間各一座，其中二級(jí)泵房下部池體，上部框架，平面尺寸36.9 m×10.4 m，池高5.0 m，基礎(chǔ)埋深4.7 m，上部單層框架層高7.2 m。 吸水井平面尺寸26.7 m×3.9 m，池高8.85 m，基礎(chǔ)埋深8.55 m，詳見(jiàn)圖2[2]。

2 荷載取值

1)水池荷載主要包含結(jié)構(gòu)自重、側(cè)向水壓力、豎向土壓力、側(cè)向土壓力、地面堆載、溫度作用等。其中側(cè)向水壓力分為池內(nèi)水壓力和池外水壓力。池內(nèi)水壓力應(yīng)按永久作用考慮，對(duì)于給水處理的水池，水容重可取10 kN/m3；對(duì)污水處理的水池，考慮懸浮固體等雜質(zhì)的含量，水容重可取10 kN/m3～10.8 kN/m3。池外水壓力應(yīng)按可變作用考慮，其最高計(jì)算水位應(yīng)結(jié)合該工程地質(zhì)勘查報(bào)告選取[3]。

2)水池池壁承載能力極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)需計(jì)算兩種工況：池內(nèi)有水，池外無(wú)水土(施工階段閉水試驗(yàn))；池內(nèi)無(wú)水，池外有水土(使用階段空池檢修)。地基承載力驗(yàn)算時(shí)，一般取地下水位處于基底標(biāo)高下，池內(nèi)滿水，池外滿土狀態(tài)。但使用階段抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，需取最高水位狀態(tài)。溫濕度作用需考慮兩種極端情況：a.冬季夜晚池內(nèi)外濕度基本平衡后表現(xiàn)出的溫差作用;b.夏季夜晚池內(nèi)外溫度基本平衡后表現(xiàn)出的濕差作用，兩者均使池內(nèi)壁膨脹外壁收縮，取最大值計(jì)算。

3)本工程清水池池內(nèi)設(shè)計(jì)最高水深為4.8 m(工藝專業(yè)確定)，但是考慮滿水試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)仍按池內(nèi)滿水(水深5 m)計(jì)算水壓，顯然，清水池池外水土壓力作用大于池內(nèi)滿水水壓。因清水池長(zhǎng)期貯水，為減少溫濕度作用帶來(lái)的不利影響，池頂設(shè)置種植屋面，露出地面的池外壁粉刷無(wú)機(jī)輕集料保溫砂漿(也可池壁外側(cè)設(shè)牛腿，砌筑保溫磚)。

4)二級(jí)泵房池內(nèi)無(wú)水，側(cè)壁計(jì)算時(shí)由池外水土作用控制，底板計(jì)算時(shí)，需考慮上層框架柱底傳遞的荷載作用。

3 計(jì)算假定

1)水池一般由底板、池壁及頂蓋組成，其中頂蓋的設(shè)置與否一般由工藝需求決定，頂蓋采用現(xiàn)澆還是預(yù)制形式一般與安裝檢修需求有關(guān)，因此水池分為敞口水池與有蓋水池。

2)水池與底板、斗槽或條基連接時(shí)，均可視池壁為固端支承。水池頂端無(wú)約束或頂板為預(yù)制裝配板擱置且無(wú)其他連接措施時(shí)，池壁頂端視為自由端。當(dāng)敞口水池頂端為工作平臺(tái)、走道板、連系梁等支承結(jié)構(gòu)，根據(jù)支承結(jié)構(gòu)橫向剛度確定池壁頂端的支承條件為彈性或鉸支。當(dāng)有蓋水池頂板與池壁整體澆筑且配連續(xù)鋼筋，該節(jié)點(diǎn)視為彈性固定。當(dāng)預(yù)制頂板與池壁頂端通過(guò)抗剪鋼筋連接，該節(jié)點(diǎn)視為鉸支。當(dāng)池壁雙向受力，相鄰池壁間的連接視為彈性固定。

3)合理確定水池結(jié)構(gòu)板件邊界條件且正確進(jìn)行內(nèi)力分析方能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確可靠，矩形池壁在側(cè)向荷載作用下單、雙向受力的區(qū)分條件見(jiàn)表1。

表1 池壁在側(cè)向荷載作用下單、雙向受力的區(qū)分條件

4)顯然，本工程清水池Y向外壁為四邊支撐，L/H>2，應(yīng)按豎向單向計(jì)算，可取1 m長(zhǎng)度為計(jì)算單元，下端固定，上端簡(jiǎn)支計(jì)算。清水池X向外壁0.5

清水池底板與外壁連接處可按“簡(jiǎn)支+池壁彎矩”模式，即底板簡(jiǎn)支于池壁之上，池壁在側(cè)向壓力作用下產(chǎn)生的底端彎矩作為力偶荷載傳遞給底板，忽略底板外挑部分的影響，底板所受軸力等于其兩端池壁下端的剪力。底板與導(dǎo)流墻的連接可按“固端”模式，即池壁作為底板的固定支座，則底板計(jì)算時(shí)沿單向截取單元條，按多跨連續(xù)梁計(jì)算。本工程清水池持力層為粉質(zhì)黏土層，底板內(nèi)力可按地基反力直線分布計(jì)算，直接作用于底板上的池內(nèi)水重及底板自重與它們引起的地基反力直接抵消，不產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。若本工程地基為軟土或板短跨較大，宜截取單元條，將水池內(nèi)外壁板作用集中力按彈性地基梁進(jìn)行內(nèi)力分析[4]。

清水池頂板設(shè)計(jì)時(shí)，頂板邊緣可按固端考慮并按多跨連續(xù)梁計(jì)算。

5)二級(jí)泵房池壁頂端(±0.000標(biāo)高)設(shè)置了走道板及工作平臺(tái)，當(dāng)走道板及工作平臺(tái)作為池壁頂端支承結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)支承結(jié)構(gòu)的橫向剛度確定池壁頂端的支承條件為鉸支或彈性支承，本工程開(kāi)洞較大，走道板為懸挑結(jié)構(gòu)，故不考慮支承結(jié)構(gòu)的約束，池壁頂端按自由考慮。

二級(jí)泵房外墻設(shè)有框架柱(扶壁柱)，框架柱截面尺寸500 mm×600 mm，外墻厚450 mm，框架柱截面高度小于外墻厚度的2倍，且框架柱上部非高層建筑，框架柱與外墻線剛度比小于2，故框架柱不宜作為池壁的支承結(jié)構(gòu)。若池壁以框架柱作為支承結(jié)構(gòu)采用雙向板計(jì)算配筋，則框架柱除按結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果配筋外，還需按外墻雙向板傳遞荷載驗(yàn)算配筋。根據(jù)框架柱與外墻變形協(xié)調(diào)的原理，框架柱配筋偏少，外墻豎向受力鋼筋配置不足，水平分布筋有富余。因此外墻宜按豎向單向板計(jì)算配筋，對(duì)框架柱內(nèi)外側(cè)主筋適當(dāng)加強(qiáng)。

二級(jí)泵房抗浮水位取室外地面下0.5 m，上部?jī)H為單層框架，出于抗浮考慮，采取如下措施：底板厚度按構(gòu)造要求取大值(一般為壁板厚度的1.2倍～1.5倍)，同時(shí)可滿足柱下筏板沖切要求，底板外挑500 mm，底板上方回填500 mm C20素混凝土，素混凝土可兼作設(shè)備基礎(chǔ)下部且方便形成排水溝。二級(jí)泵房底板與外壁連接處可按“簡(jiǎn)支+池壁彎矩”模式計(jì)算配筋。

4 處理方案比選

水池設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)各種問(wèn)題難題做出處理方案比選，擇較合理者選用，其中尤以裂縫及抗浮問(wèn)題需較慎重。

1)混凝土水池的裂縫問(wèn)題是普遍存在且難以解決的令各參建方頭疼的問(wèn)題，它的成因包括混凝土收縮、溫度變化、混凝土養(yǎng)護(hù)不善、施工措施不到位、池體不均勻沉降、設(shè)計(jì)配筋不足等。清水池平面尺寸52.8 m×37.55 m，而規(guī)范規(guī)定伸縮縫最大允許間距20 m(露天)～30 m(室內(nèi)或土中)，故對(duì)溫度變化敏感的清水池設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮減少大體積混凝土收縮的措施。常用的處理方法有：設(shè)后澆帶、設(shè)伸縮縫、設(shè)膨脹加強(qiáng)帶[5]。

a.后澆帶：常設(shè)于結(jié)構(gòu)內(nèi)力相對(duì)較小或兩側(cè)沉降差較大位置，可減少超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在施工前階段溫差及混凝土前期收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，降低沉降差引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

但后澆帶的斷筋、清理和填補(bǔ)較為麻煩，留設(shè)時(shí)間不少于40 d將延緩后續(xù)滿水試驗(yàn)等工序，同時(shí)工期延長(zhǎng)將產(chǎn)生施工降水成本提高的連鎖反應(yīng)。

b.設(shè)縫(伸縮縫、沉降縫或抗震縫)：可防止超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度變化引起的結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、沉降差異造成的結(jié)構(gòu)開(kāi)裂及結(jié)構(gòu)剛度不均勻在地震中的扭轉(zhuǎn)破壞(抗震縫)，如圖3所示。

但水池伸縮縫施工難度較大，整體性差，橡膠止水帶處因不易澆筑密實(shí)導(dǎo)致容易滲水，橡膠止水帶易老化。

c.膨脹加強(qiáng)帶：可與結(jié)構(gòu)同時(shí)施工，也可后澆，通過(guò)在溫度應(yīng)力集中處適當(dāng)加強(qiáng)并增加膨脹劑摻量以提高該部位混凝土膨脹率，從而抵消全部或部分拉應(yīng)力，避免或減少開(kāi)裂。但其不能降低沉降差引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

本工程建設(shè)工期緊張，不適合采用后澆帶施工。伸縮縫處理對(duì)施工水平要求較高，且橡膠止水帶使用年限過(guò)少，故不予采用。清水池采用膨脹加強(qiáng)帶是相對(duì)折中的方案，能滿足安全、工期及經(jīng)濟(jì)要求。

2)本工程清水池埋深約4.1 m，經(jīng)核算，若不考慮頂板覆土，抗浮驗(yàn)算的抗浮力Gk/浮力(F)=0.84<抗浮穩(wěn)定系數(shù)Ks=1.05，可采用以下方案增加抗浮力：錨桿(抗拔樁)抗浮、底板上設(shè)素混凝土壓重、底板下埋筋配重及頂板上覆土壓重。

a.錨桿(抗拔樁)抗?。篏k/F=0.84與1.05較接近，采用錨桿或抗拔樁抗浮可滿足要求，但偏于保守且需設(shè)備配合，施工較為復(fù)雜。

b.底板上設(shè)素混凝土壓重：會(huì)加大水池埋深、增加挖方、基坑支護(hù)及降排水成本。

c.底板下埋筋配重：底板與掛重部分混凝土需用鋼筋連接，根據(jù)地勘報(bào)告，地下水對(duì)干濕交替環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕，采用后鋼筋有銹蝕隱患。

d.頂板上覆土壓重：可減少溫濕度作用帶來(lái)的不利影響，結(jié)合建筑專業(yè)綠化率指標(biāo)需求(頂板覆土厚度取0.6 m～0.9 m時(shí)，可計(jì)入清水池平面面積的50%作為綠化面積)。但覆土壓重將導(dǎo)致頂板厚度及配筋加大，故覆土厚度也不宜過(guò)大。

經(jīng)上，本工程清水池頂板覆土0.8 m既可滿足抗浮要求，又能減少溫濕度作用影響、提高場(chǎng)地綠化率指標(biāo)，而且施工簡(jiǎn)單，雖增加頂板厚度及配筋，但仍屬相對(duì)較合理方案。

5 結(jié)語(yǔ)

在鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在取得完整而準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)資料后，只有選擇正確的結(jié)構(gòu)型式，選取準(zhǔn)確的荷載取值，通過(guò)合理的計(jì)算假定建立符合實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)模型，再根據(jù)工程的特殊性及構(gòu)造要求對(duì)各問(wèn)題處理方案進(jìn)行比選，才能設(shè)計(jì)出安全、合理、經(jīng)濟(jì)的鋼筋混凝土水池。

上述鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載取值、計(jì)算假定、處理方案比選為筆者參考結(jié)構(gòu)專業(yè)相關(guān)資料，結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與心得體會(huì)。限于筆者水平，不妥之處請(qǐng)予指正。