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探讨水厂水池结构设计要点

2021/11/18 阅读:

摘要:通过某水厂扩建工程中典型的清水池及加压泵房结构设计经验总结,对钢筋混凝土水池结构设计的荷载取值、计算假定、处理方案比选进行研究分析,可为以后设计出安全、合理、经济的钢筋混凝土水池提供参考。

关键词:水池;荷载;计算假定;裂缝;抗浮

1工程概况

洪塘水厂扩建工程(勘察设计)(以下简称“本工程”)原供水规模1.5万m3/d,土建扩建后供水规模12万m3/d,包含清水池、二级泵房及加氯间、配电室与控制房、机修间及库房、片区供水服务中心等建(构)筑物。根据地质勘察报告,清水池、二级泵房及加氯间的基础持力层均为粉质黏土层,抗浮设计的最高地下水位按周边室外设计地面标高以下0.5m考虑。清水池共2座,每座平面尺寸37.55m×52.8m,池内每隔5m设一道Y向导流墙,清水池高5.75m,基础埋深4.1m~5.0m,池顶作种植屋面,覆土0.8m,详见图1[1]。二级泵房及加氯间包含二级泵房、吸水井、加氯间各一座,其中二级泵房下部池体,上部框架,平面尺寸36.9m×10.4m,池高5.0m,基础埋深4.7m,上部单层框架层高7.2m。吸水井平面尺寸26.7m×3.9m,池高8.85m,基础埋深8.55m,详见图2[2]。

2荷载取值

1)水池荷载主要包含结构自重、侧向水压力、竖向土压力、侧向土压力、地面堆载、温度作用等。其中侧向水压力分为池内水压力和池外水压力。池内水压力应按永久作用考虑,对于给水处理的水池,水容重可取10kN/m3;对污水处理的水池,考虑悬浮固体等杂质的含量,水容重可取10kN/m3~10.8kN/m3。池外水压力应按可变作用考虑,其最高计算水位应结合该工程地质勘查报告选取[3]。

2)水池池壁承载能力极限状态的结构强度验算时需计算两种工况:池内有水,池外无水土(施工阶段闭水试验);池内无水,池外有水土(使用阶段空池检修)。地基承载力验算时,一般取地下水位处于基底标高下,池内满水,池外满土状态。但使用阶段抗浮稳定验算时,需取最高水位状态。温湿度作用需考虑两种极端情况:a.冬季夜晚池内外湿度基本平衡后表现出的温差作用;b.夏季夜晚池内外温度基本平衡后表现出的湿差作用,两者均使池内壁膨胀外壁收缩,取最大值计算。

3)本工程清水池池内设计最高水深为4.8m(工艺专业确定),但是考虑满水试验,结构设计时仍按池内满水(水深5m)计算水压,显然,清水池池外水土压力作用大于池内满水水压。因清水池长期贮水,为减少温湿度作用带来的不利影响,池顶设置种植屋面,露出地面的池外壁粉刷无机轻集料保温砂浆(也可池壁外侧设牛腿,砌筑保温砖)。

4)二级泵房池内无水,侧壁计算时由池外水土作用控制,底板计算时,需考虑上层框架柱底传递的荷载作用。

3计算假定

1)水池一般由底板、池壁及顶盖组成,其中顶盖的设置与否一般由工艺需求决定,顶盖采用现浇还是预制形式一般与安装检修需求有关,因此水池分为敞口水池与有盖水池。

2)水池与底板、斗槽或条基连接时,均可视池壁为固端支承。水池顶端无约束或顶板为预制装配板搁置且无其他连接措施时,池壁顶端视为自由端。当敞口水池顶端为工作平台、走道板、连系梁等支承结构,根据支承结构横向刚度确定池壁顶端的支承条件为弹性或铰支。当有盖水池顶板与池壁整体浇筑且配连续钢筋,该节点视为弹性固定。当预制顶板与池壁顶端通过抗剪钢筋连接,该节点视为铰支。当池壁双向受力,相邻池壁间的连接视为弹性固定。

3)合理确定水池结构板件边界条件且正确进行内力分析方能保证结构设计的准确可靠,矩形池壁在侧向荷载作用下单、双向受力的区分条件见表1。

4)显然,本工程清水池Y向外壁为四边支撑,L/H>2,应按竖向单向计算,可取1m长度为计算单元,下端固定,上端简支计算。清水池X向外壁0.5<L/H<2,按双向计算。对于池壁的四阳角处,侧压力是沿水平及竖向双向传递,且沿水平传递的比例较大,这些水平弯矩即角隅弯矩,角隅处的剪力使垂直于本池壁方向的相邻池壁产生拉力(或压力),故相邻池壁计算时应考虑此力影响。设计时,可分别计算两壁板交接处弯矩,按弯矩分配法的原理,调整相邻池壁水平边缘弯矩,根据水平板带线刚度比分配角点不平衡弯矩,使之平衡,相应调整跨中弯矩。池内导流墙两侧水压平衡,按构造要求设计。清水池底板与外壁连接处可按“简支+池壁弯矩”模式,即底板简支于池壁之上,池壁在侧向压力作用下产生的底端弯矩作为力偶荷载传递给底板,忽略底板外挑部分的影响,底板所受轴力等于其两端池壁下端的剪力。底板与导流墙的连接可按“固端”模式,即池壁作为底板的固定支座,则底板计算时沿单向截取单元条,按多跨连续梁计算。本工程清水池持力层为粉质黏土层,底板内力可按地基反力直线分布计算,直接作用于底板上的池内水重及底板自重与它们引起的地基反力直接抵消,不产生弯曲应力。若本工程地基为软土或板短跨较大,宜截取单元条,将水池内外壁板作用集中力按弹性地基梁进行内力分析[4]。清水池顶板设计时,顶板边缘可按固端考虑并按多跨连续梁计算。

5)二级泵房池壁顶端(±0.000标高)设置了走道板及工作平台,当走道板及工作平台作为池壁顶端支承结构时,应根据支承结构的横向刚度确定池壁顶端的支承条件为铰支或弹性支承,本工程开洞较大,走道板为悬挑结构,故不考虑支承结构的约束,池壁顶端按自由考虑。二级泵房外墙设有框架柱(扶壁柱),框架柱截面尺寸500mm×600mm,外墙厚450mm,框架柱截面高度小于外墙厚度的2倍,且框架柱上部非高层建筑,框架柱与外墙线刚度比小于2,故框架柱不宜作为池壁的支承结构。若池壁以框架柱作为支承结构采用双向板计算配筋,则框架柱除按结构整体分析结果配筋外,还需按外墙双向板传递荷载验算配筋。根据框架柱与外墙变形协调的原理,框架柱配筋偏少,外墙竖向受力钢筋配置不足,水平分布筋有富余。因此外墙宜按竖向单向板计算配筋,对框架柱内外侧主筋适当加强。二级泵房抗浮水位取室外地面下0.5m,上部仅为单层框架,出于抗浮考虑,采取如下措施:底板厚度按构造要求取大值(一般为壁板厚度的1.2倍~1.5倍),同时可满足柱下筏板冲切要求,底板外挑500mm,底板上方回填500mmC20素混凝土,素混凝土可兼作设备基础下部且方便形成排水沟。二级泵房底板与外壁连接处可按“简支+池壁弯矩”模式计算配筋。

4处理方案比选

水池设计过程中需对各种问题难题做出处理方案比选,择较合理者选用,其中尤以裂缝及抗浮问题需较慎重。1)混凝土水池的裂缝问题是普遍存在且难以解决的令各参建方头疼的问题,它的成因包括混凝土收缩、温度变化、混凝土养护不善、施工措施不到位、池体不均匀沉降、设计配筋不足等。清水池平面尺寸52.8m×37.55m,而规范规定伸缩缝最大允许间距20m(露天)~30m(室内或土中),故对温度变化敏感的清水池设计时应考虑减少大体积混凝土收缩的措施。常用的处理方法有:设后浇带、设伸缩缝、设膨胀加强带[5]。

a.后浇带:常设于结构内力相对较小或两侧沉降差较大位置,可减少超长结构在施工前阶段温差及混凝土前期收缩产生的应力,降低沉降差引起的结构应力。但后浇带的断筋、清理和填补较为麻烦,留设时间不少于40d将延缓后续满水试验等工序,同时工期延长将产生施工降水成本提高的连锁反应。b.设缝(伸缩缝、沉降缝或抗震缝):可防止超长结构温度变化引起的结构开裂、沉降差异造成的结构开裂及结构刚度不均匀在地震中的扭转破坏(抗震缝),如图3所示。但水池伸缩缝施工难度较大,整体性差,橡胶止水带处因不易浇筑密实导致容易渗水,橡胶止水带易老化。c.膨胀加强带:可与结构同时施工,也可后浇,通过在温度应力集中处适当加强并增加膨胀剂掺量以提高该部位混凝土膨胀率,从而抵消全部或部分拉应力,避免或减少开裂。但其不能降低沉降差引起的结构应力。本工程建设工期紧张,不适合采用后浇带施工。伸缩缝处理对施工水平要求较高,且橡胶止水带使用年限过少,故不予采用。清水池采用膨胀加强带是相对折中的方案,能满足安全、工期及经济要求。

2)本工程清水池埋深约4.1m,经核算,若不考虑顶板覆土,抗浮验算的抗浮力Gk/浮力(F)=0.84<抗浮稳定系数Ks=1.05,可采用以下方案增加抗浮力:锚杆(抗拔桩)抗浮、底板上设素混凝土压重、底板下埋筋配重及顶板上覆土压重。

a.锚杆(抗拔桩)抗浮:Gk/F=0.84与1.05较接近,采用锚杆或抗拔桩抗浮可满足要求,但偏于保守且需设备配合,施工较为复杂。

b.底板上设素混凝土压重:会加大水池埋深、增加挖方、基坑支护及降排水成本。

c.底板下埋筋配重:底板与挂重部分混凝土需用钢筋连接,根据地勘报告,地下水对干湿交替环境下的钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀,采用后钢筋有锈蚀隐患。

d.顶板上覆土压重:可减少温湿度作用带来的不利影响,结合建筑专业绿化率指标需求(顶板覆土厚度取0.6m~0.9m时,可计入清水池平面面积的50%作为绿化面积)。但覆土压重将导致顶板厚度及配筋加大,故覆土厚度也不宜过大。经上,本工程清水池顶板覆土0.8m既可满足抗浮要求,又能减少温湿度作用影响、提高场地绿化率指标,而且施工简单,虽增加顶板厚度及配筋,但仍属相对较合理方案。

5结语

在钢筋混凝土水池结构设计中,在取得完整而准确的设计资料后,只有选择正确的结构型式,选取准确的荷载取值,通过合理的计算假定建立符合实际情况的结构模型,再根据工程的特殊性及构造要求对各问题处理方案进行比选,才能设计出安全、合理、经济的钢筋混凝土水池。上述钢筋混凝土水池结构设计的荷载取值、计算假定、处理方案比选为笔者参考结构专业相关资料,结合实际工程设计的经验总结与心得体会。限于笔者水平,不妥之处请予指正。

作者:黄小达 单位:厦门水务规划设计研究有限公司

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