基于整體結(jié)構(gòu)的水處理設(shè)施引發(fā)縫的設(shè)計

基于整體結(jié)構(gòu)的水處理設(shè)施引發(fā)縫的設(shè)計

1水處理池伸縮縫處的變形問題池塘（在一些文獻中也被稱為“誘導(dǎo)縫”）是一種伸展縫的形式。其特點是:結(jié)構(gòu)整體澆筑;鋼筋可以斷開、部分或完全貫通;通過結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)造措施,使結(jié)構(gòu)在由于溫度變化或干縮效應(yīng)引起拉應(yīng)力增加時,于預(yù)定的位置開裂,從而減少結(jié)構(gòu)其它位置的應(yīng)力。而在這些特定的位置,事先進行加強的防水及鋼筋防腐蝕處理。水池引發(fā)縫相對于普通橡膠止水帶伸縮縫,具有施工簡便、便于連續(xù)施工等優(yōu)點,鋼筋部分或完全貫通的引發(fā)縫,還具有一定的抵抗拉伸及剪切變形的能力。隨著水處理工程規(guī)模和處理深度的不斷提高,水處理池的平面尺寸也不斷加大。按照給水排水結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求,大型水池長度大于30m時應(yīng)設(shè)置伸縮縫。設(shè)縫是大型水池設(shè)計的重要內(nèi)容之一。水池結(jié)構(gòu)在設(shè)縫處斷開可以使其兩邊的結(jié)構(gòu)自由伸縮,減小溫度變化、不均勻沉降引起的內(nèi)力。普通伸縮縫在設(shè)縫處鋼筋和混凝土完全斷開,只靠橡膠止水帶相連并止水。橡膠的彈性模量只有混凝土的數(shù)千分之一,厚度只有周邊混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)十分之一,因此,在伸縮縫處,橡膠止水帶對于結(jié)構(gòu)的約束很小,基本可以忽略不計。橡膠止水帶在結(jié)構(gòu)伸縮縫處,對于結(jié)構(gòu)的變形缺乏限制,帶來下面的問題:大型地面以上設(shè)縫水池的某些結(jié)構(gòu)單元,受靜水壓力以及地震動水壓力的水平分力作用時,會有滑移趨勢,水平力需要通過地基約束得以平衡。在池內(nèi)水位較高而地基土的摩阻系數(shù)小,或樁基水平剛度較小時,在伸縮縫處極易產(chǎn)生較大的變形。較大的變形會引起止水構(gòu)造發(fā)生破壞,產(chǎn)生滲漏事故,進而影響結(jié)構(gòu)安全。而鋼筋部分或全部貫通的引發(fā)縫,是一種既可以減小季節(jié)溫差、干縮等效應(yīng)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力,又可以避免結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生較大位移的構(gòu)造。在混凝土開裂后,連通部分的鋼筋將產(chǎn)生相對較大的變形,進而發(fā)生屈服,該部分鋼筋在引發(fā)縫附近,也會使混凝土產(chǎn)生一定的應(yīng)力,該應(yīng)力也將影響整個主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,同時主體結(jié)構(gòu)的變形也將影響引發(fā)縫中鋼筋的變形。本文以某水池為例,嘗試從整體結(jié)構(gòu)的角度,分析引發(fā)縫對主體結(jié)構(gòu)季節(jié)溫差或干縮應(yīng)力的釋放作用(干縮效應(yīng)可折算成當量溫差,限于篇幅問題,本文未考慮溫度應(yīng)力與其它應(yīng)力組合情況);同時了解,在結(jié)構(gòu)整體變溫時,引發(fā)縫的受力狀況,以便于引發(fā)縫的構(gòu)造設(shè)計。2引發(fā)縫的鋼筋處理設(shè)計合理的水池引發(fā)縫應(yīng)該滿足如下功能要求:首先,結(jié)構(gòu)在必要時應(yīng)能在預(yù)定的位置開裂;其次,引發(fā)縫開裂不能引起結(jié)構(gòu)在開裂處漏水,引發(fā)縫處鋼筋也不能受到腐蝕;還有,結(jié)構(gòu)在不設(shè)置引發(fā)縫的位置不產(chǎn)生溫度及干縮裂縫。鑒于以上的功能要求,引發(fā)縫構(gòu)造要點主要包括引發(fā)縫的布置、止水、鋼筋截斷情況、鋼筋防腐、截面主動削弱、鋼筋的自由伸縮構(gòu)造等。引發(fā)縫按照跨縫的鋼筋截斷與否可分為3種類型,分別是:鋼筋連續(xù)型,鋼筋斷開型及鋼筋部分斷開型。其中鋼筋全部斷開的構(gòu)造類似于普通伸縮縫,雖然省去了填縫材料,施工也較為簡便,但是伸縮縫處混凝土裂縫難以整齊,一般會增加修補的工作,相對于普通伸縮縫未見優(yōu)勢。鋼筋連續(xù)配置的引發(fā)縫,主要選擇在應(yīng)力較大的位置,以及局部削弱混凝土斷面,使結(jié)構(gòu)在預(yù)定的位置開裂,從而達到釋放拉應(yīng)力保護整體結(jié)構(gòu)的目的。但是由于鋼筋連續(xù),開裂位置的預(yù)測往往有所偏離,如果結(jié)構(gòu)偏離預(yù)測的位置開裂,會給止水和鋼筋的防腐帶來很大困難,這方面以往也有部分失敗的案例。因此,引發(fā)縫宜采用鋼筋部分斷開設(shè)計方案。鋼筋部分斷開,既可以保證在設(shè)縫位置結(jié)構(gòu)有一定強度,又可以基本確定結(jié)構(gòu)開裂的位置,預(yù)先進行處理。引發(fā)縫的防水主要采用CB型中置橡膠止水帶,輔以CP型外置橡膠止水帶,也可以采用紫銅片。鋼筋部分斷開的引發(fā)縫處,橡膠止水帶處結(jié)構(gòu)變形相對較小,只要開裂位置預(yù)測準確,基本可以做到可靠止水。在引發(fā)縫位置的混凝土中一般事先預(yù)留凹槽,其目的,一方面是削弱混凝土截面,盡量使結(jié)構(gòu)在預(yù)定位置開裂,同時,也便于填充密封油膏止水。引發(fā)縫處混凝土開裂后,鋼筋缺少混凝土保護,需采取必要的防護措施,因此應(yīng)對穿過引發(fā)縫的鋼筋進行防腐處理。目前,常用的做法是在縫的附近采用環(huán)氧涂層鋼筋。涂層需要有一定的強度和抗變形能力,能在鋼筋發(fā)生較大變形的情況下,保證鋼筋的防腐能力。在伸縮縫處鋼筋一般應(yīng)留有自由變形長度(圖1中設(shè)塑料套管部分,以下簡稱“自由段”),鋼筋一定的自由長度可以使鋼筋的應(yīng)力均勻,防腐層不易破壞,下文的計算比較將說明設(shè)置自由段的意義。本文所涉及到的引發(fā)縫構(gòu)造如圖1所示。3本工程中的約束條件引發(fā)縫的主要作用是釋放結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)力,而結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)力主要是由其溫度變化和混凝土干縮引起的,其中干縮效應(yīng)一般可以折算成為當量溫差。因此,如何準確合理地進行溫度應(yīng)力計算是分析引發(fā)縫應(yīng)力的關(guān)鍵。經(jīng)典力學(xué)理論早已解決溫度應(yīng)力計算模型問題,但由于混凝土開裂后本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜以及相關(guān)邊界條件、計算參數(shù)的不確定性,目前的給排水結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范沒有明確規(guī)定季節(jié)溫差應(yīng)力的計算方法。在溫度變化條件下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力,除與結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性質(zhì)有關(guān)外,另一個很重要的影響因素是結(jié)構(gòu)的約束條件。對于放置于地面且面積較大的水池,計算溫度應(yīng)力時,地基的約束條件尤為重要。地基與水池底板的摩擦力,與接觸面地基土性質(zhì)、接觸面的正壓力、結(jié)構(gòu)墊層的構(gòu)造形式均有關(guān),是一個非線性變量,較為復(fù)雜。本文分析時采用了冶金部建筑科學(xué)研究院著名結(jié)構(gòu)裂縫控制專家王鐵夢先生建立的一種方法,即將地基約束簡化為線性模型。此方法,一般叫做王鐵夢法,是在地基為非剛性的前提下,從結(jié)構(gòu)物與地基接觸面的剪應(yīng)力與水平變位成線性關(guān)系的假定出發(fā),提供了下述方程式:式中:τ(x)為結(jié)構(gòu)物與地基接觸面的剪應(yīng)力(N/mm2);U(x)為上述剪應(yīng)力處地基的水平位移(mm);Cx為阻力系數(shù)(即產(chǎn)生單位位移的剪應(yīng)力,N/mm3);負號是表示剪應(yīng)力的方向與位移的方向相反。阻力系數(shù)Cx:隨地基的變形模量增加而增大;隨地基的塑性變形增加而減少;隨水平位移速度的增加而增大;隨地基對結(jié)構(gòu)反力的增加而增大。采用王鐵夢法簡化(線性化)了約束條件,最大的好處是可以采用線性的有限元法對結(jié)構(gòu)進行分析,在保證一定精度的前提下簡化有限元計算。對于阻力系數(shù)Cx,要精確地加以定量有一定的困難。文獻推薦,對于軟黏土Cx取0.01～0.03N/mm3。設(shè)計時,采用不同的Cx值對建立的結(jié)構(gòu)模型進行計算,把總摩擦力值與地基基礎(chǔ)規(guī)范關(guān)于摩擦力的規(guī)定結(jié)果進行比較,同時也兼顧對于常規(guī)結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范的結(jié)論相互吻合,確定Cx值。因而,Cx取值除與接觸面的性質(zhì)、正壓力有關(guān)外,還與結(jié)構(gòu)的尺度有關(guān)。根據(jù)試算,本工程Cx取為0.02N/mm3。確定了地基約束條件后,可以采用板單元對水池結(jié)構(gòu)進行有限元模擬,這樣的分析較為方便。4引發(fā)縫和跨縫鋼筋設(shè)計下面以某水解酸化池(如圖2)為例,從整體結(jié)構(gòu)的角度分析引發(fā)縫的作用。工程的平、立面尺寸為69.4m×21.4m(平面)×7.8m(高度),壁板采用懸臂結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)長度超過給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范設(shè)置變形縫的規(guī)定,因此,需要在結(jié)構(gòu)中部設(shè)一道伸縮縫,設(shè)縫后兩側(cè)長度均為34.7m。本工程埋深較淺,較高的地下水位在某種情況下也會抵消一部分結(jié)構(gòu)與地基土接觸面的正壓力,因而地基水平約束較小,以往類似工程中發(fā)現(xiàn),在內(nèi)水壓力與較低氣溫共同作用時,伸縮縫處水平變形較大。為避免伸縮縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)向外滑移,而使伸縮縫產(chǎn)生較大的變形,設(shè)計時考慮抵消設(shè)縫側(cè)另一端壁板靜水壓力要求,底板鋼筋在伸縮縫處只斷開一半,按引發(fā)縫設(shè)計。該結(jié)構(gòu)壁板伸縮縫完全斷開,設(shè)30mm厚閉孔型聚丙烯泡沫板隔離,成為普通橡膠止水帶伸縮縫。設(shè)計時對相關(guān)幾種工況進行的比較計算,主要包括如下4種工況:(1)結(jié)構(gòu)不設(shè)伸縮縫時;(2)結(jié)構(gòu)設(shè)置普通伸縮縫時;(3)結(jié)構(gòu)設(shè)置引發(fā)縫,跨縫鋼筋不設(shè)自由段時;(4)結(jié)構(gòu)設(shè)置引發(fā)縫,跨縫鋼筋設(shè)自由段時。計算需要達到兩個目的,首先是需要對比結(jié)構(gòu)底板分別設(shè)置引發(fā)縫與設(shè)置普通伸縮縫時,結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力的差別,從而確定引發(fā)縫對于溫度收縮應(yīng)力的釋放作用。另一個目的是分析跨縫鋼筋的受力狀態(tài)。計算模型如第3節(jié)所述?；炷翗颂柸30?？紤]后澆帶以及混凝土外加劑的有利效應(yīng)以及施工對閉合溫差的控制,本工程計算溫差取25℃。由于缺乏規(guī)范依據(jù),計算時不考慮非伸縮縫處鋼筋混凝土剛度折減。普通伸縮縫處結(jié)構(gòu)完全斷開,相當于兩個獨立的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)壁板與底板均采用空間板單元模擬,板單元在伸縮縫處斷開。在引發(fā)縫處板單元不連續(xù),只在節(jié)點部位采用梁單元連接兩邊結(jié)構(gòu),用以模擬混凝土完全開裂而鋼筋貫通的工況。計算時取鋼筋的屈服強度為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范鋼筋的屈服強度標準值(300MPa)。計算過程中鋼筋屈服后需考慮調(diào)整屈服段鋼筋的彈性模量。對于跨縫鋼筋設(shè)置自由段工況,考慮梁單元(模擬跨縫鋼筋)的長度為設(shè)計自由段的長度,本工程取l000mm。跨縫鋼筋施工時不設(shè)自由段工況下,梁單元長度考慮鋼筋錨固傳力需要取值。根據(jù)文獻,鋼筋的握裹力偏安全地相當于混凝土抗拉強度的3倍,本工程鋼筋直徑為18mm,在鋼筋達到屈服時,傳力長度約為400mm。為簡化計算過程,近似認為自由段長度相當于傳力長度的一半,取計算自由段長度(梁單元長度)為200mm。以下計算表明,自由長度的取值對于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布影響較小。計算結(jié)果討論如下。4.1混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析圖3為結(jié)構(gòu)不設(shè)置伸縮縫時,在溫度變化條件下,底板x向的應(yīng)力(等值線圖,圖中數(shù)值單位:MPa,下同)。從圖中可以看出,底板中部應(yīng)力最大,中心處最大值為3.026MPa,中部兩側(cè)較大范圍內(nèi)應(yīng)力達到2.5MPa以上,已經(jīng)大于C30混凝土的抗拉強度2.01MPa,結(jié)構(gòu)會開裂。在結(jié)構(gòu)不設(shè)伸縮縫的情況下,結(jié)構(gòu)總長度69.4m,已經(jīng)超過給水排水結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定,結(jié)構(gòu)應(yīng)力不滿足要求,與規(guī)范規(guī)定相符。4.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力的近似度圖4為結(jié)構(gòu)設(shè)置完全(普通)伸縮縫時,在溫度變化條件下,底板x向的應(yīng)力。從圖中看出,結(jié)構(gòu)應(yīng)力分為兩個獨立的連續(xù)部分,在伸縮縫附近結(jié)構(gòu)的應(yīng)力近似于0。應(yīng)力最大點分別在兩個結(jié)構(gòu)的中部,最大值為1.164MPa,小于混凝土的抗拉強度,說明在設(shè)置伸縮縫的條件下,結(jié)構(gòu)本身在25℃溫差的作用下抗裂是安全的。也符合給水排水結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的精神。4.3結(jié)構(gòu)的中部引發(fā)縫周邊應(yīng)力圖5為結(jié)構(gòu)設(shè)置引發(fā)縫,跨縫鋼筋不設(shè)自由段時,在溫度變化條件下,底板x向的應(yīng)力。從圖中可以看出,結(jié)構(gòu)的中部引發(fā)縫附近結(jié)構(gòu)的應(yīng)力為0.811MPa,但不是應(yīng)力最大點,而是在引發(fā)縫的兩側(cè)各產(chǎn)生了一個應(yīng)力較大的區(qū)域,兩個區(qū)域的應(yīng)力最大值為1.46MPa,比設(shè)置普通伸縮縫時應(yīng)力要大,但仍然小于混凝土的抗拉強度標準值。在這種情況下結(jié)構(gòu)抗裂是安全的。4.4鋼筋應(yīng)力分析圖6為結(jié)構(gòu)設(shè)置引發(fā)縫,跨縫鋼筋設(shè)1000mm自由段時,在溫度變化條件下,底板x向的應(yīng)力。本工況應(yīng)力最大值為1.45MPa,其伸縮縫附近應(yīng)力,以及結(jié)構(gòu)兩個應(yīng)力較大位置的應(yīng)力值與圖5工況基本相同。比較圖5、圖6,說明:伸縮縫中跨縫鋼筋自由段的長度對于結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布影響較小。分析以上兩種條件下跨縫鋼筋的應(yīng)力發(fā)現(xiàn),兩種情況鋼筋應(yīng)力均達到了鋼材的屈服強度(300MPa),產(chǎn)生了一定的塑性變形;工況(3)、(4)的變形值均為6.3mm左右,工況(4)中參加變形的鋼筋長度為1000mm,鋼筋的變形率為0.63%,滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對于受拉鋼筋極限拉應(yīng)變小于0.01的規(guī)定;而工況(3)中鋼筋的應(yīng)變達到3.1%,可以認為該工況中,鋼筋不設(shè)自由段,從而使其變形過大,難以進一步承擔荷載。這一現(xiàn)象說明:引發(fā)縫跨縫鋼筋設(shè)置自由段是十分必要的。本文計算時忽略了混凝土的剛度衰減,簡化了結(jié)構(gòu)與地基接觸面摩擦力的計算模型,同時,計算中考慮構(gòu)造措施,直接假定在引發(fā)縫處混凝土已經(jīng)開裂。因此,以上計算只具有定性的價值。其定量計算,有待于進一步對地基水平約束模型進行研究,并確定必要的計算參數(shù)。5引發(fā)縫的鋼筋設(shè)計通過以上分析可以說明,對于超長結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫可以明顯降低季節(jié)性溫度下降時結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力,引發(fā)縫與普通的伸縮縫具有類似的作用,但鋼筋全部或部分貫通的引發(fā)縫可以在結(jié)構(gòu)設(shè)縫處傳遞水平拉力,有利于設(shè)縫后各個結(jié)構(gòu)單元的整體穩(wěn)定。留有跨縫鋼筋的引發(fā)縫對于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的釋放效果比普通伸縮縫略差,因此,該類結(jié)構(gòu),應(yīng)比同等的設(shè)置普通伸縮縫的結(jié)構(gòu)有更高的配筋率,才能保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生溫度裂縫。引發(fā)縫應(yīng)布置在結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力最大處,有條件時應(yīng)預(yù)留較大尺寸的溝槽,削弱斷面,保證結(jié)構(gòu)在預(yù)定的位置開裂,釋放應(yīng)力。在混凝土中產(chǎn)生一定的收縮拉應(yīng)力時,引發(fā)縫中鋼筋已經(jīng)屈服,對于貫通