桁架式分缝清水池

2012-07-24王水华刘忠宏

四川建筑 2012年3期

王水华，李健，刘忠宏

(中国市政工程西南设计研究总院，四川成都610081)

1 清水池结构的特点

随着城市的飞速发展，水厂规模日趋增大，清水池的容积也逐渐加大。对于万吨以上的大容积清水池，其平面尺寸会超过规范规定的温度伸缩缝间距要求，需要设置变形缝以适应温湿度和混凝土的收缩变形。变形缝间采用橡胶止水带连接，然后填以嵌缝膏。清水池设置伸缩缝以后，被分成了若干相对独立的结构受力单元，这些单元可分为角单元、边单元、中单元、中隔墙边单元和中隔墙中单元(图1)。

图1 分缝清水池单元示意图

各单元除了结构构件的布置差异很大外，其荷载也有很大的差异。除池顶覆土、顶板自重等竖向力外，外池壁和中隔墙还会受到内水的水平压力作用，在埋深较大时，基坑回填土及地下水对外池壁的侧压力也会较大。单元之间的这种结构布置差异和荷载差异，都极大地增加了设计难度。

2 传统结构体系及存在问题

2.1 传统结构体系

清水池的外池壁和中隔墙因挡水需要，均为较厚的钢筋混凝土墙板。为了支撑顶盖，池内还布置有很多的立柱(图1中未画出立柱)。传统的结构体系除了外池壁、中隔墙和立柱外，不再设置其它的抗侧力构件。

这种传统结构体系的分缝清水池，一般采用等代框架法计算。即将清水池按X、Y两个不同方向分成若干榀框架，每榀框架分别进行计算，不考虑其整体变形的协调性。现以角单元为例，传统结构体系布置及计算简图如图2所示。

图2 传统结构体系及计算简图

2.2 存在问题

从图2可以看出，各单元因所处的位置不同，其主要抗侧构件(墙、柱)分布差异很大，在水平力(水压力和水平地震力)的作用下，它们的变形情况会有极大的不同。

在内水压力作用下，各单元因受力不同其变形量差别很大。中单元只有立柱没有墙板，而立柱四周受到的水压力是均衡的，因此不会产生水平位移。边单元外池壁则会受到较大的水压力作用，且在相应方向上没有较强的抗侧构件，水平位移就比较大，有时会达到30 mm以上。这样大的位移差会使变形缝间的橡胶止水带长期处于拉应力状态，从而加速橡胶的老化，缩短其使用寿命。

在水平地震力作用下，各单元的变形量差异也会很大。某些单元(如角单元和边单元)因为其抗侧刚度严重不对称，还会产生较大的扭转效应。在地震烈度较高时，这种变形差异就会造成各单元之间的变形缝宽度发生急剧变化，甚至出现顶板相互碰撞的情况，其破坏性是显而易见的。而最容易被损坏的，依然是变形缝间的橡胶止水带。

3 斜撑式结构体系

针对分缝清水池传统结构体系的上述弊病，我院资深专家郭天木开创性地提出了斜撑式清水池的结构体系。这种体系的核心思路就是在图2所示的每榀等代框架上加设一道斜撑，以减小等代框架在水平力作用下的位移。设置斜撑后的等代框架，其水平位移可减小到10 mm以内。这样小的变形，对橡胶止水带的不利影响几乎可以忽略不计。斜撑一般布置在靠近外池壁或中隔墙的位置。以角单元为例，其斜撑布置及计算简图如图3所示。

图3 斜撑布置及计算简图

这种斜撑式结构体系在我院设计的大型分缝清水池中得到了广泛的应用，并在国内许多相关设计院推广。到目前为止，采用这种结构体系的清水池已经遍布全国，其安全性和可靠性已经得到了设计人员的普遍认可。

但是，这种结构体系还是存在一定缺陷的。从图3可以看出，虽然在等代框架上加设斜撑后使得清水池的水平位移大为减小，但从总体来看，其抗侧力构件的布置还是严重不对称，在地震力作用下，扭转效应依然会很明显，只是扭转产生的位移减小了很多而已。

4 桁架式结构体系

4.1 桁架式清水池

清水池顶板一般都会覆盖厚度500 mm以上的土层，荷载相对较大，板厚度基本都在150 mm以上，配筋也比较大。清水池分缝后，各单元的平面形状一般都会接近于正方形，边长在20～40 m之间。这样一块顶板，其平面内的刚度是非常大的，也会有很强平面内抗弯、抗剪能力。在水平荷载作用下，由于高刚度顶板的存在，各榀框架不可能自由变形，而是会相互牵制，最终达到变形协调。由此可见，将清水池分成若干榀框架分别进行计算，得到的结果与其实际受力与变形情况是不符的。当然，这样的计算是偏于安全的。

对于这种分缝清水池，有没有更为合理的结构体系呢?为此笔者进行了大量的工作，翻阅了很多相关资料，并进行了许多的计算、比较，最终在斜撑式清水池结构体系的基础上，通过改变斜撑的布置方式，创新出了一种新型的斜撑式清水池——桁架式清水池。仍以角单元为例，桁架式清水池的结构布置及计算简图如图4所示。

图4 桁架布置及计算简图

比较图3、图4可以看出，后者只是将原来分别布置于各榀等代框架上的斜撑集中布置到了变形缝边的框架上，形成了一榀抗侧刚度很大的桁架，总的斜撑数量并没有增加。这样，在单元的四周，都分布了刚度很大的抗侧力构件——墙板和桁架，原有结构体系抗侧力构件布置不对称的情况得到了极大的改善。

这种结构体系的水平力传递途径与上述其它两种结构体系有明显的区别，清水池顶板成了水平力传递的一个重要角色。以内水压力为例，水压力首先作用在外池壁上，在顶板外边缘形成一个向外的水平拉力，再由顶板将这个水平力向其两边的抗侧力构件(墙板和桁架)传递。这种结构体系充分利用了清水池顶板平面内的刚度和抗弯、抗剪能力，传力途径明确可靠，大大减轻了原有结构体系扭转效应明显的弊端。事实上，这种结构体系是将池壁、立柱、斜撑及顶板系统(宜采用梁板体系)作为一个整体进行考虑的，是一个空间结构体系。采用这种结构体系的清水池，其水平位移可进一步的减小，一般可控制在5 mm以内。

4.2 桁架式清水池计算

由于桁架式清水池是一个空间结构体系，采用人工计算就会有一定的难度。当然也可以进行简化后用人工计算，只是其准确性相对较差而已，但保证其安全是完全可以做到的。

以下介绍一种相对简单的计算方法。还是以角单元受内水压力作用的工况为例进行说明。首先，计算出水压力作用下对顶板边缘产生的拉力，并将这个拉力集中作用在每榀立柱外侧的顶节点上，如图4中所示的力F。剩下的事情，就可以交给计算机来完成了。相信任何一个结构设计人员，都会熟练使用PKPM系列结构计算软件，其中的SATWE就可以用于这个结构体系的计算。计算时可按图4用PMCAD进行建模，将结构所受到的外力输入计算模型，然后用SATWE进行计算就可以了。需要注意的是，有些荷载(如内水压力和外侧基坑填土压力)是不能同时输入的，必须按不同工况下的荷载分别输入模型进行计算，并按最不利的工况进行配筋。

从受力角度来说，在桁架的每一跨都布置了斜撑，形成一榀通长的抗侧桁架，无疑是最好的。但在实际工程中，为了节省投资，斜撑的布置是可以适当减少的，最好的方法就是按斜撑数量由少到多进行试算，只要斜撑的数量能将清水池变形和构件内力控制在合理范围以内就足够了。比如中单元，由于其所受水平力最小，一般只需要在四周各布置1、2跨斜撑就可以了。