双钢板混凝土结构在市政水池中的应用研究

吴 彬 芦建军 代春生

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

1 概述

随着我国经济的快速发展，国家对于基础设施的建设越来越重视，各地供水及污水处理工程近年来逐年增多，而各种贮水构筑物也有向大型化发展的趋势。目前国内对大型贮水池构筑物几乎均为现浇钢筋混凝土结构，主要依靠设置永久式伸缩缝来控制裂缝，解决温度应力。根据GB 50069—2002给水排水工程构筑物结构设计规范中规定，现浇钢筋混凝土构筑物一般间隔20 m～30 m需设一道贯通式伸缩缝，那么一座水池将被分割成很多块，块与块之间用止水板材连接，止水板材宜采用橡胶或塑料止水带。但是大型超长贮水构筑物中设置伸缩缝后，其结构体系往往存在下列问题：

1)整体性较差，抗震措施较为复杂。在地震力作用下，分缝处很容易因互相碰撞而损坏，分缝以后各板块的质量中心和刚度中心不一致，为抵抗地震荷载的作用就需要额外增加一些抗侧力构件，这些抗侧力构件通常构造复杂，且对水流的均匀性产生一定影响，造成了额外的水头损失，当水池池体高度较大时表现更为明显。

2)设缝处的防水构造措施复杂，一般是由止水板材、填缝材料和嵌缝材料组成，单个工程的止水带使用长度往往很长，导致混凝土不易浇筑密实，止水带节点也因施工原因等造成一定程度的漏水风险。

正是由于传统的分缝水池在整体性、抗震性和耐久性方面的种种缺陷，越来越多的设计者开始向全新无缝整体式水池的设计方向努力，并开展了大量研究工作。我国设计工作者在大量建设实践和现场实验的基础上，从力学角度对混凝土温度裂缝产生的原因进行了深入研究，大致提出了“抗”“放”“调”的混凝土设计准则[1-3]，来解决超长整体不设缝水池的温度应力问题。“抗”“放”“调”三种设计原则在实际的工程应用中均证明了整体式水池的优越性，其抗裂、抗渗和耐久性效果也优于传统设缝水池。面对市政给排水工程中整体超长水池的发展趋势，如何合理解决整体式水池中由温度应力产生的一系列结构问题已成为市政工程界和学术界面临的主要课题之一。

2 双钢板混凝土整体式水池的提出

2.1 双钢板混凝土

双钢板混凝土组合结构是一种新型的结构形式，由钢板—混凝土—钢板组合而成，它在双层钢板的中间灌注混凝土，为了增加钢板和混凝土核心之间的相互作用，在上、下钢板之间通过焊接剪力连接件来保证钢板与混凝土的连接和相互作用。通过大量的文献查阅[4-6]和考察，将这种新型组合结构引入市政水池结构工程中，提出双钢板混凝土整体式水池的结构体系，即水池的侧壁和顶板采用钢板夹心混凝土组合结构、底板采用钢筋混凝土，水池不设伸缩缝，其中钢板之间通过两块肋板由栓钉连接而成，再浇筑混凝土形成双钢板混凝土组合结构，如图1所示。

2.2 双钢板混凝土承载机理

目前国内外对于钢板—混凝土—钢板组合结构的承载机理主要采用的是等代梁模型和桁架模型。等代梁模型中假设钢与混凝土都为弹性材料，并且混凝土没有抗拉强度，钢板与混凝土完全复合，将混凝土的宽度按照钢与混凝土的弹性模量的比例进行折减(m=E/Ec)，然后在等效截面上使用钢的弹性模量E来计算其弯曲应力和挠度，如图2所示。桁架模型中混凝土在纵向上的受压区可以取等代梁模型中的等效截面，桁架模型中的杆件元素由栓钉组成，模型的一个主要优点是钢板与混凝土只在节点处有连接，这样的假设方法更接近实际情况，如图3所示。

在以上理论的基础上，通过有限元软件ABAQUS建立三维模型，将栓钉与混凝土之间的接触关系定义为摩擦接触，混凝土使用规范中规定的本构曲线；钢板使用有强化段的双折线本构曲线，按照不同跨度、钢板不同厚度、栓钉不同间距以及核心混凝土厚度不同对构件进行分类。分析结果如图4所示。

通过有限元模拟结果我们发现，双钢板混凝土发生破坏时，下部钢板与混凝土之间发生了较明显的滑移，顶部钢板在集中荷载下发生了局部屈曲，最终的破坏模式主要是受拉钢板屈曲破坏和栓钉受剪破坏，在整个加载过程中，双钢板混凝土组合结构基本属于大变形结构，初始加载阶段基本符合平截面假定。影响双钢板混凝土组合结构的承载力主要因素有：

1)受拉钢板越薄，混凝土区域承受的应力就越大，因此，钢板越厚，核心混凝土对于结构的抗剪承载力的贡献就越大；

2)混凝土厚度增加，结构的抗剪承载力越小；

3)栓钉间距，即含钢率的影响不是特别明显；

4)跨度越大，抗剪承载力越低。

2.3 双钢板混凝土水池的特点

面对大型水池整体化的趋势，采用预应力或后浇带的方法在经济性和可靠性都受到了很大的限制，而将双钢板混凝土结构引入到市政水池结构中，正是看中了其自身所固有的抗渗双防线特点，使得温度应力的问题不再会制约结构材料性能的充分发挥，水池可以通长不设缝，进而降低由设缝而带来的一系列问题。

综合分析后，双钢板混凝土整体式水池主要具有以下几个方面的特点：

1)抵抗温度应力，水池不设缝，抗渗性能好。

由于外部钢板的存在，使得内部混凝土即使在有贯通裂缝的情况下仍能保证整个墙体的抗渗性能满足水池的要求，而良好的抗渗性有助于保证水池的耐久性。

2)具有良好的受力性能。

双钢板混凝土结构可以充分发挥钢板和混凝土两种材料的性能，钢板为内侧的混凝土提供了约束，从而提高混凝土的抗压能力，同时内侧混凝土为钢板提供侧向支承，避免钢板的局部失稳，整个结构具有承载力高、刚度大、抗震延性和变形性能好的特点。

3)施工便捷程度大幅提高。

结构外侧的双钢板可以在工厂模块化加工，现场拼装，同时外侧钢板又可以兼做模板，施工速度显著加快，通过螺栓的拉结可约束混凝土浇筑过程中的侧向变形，降低施工成本。

2.4 双钢板混凝土水池面临的问题

从概念分析的角度，采用双钢板夹心混凝土整体式水池的结构可能存在两个问题：其一，用钢量过高而带来的工程成本问题，初步估算含钢率大约在2%～3%，大于传统的钢筋混凝土水池。但当综合考虑其减少混凝土用量、减少结构占用面积、不需施工模板和支撑费用、缩短工期等因素，则结构的经济性可大幅改善；其二，水池结构固有的特点，其池体内壁的钢板必将面临一定的防腐问题，针对这种可能出现的腐蚀情况，可通过钢板壁喷锌、采用耐候钢等措施加以处理。

3 结语

通过分析双钢板混凝土结构体系的一些承载力机理，其特有的组合结构特性如果能够利用在市政水池结构中，其结构特有的抗渗双防线可以解决大型整体不设缝水池结构的温度应力问题，避免了因设置伸缩缝而导致的水池开裂问题，可以说是对整体不设缝水池结构设计方法的有益探索和尝试。