趙曉燕 黃 暉

1. 西城工程設(shè)計集團有限公司 浙江 杭州 310000

2. 浙江建大規(guī)劃設(shè)計有限公司 浙江 杭州 310000

由鋼制材料組成的鋼結(jié)構(gòu)建筑，因鋼結(jié)構(gòu)擁有強度高、自重輕、整體剛度好以及抵抗變形能力強的特點，因此，廣泛應(yīng)用于跨度較大、超高以及超重型建筑物。也正因其高強度、延性好其結(jié)構(gòu)截面可以選的比混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕巧，但如果設(shè)計方法不得當就更容易結(jié)構(gòu)破壞，特別在抗震地區(qū)。

市政排水工程中，綜合處理車間、板框車間及維修車間等其有以下幾大特點：1、空間大、設(shè)備管道多；2、車間內(nèi)設(shè)備重，并往往伴隨著振動、旋轉(zhuǎn)等機械運動；3、所處的環(huán)境比較“惡劣”，不僅面臨著高濕度、而且還有因水處理中過程中產(chǎn)生的微腐蝕性的氣體等；4、設(shè)備的檢修、維護、更換等需要預(yù)留專用通道。

因此，在市政排水類工程中，需注重結(jié)構(gòu)布局合理、對鋼材需采取對應(yīng)防腐措施，還需要解決鋼結(jié)構(gòu)的防火問題[2]。

1 我國鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀及在市政排水中應(yīng)用前景

隨著我國倡導(dǎo)集約型經(jīng)濟發(fā)展模式，土地作為不可再生資源，能夠在寸土寸金的市中心相同占地面積前提下也就催生了多層、高層、超高層的純鋼結(jié)構(gòu)體系或混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)混合體系的建筑。鋼結(jié)構(gòu)利用它較小的結(jié)構(gòu)截面可以獲得更多的實際使用面積以及相同層高前提下獲得更大的凈空高度。

根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》，國家“十三五”期間的節(jié)能減排目標的具體措施中，明確需深化主要污染物減排，要建立健全企事業(yè)單位總量控制制度，控制重點流域和工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、移動源污染物排放；實施節(jié)能、循環(huán)經(jīng)濟。主要大氣污染物和主要水污染物減排等重點工程。

各地方政府為了實現(xiàn)減排目標，都很重視市政排水工程中污水的處理。各地污水處理廠紛紛新建、擴建以及提升改造等。

2 市政排水工程中鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計與對策

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該被強調(diào)的是"概念設(shè)計"，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。市政排水的概念設(shè)計從工藝布置開始，在工藝專業(yè)進行方案設(shè)計時結(jié)構(gòu)工程師提前介入，對樓層上設(shè)備的布置、樓板洞口的預(yù)留，還有結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)的布置，整體高度、凈空高度的確定等根據(jù)專業(yè)知識提供合理建議[3]。

設(shè)計師根據(jù)工程的不同特點采取對應(yīng)的結(jié)構(gòu)對策。大跨度廠房屋面當要考慮懸掛檢修吊車或作為下方設(shè)備的懸掛點時，可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。為了減少設(shè)備振動的沖擊作用，在框架中就近布置柱間支撐將荷載最直接地傳導(dǎo)到基礎(chǔ)。樓面上的大型設(shè)備布置應(yīng)與主結(jié)構(gòu)布置匹配。盡量保證樓板的連續(xù)性，避免局部過大開孔造成樓板剛度削弱。對局部樓層較高的，可利用中間的檢修走道，為立柱提供平面外支撐。

一般來說，結(jié)構(gòu)體系要剛度均勻、力學(xué)模型清晰。盡可能利用綜合因素使各部分成為有機體系、挖崛合理因素，使其以最直接的傳力線路將荷載傳遞到基礎(chǔ)。讓抗側(cè)剛度形心與結(jié)構(gòu)重心盡量重合，減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。選擇合適的平面外支撐系統(tǒng)，減少構(gòu)件計算長度，必要時，可采用格構(gòu)柱等空間受力更合理構(gòu)件[4]。

在良好的概念設(shè)計和體系選擇前提下，需通過設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)的整體分析。新版的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》增加了結(jié)構(gòu)分析方法，首次引入的“直接分析法”和“基于性能的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法”。

當采用直接分析設(shè)計法時，可以直接建立帶有初始幾何缺陷的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件單元模型，也可以用等效荷載來替代。在直接分析設(shè)計法中，應(yīng)能充分考慮各種對結(jié)構(gòu)剛度有貢獻的因素，如初始缺陷、二階效應(yīng)、材料彈塑性、節(jié)點半剛性等，以便能準確預(yù)測結(jié)構(gòu)行為。直接分析設(shè)計法作為一種全過程的非線性分析方法，不允許進行荷載效應(yīng)的迭加，而應(yīng)采用荷載組合進行非線性求解[5]。

因市政排水工程設(shè)備繁多，工藝布局復(fù)雜，需采用結(jié)構(gòu)軟件進行空間有限元整體分析，根據(jù)分析結(jié)果，評估結(jié)構(gòu)最小剛度比、最小樓層受剪承載力比值、結(jié)構(gòu)自振周期、最大層間位移角、最大位移比等指標，綜合判斷結(jié)構(gòu)體系的選擇是否合理。超出允許范圍時，還需調(diào)整結(jié)構(gòu)修正計算結(jié)果直到所以指標均在合理范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)選型基本結(jié)束。

3 市政排水工程中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計與對策

通過結(jié)構(gòu)選型后，需要進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計。結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計首先需明確不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件需適應(yīng)的設(shè)計標準。設(shè)計標準的選用通常需要考慮：結(jié)構(gòu)類型，所處的抗震區(qū)設(shè)防烈度，所處的重要性等級，結(jié)構(gòu)的規(guī)模等級等。排水建筑工程中，20萬以上城鎮(zhèn)、抗震設(shè)防烈度為7度及以上的縣及縣級市的污水干管（含合流），主要污水處理廠的主要水處理建（構(gòu)）筑物、進水泵房、中控室、化驗室，以及城市排澇泵站、城鎮(zhèn)主干道立交處的雨水泵房，抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為重點設(shè)防類。屬于需要提高設(shè)防標準的建筑（簡稱乙類）。重點抗震設(shè)防類別建筑的抗震設(shè)防標準應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強其抗震措施；但抗震設(shè)防烈度為9度時，應(yīng)按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基礎(chǔ)的抗震措施應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。同時，應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用[6]。

有些車間雖然采用的門式剛架結(jié)構(gòu)，但必須深析國標《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）的適用范圍。當廠房高度超過18m或吊車為重級工作制或吊車起吊重量大于20T時，是不適用的，其風(fēng)荷載體系系數(shù)、風(fēng)荷載作用下的柱頂位移、構(gòu)件長細比、構(gòu)件寬厚比等與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB50017-2017）有較大區(qū)別，不可混用。

在鋼結(jié)構(gòu)進行抗震性能設(shè)計時需要對照表1，表2，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最低延性等級。再分別對應(yīng)拉彎和壓彎構(gòu)件，確定截面板件寬厚比等級及限值。有柱間支撐系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，支撐系統(tǒng)作為抗震設(shè)計的第一道防線，需要采取更為嚴格的措施。

表1 塑料耗能區(qū)承載性能等級參考選用表

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件最低延性等級

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計根據(jù)受力性質(zhì)特點，一般要計算其強度、平面內(nèi)穩(wěn)定、平面外穩(wěn)定、受剪承載力、構(gòu)件截面局部穩(wěn)定、構(gòu)件的長細比、構(gòu)件剛度等。必要時需進行焊接截面腹板考慮屈曲后的強度復(fù)核或疲勞驗算[7]。

4 市政排水工程中鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計及措施

市政排水工程在水處理中過程中一般都會產(chǎn)生一些微腐蝕性的氣體，因此廠房鋼結(jié)構(gòu)的防腐顯得非常重要。鋼構(gòu)件防腐主要側(cè)重于鋼結(jié)構(gòu)表面處理、防腐涂層的選擇、防腐措施以及全壽命周期內(nèi)的檢查、維護和大修。鋼構(gòu)件在涂防銹蝕涂料前，必須將構(gòu)件表面的毛刺、鐵銹、油污及附著物清除干凈使表面露出銀灰色，有條件時，優(yōu)先采用噴砂除銹，除銹等級為Sa2.5。防腐涂層要選擇耐水、耐化學(xué)藥品性，可以選擇附著能力強而且防腐性能優(yōu)異的氟碳漆和無機防腐涂料，防腐層干膜厚度宜≥240um。 鋼柱柱腳埋入地下部分應(yīng)以C10混凝土包裹（保護層厚度不應(yīng)小于50mm），并包出地面150mm。所埋入部分表面應(yīng)作除銹處理但不作涂料涂裝。設(shè)計中需要約定檢修周期，對檢查中發(fā)現(xiàn)的問題及時處理。

市政排水工程基礎(chǔ)部分的防腐也不容忽視。在場地孔隙潛水在干濕交替情況下對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均具強腐蝕性；在長期浸水情況下對混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有弱腐蝕性；這種條件下，鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)混凝土的墊層、基礎(chǔ)、承臺等均涂環(huán)氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層，厚度≥500μm。由于場地孔隙潛水在干濕交替情況下對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均具強腐蝕性，樁身結(jié)構(gòu)防腐蝕措施采用，管樁應(yīng)采用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、摻入抗硫酸鹽的外加劑、摻入礦物摻和料、摻入鋼筋阻銹劑(但不得采用亞鹽酸類的阻銹劑)，水灰比不應(yīng)大于0.4，抗?jié)B等級不應(yīng)低于S10，保護層厚度不應(yīng)小于45mm。地下水位標高以下1500mm范圍內(nèi)，管樁外表面涂刷環(huán)氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層，厚度≥500μm。

5 市政排水工程中鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計及措施

鋼結(jié)構(gòu)所使用的鋼材耐高溫的性能較差，如果所處環(huán)境溫度超過了430-540℃這一范圍，就會迅速降低承載力，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。另外，鋼材耐火性能也較差，在火災(zāi)的影響下，鋼材會因為火災(zāi)的高溫導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失承載能力，從而造成房屋倒塌。通常需要采用防火保護措施，防火涂料是常用的主要保護措施之一。市政排水鋼結(jié)構(gòu)雖然車間內(nèi)多的“水”，但在水處理中用到大量的化學(xué)藥品，并且在降解污染物時還會排出有害物質(zhì)，而且污水也不能作為消防用水。建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的設(shè)計、施工和驗收可以參考《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》( GB 51249—2017) 。

構(gòu)件的耐火極限驗算主要根據(jù)構(gòu)件在火災(zāi)下的升溫及鋼材因高溫的性能衰減，計算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力不足以抵抗外荷載作用的時長。判定構(gòu)件耐火極限可采用三個指標：耐火極限、承載力和臨界溫度，具體方法有：(1)耐火極限法。(2)承載力法。(3)臨界溫度法。

根據(jù)構(gòu)件的受力特點不一樣，需分別按規(guī)范中給出的火災(zāi)下軸心受拉鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、軸心受壓鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、偏心受壓鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、單軸受彎鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、拉彎或壓彎鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度和穩(wěn)定性的計算判別公式進行耐火驗算[8]。

鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料通常分膨脹型和非膨脹型兩種，根據(jù)不同部位的耐火極限選用。作為合格的防火涂料必須滿足以下技術(shù)要求：1、防火涂料應(yīng)具有國家消防產(chǎn)品合格評定中心頒發(fā)的“3C”強制認證證書；2、防火涂料不應(yīng)含有石棉和玻璃纖維等有害物質(zhì)，嚴禁采用苯類溶劑類產(chǎn)品；3、防火涂料應(yīng)具有很好的大變形能力和高粘結(jié)性，應(yīng)采取合適的措施和施工工藝，保證鋼構(gòu)件在火災(zāi)高溫下發(fā)生L/20最大變形過程中，涂料的完整性和完好性，滿足不空鼓、不開裂、不脫落的工作要求，以及不流墜和乳突；4、應(yīng)按批次對進場防火涂料的干密度、粘接強度、抗壓強度和等效熱傳導(dǎo)系數(shù)或等效熱阻進行第三方復(fù)驗，達到設(shè)計文件要求。

6 結(jié)束語

隨著對節(jié)能減排的推進，鋼結(jié)構(gòu)在市政排水工程會被更廣泛的應(yīng)用，但是，基于市政排水工程的特殊性、重要性，在進行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要充分考慮“適用條件、結(jié)構(gòu)合理、防腐及防火”，掌握設(shè)計的重點，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的重要作用，提高我國建筑的安全系數(shù)，為我國的建筑行業(yè)的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。