浅谈水工构筑物的结构设计
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【摘要】水工构筑物由于使用功能的要求而具有一定的结构特点，本文从其设计内容、结构特征、结构计算、构造措施等方面结合实际设计经验进行了一定阐述。
【关键词】构筑物；结构；构造；计算
近十年来随着国家综合国力的增强，人民生活水平的不断提高，城市化进程的急剧扩大，城市给排水厂建设日益增多，主要水工构筑物的设计就显得尤为重要。下面从结构专业角度谈谈设计中的一些体会。
1 给排水工程结构涵盖的内容
1.1 给水工程中的各种取水构筑物和水处理厂内的各类构筑物。后者包括给水水质净化和污水处理厂内的各类水池： 沉淀池、曝气池、清水池、调储池、水塔等。在结构形式上有 圆形 、矩形；敞口、有盖 ；平底、锥底、穹底等。在施工方式上也可采用不开槽的沉井结构。
1.2 各种管材的地下管道。包括钢管、铸铁管(灰口铸铁、球墨铸铁、铸态球铁)、砼(含钢筋混凝土)圆管、各种化学管材管道 (硬塑料 UPVC、玻璃钢管 FRP、CRP、PE管 等)。在施工方式上可分为开槽敷设和不开槽顶进或掘进。
2 给排水工程结构特征
2.1 结构均由板、壳构件组成――单、双向受力板 (含变截面 )、圆柱壳、圆锥壳、拱壳及其组合壳体等。
2.2 结构可以露明在地面以上 ，建造于地下和半地下 ，因此结构主要承受的作用为水压力 (内部水压或外部下水 )、土压力、温湿度作用、地面车辆轮压或堆积荷载、流水压力、融冰压力(对位于河道内或岸边的取水构筑物 )、预加应力(对预加应力结构)、地基不均匀沉降的影响等。
2.3 水质净化处理厂内盛水构筑物，容量可以在万吨以上，甚至 10万吨以上，因此对砼壁板浇注成型过程中的早期温度变化和地基不均匀沉降导致结构受力的影响，需特别加以关注。
3 构筑物结构设计与计算
应计算两种极限状态 ，分别是承载力极限状态和正常使用极限状态 。
3.1 按承载力极限状态计算，包括强度计算和稳定验算两部分对结构进行强度计算时，均采用以分项系数的设计表达式；对结构进行稳定验算时，以设计稳定性抗力系数来表述起稳定性。
3.2 对混凝土结构进行按正常使用极限状态设计时，应验算控制结构的变形、裂缝出现或裂缝展开宽度。
3.3 对构筑物、管道进行结构设计时 ，按承载力极限状态和正常使用极限状态计算中，需要分别采用作用的基本组合、标准组合和准永久组合 。基本组合采用的作用是设计值，即作用的标准值乘以相应作用分项系数；标准组合采用的作用为标准值；准永久组合采用的作用是作用的准永久值 ，即作用标准值乘以相应作用的准永久值系数。对每一种组合均需考虑多种工况 ，通过计算确定构件截面的最不利受力状态(应力、应变、变形等)。需要核算的工况应根据构筑物或管道 的运行功能、敷设条件(地上、地下或班地下 )、 结构形式(水塔、沉井 、盾构等 )、施工方式(先浇、预制装配、 开槽或不开槽等)、环境条件(温度作用、地面或地下水 、浪压力等)等综合考虑确定。
4 结构抗震验算的基本要求
4.1 一般情况下应验算水平地震作用 。即对构筑物的两个主轴方向分别计算水平地震作用，进行结构抗震验算 ；各方向的水平地震作用 ，应由该方向的抗侧力构件全部承担。
4.2 当设防烈度为 9度时，对水塔 、污泥消化池等盛水构筑物应计算竖向地震作用，并以此纳人结构抗震验算 。
4.3 对构筑物的抗震验算。通常采用振型分解反应谱法进行。
4.4 对埋地管道的抗震验算，应计算在剪切波作用下产生的变位或应变。对架空管道，主要对其支承结构按单质点体系进行抗震计算。
5 耐久性措施
根据给水排水工程结构设计系列标准所依据的《工程结构可靠度设计统一标准》GB50153D的规定，结构的合理使用年限应为50年。按照给水排水工程结构所处的特定运行环境条件(对沿海地区盐雾侵蚀地下水水质含侵蚀性应另加处理)，除满足按承载能力和正常使用极限状态设计要求(强度、稳定、抗裂度和裂缝宽度控制等)外，尚需满足下保结构耐久性的措施。
5.1 保证混凝土的质量。(1)结构受力构件的混凝土强度等级不低于C25；(2)混凝土中的水泥宜采用普通硅酸盐水泥 ； 当考虑抗冻融作用时，不得采用火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥 ；(3)混凝土的骨料应级配良好 ，水灰比不 应大于0．50；(4)对现浇混凝土内宜掺加补偿收缩膨胀剂；通常由明矾石 、硫氯酸钙、氧化钙等类型膨胀剂 ；膨胀剂的掺加量不宜超过水泥用量的12％；(5)当使用碱活性骨料时，应控制每立方米混凝土内的碱含量不超过3kg；骨料的碱活性监测可采用砂浆棒长度膨胀法试验。
5.2 混凝土应具有抗渗性能。(1)给水排水工程的构筑物和现浇的混凝土管道 ，运行中都将承受一定的水压 。因此要 求混凝土本身应具有抗渗性能。按规范要求 ，混凝土本身应 具有抗渗性能。(2)给水排水工程中的压力运行管道，通常在工厂内制作 ，其抗渗性能满足在设计内水压力作用下负荷不渗水指标。
5.3 混凝土应具有抗冻性能。(1)对于最冷月平均气温低于-3℃地区的无保温措施的构筑物 ，混凝土本身应具有一定的抗冻性能。(2)为改善和提高混凝土的抗冻性能，通常可在混凝土中渗加引气剂，混凝土内的含气量控制在3％-5％。
5.4 对给水排水工程结构的内力分析，均应按弹性体系计算，不考虑由非弹性变形所产生的内力重分布。
6 构造设计
6.1 池壁钢筋保护层厚度
受力钢筋的最小保护层厚度，对池壁顶板的钢筋和基础 、底板的上层钢筋 ，一般为 30 mm，当与污水接触或受水汽影响时，应取 35 mm。基础、底板的下层钢筋，当有垫层时为 40 mm，无垫层时为 70 mm。池内的梁、柱受力钢筋，保护层最小厚度一般为 35mm，当与污水接触或受水汽影响时应取 40mm；梁、柱箍筋及构造钢筋的保护层最小厚度一般为20 mm；当与污水接触或受水汽影响时，应取 25 mm。对于迎水面保护层为50mm的混凝土墙，应在50mm内增设 d 8 mm间隔 150 mm的双层双向的钢筋网片，以减少混凝土的收缩裂缝。
6.2 池壁腋角及配筋
现浇钢筋混凝土水池池壁的拐角及与顶、底板的交接处,宜设置腋角。腋角边宽不宜小于 150mm。
矩形水池腋角内应配置斜筋，斜筋的直径与池壁受力筋相同．间距宜为池壁受力筋间距的2倍。总的原则是钢筋类型要少，避免过多的交叉重叠并保证钢筋的锚固长度。特别要注意腋角处的内侧钢筋，如果它必须承担池内水压力引起的边缘弯矩，则其伸入支撑边内的锚固长度不应小于La为了满足这一要求，常常必须将其弯入相邻池壁，此时应将它伸至受压区即池壁外侧后再进行弯折。