給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干問題詮釋

1、給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干問題詮釋第21卷第4期2004年12月特種結(jié)構(gòu)Vo1.21No.4Dec.20o4給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干問題詮釋沈世杰(中國土木工程學(xué)會水工業(yè)分會結(jié)構(gòu)委員會北京100045)fStructureCommissionofWaterWorksEngineeringofChineseCivilEngineeringAcademy,Beijing100045)摘要本文主要針對最近頒發(fā)的給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計系列標(biāo)準(zhǔn),在執(zhí)行過程中存在的若干問題,作了扼要的詮釋,供設(shè)計人員參考.關(guān)鍵詞給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)詮釋AKS-qlL-IInthispaper,$ometechnica

2、lproblemsof口seriesofstructuraldignstandardsnewlypublishedforwaterworksengineeringareintroduced.Whichmay6eprovidedforreferencetostructuraldesigners.KEYWORDSWaterworksengineeringStructuraldesignstandardBriefintroduction2002年由建設(shè)部和中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會頒發(fā)了一系列給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(含規(guī)范,規(guī)程),在執(zhí)行過程中通過施工圖審查,發(fā)現(xiàn)在若干問題上往往出現(xiàn)偏差,未能得到

3、很好的執(zhí)行,為此有必要針對這些問題,擇要作出詮釋.一,國家標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用根據(jù)我國1989年頒發(fā)施行的中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化法,規(guī)定我國實施強(qiáng)制性和推薦性兩類標(biāo)準(zhǔn).強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)主要是針對保障人體健康,人身,財產(chǎn)安全,環(huán)境保護(hù)方面的標(biāo)準(zhǔn),就其性質(zhì)而言相當(dāng)于國外的技術(shù)法規(guī),實施后強(qiáng)制執(zhí)行;推薦性標(biāo)準(zhǔn)的對象是純技術(shù)性的,相當(dāng)于國外的學(xué)術(shù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),為自愿采用標(biāo)準(zhǔn),如英國的BS標(biāo)準(zhǔn),德國DIN,美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)等均屬于這一范疇.按照我國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)況,將標(biāo)準(zhǔn)分為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),通用標(biāo)準(zhǔn),專用標(biāo)準(zhǔn)三個層次,前兩層標(biāo)準(zhǔn)通常由國家行政主管部門批準(zhǔn)頒發(fā)作為國家標(biāo)準(zhǔn)實施;專用標(biāo)準(zhǔn)則以單項技術(shù)為對象,多數(shù)由中國工

4、程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會組織編制,批準(zhǔn)頒發(fā),*主任委員S薹玎cIAI,SHtUCIURESNo.42O04作為推薦性標(biāo)準(zhǔn)施行.專用標(biāo)準(zhǔn)雖屬是推薦應(yīng)用,但對單項技術(shù)的指導(dǎo)針對性強(qiáng),因此乃是工程建設(shè)設(shè)計工作中實用性很強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn),足以起到指導(dǎo)作用,保障工程設(shè)計質(zhì)量和投資效益.推薦性標(biāo)準(zhǔn)本身雖無法律屬性,但如果列入招標(biāo)文件后,它將以合同法來制約,同樣應(yīng)予強(qiáng)制執(zhí)行.在國外,BS,DIN,ASTM,API等自愿采用標(biāo)準(zhǔn)都得到廣泛應(yīng)用,因為制訂這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都經(jīng)過科學(xué)論證和大量的工程實踐經(jīng)驗的總結(jié),可以極大地解脫設(shè)計人員的自我探索精力,很少有人會棄之不用而甘冒風(fēng)險.因此,在給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中,對作為推薦應(yīng)用的專用標(biāo)

5、準(zhǔn),同樣應(yīng)予很好地貫徹執(zhí)行.二,給水排水工程結(jié)構(gòu)特征及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)給水排水工程結(jié)構(gòu)涵蓋的內(nèi)容,主要是水質(zhì)凈化處理廠內(nèi)的各種功能的盛水構(gòu)筑物(混凝反應(yīng),沉淀,過濾,曝氣,消化,清水貯存等水池)以及各種材質(zhì)的管道.這些結(jié)構(gòu)以板殼為主(板體組合,板殼組合,殼體組合),屬于特種結(jié)構(gòu)范疇.結(jié)構(gòu)承受的作用主要是水,土壓力和溫,濕度影響(結(jié)構(gòu)構(gòu)件兩側(cè)的溫,濕度差異,露天結(jié)構(gòu)受季節(jié)溫差影響等).因此給水排水工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求,完全不同于民用建筑結(jié)構(gòu);并由于環(huán)境和結(jié)構(gòu)1特種結(jié)構(gòu)2004年第4期體量(構(gòu)件尺寸,承受的水,土壓力等)的差別,也不同于水工結(jié)構(gòu).據(jù)此,給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計需要有一系列針對性強(qiáng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).按

6、照我國原國家建委和建設(shè)部的安排,自20世紀(jì)7O年代開始組織制定這方面的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的施工驗收標(biāo)準(zhǔn).到2004年為止,已經(jīng)批準(zhǔn)頒發(fā)實施的結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),計有國家通用標(biāo)準(zhǔn)3本(構(gòu)筑物一GB50069,管道-GB50332,抗震-GB50032),協(xié)會專用標(biāo)準(zhǔn)l5本(構(gòu)筑物5本:水池,水塔,沉井,變形縫,水池軟土地基處理;管道1O本:鋼管,鑄鐵管,PC管,RC管,矩形管道,UPVC管,PE管,砂漿防腐內(nèi)襯,名詞術(shù)語等).在上述系列標(biāo)準(zhǔn)中,涉及管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較多.需要說明和強(qiáng)調(diào)的是對管道亟需進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,不能只按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)隨意選用.產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)僅提供產(chǎn)品規(guī)格和物理力學(xué)性能,不可能對工程使用要求(功能,環(huán)

7、境,承受的內(nèi)外壓作用,施工工法等)針對性強(qiáng),因此必需通過結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行核算后,據(jù)此選定合適的產(chǎn)品;尤其是目前給水排水工程中應(yīng)用的管道口徑都比較大,多在2m以上,管道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)亟需按特種結(jié)構(gòu)予以核算,不能忽視.總之給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)按本系列的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,除在系列標(biāo)準(zhǔn)中明確引用其他標(biāo)準(zhǔn)(例如構(gòu)件的截面強(qiáng)度核算,地基設(shè)計要求等)外,一概避免混用民用建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).三,保證結(jié)構(gòu)耐久性的措施保證結(jié)構(gòu)耐久性的措施,當(dāng)然與結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件密切相關(guān),除了特殊情況(例如大氣或地下水具有腐蝕性等),給水排水工程結(jié)構(gòu)的環(huán)境條件是已定的,必然多與水(含污水),土相接觸,因此在給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計系列標(biāo)準(zhǔn)中,

8、已制訂了相應(yīng)的耐久性措施,例如:1.對材料的要求:配制混凝土的水泥品種,水灰比的控制,堿含量的限定,強(qiáng)度等級,抗?jié)B和抗凍等級等要求;2.對構(gòu)件截面設(shè)計的要求:按彈性體系分析內(nèi)力,不考慮塑性內(nèi)力重分布;對處于中心受拉或一2一小偏心受拉狀態(tài)的構(gòu)件,需按抗裂度核算,不允許出現(xiàn)裂縫;對于受彎,大偏心受拉或壓的構(gòu)件,要以控制裂縫寬度進(jìn)行核算,避免構(gòu)件內(nèi)鋼筋在開裂部位加劇銹蝕,影響結(jié)構(gòu)的耐久性;3.對構(gòu)造措施的要求:鋼筋凈保護(hù)層厚度的最小值規(guī)定;提高構(gòu)件均勻碳化過程的時間;敞口水池頂端設(shè)置加強(qiáng)筋,超長池壁設(shè)置變形縫及縱向每側(cè)溫度筋的最小配筋率等,主要是針對溫度應(yīng)力,尤其是混凝土成型過程中水化熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件

9、開裂,從而影響結(jié)構(gòu)耐久性.上述三方面的措施,對保障給水排水工程結(jié)構(gòu)的耐久性是行之有效的,完全不需要再另外引用其他專業(yè)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),因為這些標(biāo)準(zhǔn)的要求對給水排水工程的針對性不強(qiáng),所以并非都是合適的.四,裂縫寬度的計算公式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫寬度的計算公式,在2002年頒發(fā)施行的給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計系列標(biāo)準(zhǔn)中,仍然引用原規(guī)范給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GBJ69.84中的公式,只是在表達(dá)形式上引入了鋼筋保護(hù)層厚度而稍作了改變.應(yīng)用此項公式的計算結(jié)果以及對受彎,人偏大偏壓的銜接,與民用建筑的混凝上結(jié)設(shè)計規(guī)范GB5o01O.2001所給出的計算公式不相等同,后者通常計算結(jié)果要大些.對此,應(yīng)該考慮到給水排水

10、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中裂縫寬度的計算公式亟為重要,鋼筋的配置量經(jīng)常取決于裂寬的限值,為此在制訂GBJ69.84時,曾列為專題研究項目,由南京工學(xué)院(東南大學(xué)前身)土木系組織實施,根據(jù)7O余件構(gòu)件的加載試驗,實測鋼筋應(yīng)力(部分構(gòu)件通過剖開鋼筋截面貼電阻應(yīng)變片),裂縫間距和相應(yīng)裂縫寬度等,通過統(tǒng)計分析獲得了最大裂縫寬度計算公式.納入GBJ69.84一應(yīng)用至今已逾2O年,應(yīng)該認(rèn)為在工程實踐中經(jīng)受了考驗,可以確認(rèn)是適用的.關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫寬度計算是一個難度很大的課題,盡管國內(nèi)外都開展了不少試驗研究(主要針對梁式構(gòu)件的彎曲受拉),但由SPECIALSIRUCnJREsNo.420O4N.42004沈

11、世杰給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干問題詮釋于材料的非勻質(zhì)性,影響因素眾多,包括施工過程中的質(zhì)量變異,因此在國外相應(yīng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中給定的計算公式各不相同.根據(jù)現(xiàn)有的試驗數(shù)據(jù),不僅裂縫間距的離散性很大,裂縫寬度的離散性更甚,由此建立一個比較精確的計算公式是困難的,對此英國BS8110標(biāo)準(zhǔn)中已給予充分的表敘,在確定裂寬的條文中,其用詞為Assessment(估計),有別于其他條文的用詞Calculation.據(jù)此,對裂縫寬度的計算公式,還應(yīng)立足于與工程實踐的適應(yīng)性,對已經(jīng)受工程實踐考驗的計算公式,應(yīng)該予以確認(rèn),不能認(rèn)為計算結(jié)果愈大,愈安全就愈正確.五,關(guān)于閉水試驗工況對于貯水構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計工況中,均需考慮

12、閉水試驗工況.主要問題是針對地下式水池的閉水試驗工況,是否只需強(qiáng)度核算而不需進(jìn)行裂縫寬度核算?規(guī)范規(guī)定還應(yīng)進(jìn)行限制裂縫寬度核算.主要考慮應(yīng)將這種工況視作正常使用范疇內(nèi)的一種特定工況,此時結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的作用,對貯液構(gòu)筑物實際上是標(biāo)準(zhǔn)組合作用,完全屬于真實的作用效應(yīng),并不涉及作用的概率分析,并且也是業(yè)主對結(jié)構(gòu)設(shè)計,施工質(zhì)量關(guān)注的重要檢驗工序.如果說有爭議之處,并不在于是否需要核算裂縫寬度,而是在相應(yīng)的計算公式中,裂寬發(fā)展的時間效應(yīng)系數(shù)仍取1.8是否合適?但從構(gòu)件試驗來看,裂縫寬度大部分在不長的時間內(nèi)形成,在閉水試驗的幾天時間內(nèi),裂縫開展已大部分形成,盡管從理論上可以取小于1.8的系數(shù),但具體取值尚

13、難以定量,為此目前只能仍取1.8較為妥當(dāng),待今后進(jìn)一步給予關(guān)注并積累經(jīng)驗后,再作完善.六,關(guān)于變形縫的設(shè)置與外加劑的應(yīng)用在水質(zhì)凈化處理廠內(nèi)的一些盛水構(gòu)筑物,其體量較大,經(jīng)常會在混凝土澆筑成型過程中,由于水化熱的影響導(dǎo)致池體開裂(主要位于墻體),據(jù)此規(guī)范提出設(shè)置變形縫的要求.這樣處理在國外也是較為普遍的,例如英國BS標(biāo)準(zhǔn)中列有更為詳盡的規(guī)定.近些年來國內(nèi)盛行在混凝土的配制SPECIALSIRUCnJ王曬.42004中,施加外加劑以補(bǔ)償混凝土的收縮,替代設(shè)置變形縫,規(guī)范考慮到這一現(xiàn)狀,提出了可以應(yīng)用的條件,強(qiáng)調(diào)了應(yīng)有可靠的工程實踐經(jīng)驗.這里的涵義是多方面的,例如對外加劑的合理選用,摻人外加劑后墻體

14、長度的合理控制,外加劑摻人量的控制,盛水構(gòu)筑物的運(yùn)行環(huán)境(地上,地下等)等,需要針對具體情況作出判斷分析.對此國外工程施加外加劑也都是很慎重的,不能簡單地認(rèn)為摻入外加劑是靈丹妙藥,可以妥善解決池體開裂現(xiàn)象,工程實踐已反映了多起構(gòu)筑物施加外加劑后仍然出現(xiàn)墻體開裂的狀況.對此,應(yīng)該明確規(guī)范首先強(qiáng)調(diào)的是設(shè)置變形縫,通常只是在結(jié)構(gòu)上處理比較困難時,再考慮摻加外加劑適當(dāng)擴(kuò)大變形縫間距,以不超過規(guī)范規(guī)定間距的兩倍為宜;同時對于地面或盛水構(gòu)筑物(含大部分暴露在大氣中),由于長期經(jīng)受季節(jié)溫度變化的影響,還應(yīng)設(shè)置變形縫為妥善.至于提到變形縫處若施工質(zhì)量不佳會形成滲漏水禍害的說法,顯然是不妥的,首先如果施工質(zhì)量不佳,不論在任何部位都是不能允許的,其次是現(xiàn)行的變形縫構(gòu)造并不是很復(fù)雜,不難保證施工質(zhì)量.七,矩形盛水構(gòu)筑物的角隅應(yīng)力應(yīng)予重視矩形盛水構(gòu)筑物的墻體拐角處,不論墻體為豎向單向受力或雙向受力,均將受到由于相鄰墻體約束而引起的彎曲應(yīng)力和傳遞的邊緣反力.從近兩年來施工圖審查的情況來看