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摘要 本文主要针对最近颁发的给水排水工程结构设计系列标准,在执行过程中存在的若干问题,作了扼要的诠释,供设计人员参考。
关键词 给水排水工程 结构设计标准 诠释
一、国家标准与协会标准的应用根据我国1989年颁发施行的《中华人民共和国标准化法》,规定我国实施强制性和推荐性两类标准。强制性标准主要是针对“保障人体健康,人身、财产安全,环境保护”方面的标准,就其性质而言相当于国外的“技术法规”,实施后强制执行;推荐性标准的对象是纯技术性的,相当于国外的学术团体标准,为自愿采用标准,如英国的BS标准、德国DIN、美国的ASTM标准等均属于这一范畴。
按照我国工程建设标准体系现况,将标准分为基础标准、通用标准、专用标准三个层次,前两层标准通常由国家行政主管部门批准颁发作为国家标准实施;专用标准则以单项技术为对象,多数由中国工程建设标准化协会组织编制、批准颁发,作为推荐性标准施行。
专用标准虽属是推荐应用,但对单项技术的指导针对性强,因此乃是工程建设设计工作中实用性很强的标准,足以起到指导作用,保障工程设计质量和投资效益。推荐性标准本身虽无法律属性,但如果列入招标文件后,它将以“合同法”来制约,同样应予强制执行。在国外,BS、DIN、ASTM、API等自愿采用标准都得到广泛应用,因为制订这些技术标准都经过科学论证和大量的工程实践经验的总结,可以极大地解脱设计人员的自我探索精力,很少有人会弃之不用而甘冒风险。因此,在给水排水工程结构设计中,对作为推荐应用的专用标准,同样应予很好地贯彻执行。
二、给水排水工程结构特征及其应用标准给水排水工程结构涵盖的内容,主要是水质净化处理厂内的各种功能的盛水构筑物(混凝反应、沉淀、过滤、曝气、消化、清水贮存等水池)以及各种材质的管道。这些结构以板壳为主(板体组合、板壳组合、壳体组合),属于特种结构范畴。结构承受的作用主要是水、土压力和温、湿度影响(结构构件两侧的温、湿度差异、露天结构受季节温差影响等)。因此给水排水工程结构的设计要求,完全不同于民用建筑结构;并由于环境和结构体量(构件尺寸、承受的水、土压力等)的差别,也不同于水工结构。据此,给水排水工程结构设计需要有一系列针对性强的设计标准。按照我国原国家建委和建设部的安排,自20世纪70年代开始组织制定这方面的设计标准和相应的施工验收标准。到2004年为止,已经批准颁发实施的结构设计标准,计有国家通用标准3本(构筑物—GB50069、管道—GB50332、抗震—GB50032),协会专用标准15本(构筑物5本:水池、水塔、沉井、变形缝、水池软土地基处理;管道10本:钢管、铸铁管、PC管、RC管、矩形管道、UPVC管、PE管、砂浆防腐内衬、名词术语等)。
在上述系列标准中,涉及管道结构的设计标准较多。需要说明和强调的是对管道亟需进行结构设计,不能只按产品标准随意选用。产品标准仅提供产品规格和物理力学性能,不可能对工程使用要求(功能、环境、承受的内外压作用、施工工法等)针对性强,因此必需通过结构设计进行核算后,据此选定合适的产品;尤其是目前给水排水工程中应用的管道口径都比较大,多在2m以上,管道结构的受力状态亟需按特种结构予以核算,不能忽视。总之给水排水工程结构设计应按本系列的标准执行,除在系列标准中明确引用其他标准(例如构件的截面强度核算、地基设计要求等)外,一概避免混用民用建筑结构的设计标准。
三、保证结构耐久性的措施保证结构耐久性的措施,当然与结构所处的环境条件密切相关,除了特殊情况(例如大气或地下水具有腐蚀性等),给水排水工程结构的环境条件是已定的,必然多与水(含污水)、土相接触,因此在给水排水工程结构设计系列标准中,已制订了相应的耐久性措施,例如:
1·对材料的要求:配制混凝土的水泥品种、水灰比的控制、碱含量的限定、强度等级、抗渗和抗冻等级等要求;2·对构件截面设计的要求:按弹性体系分析内力,不考虑塑性内力重分布;对处于中心受拉或小偏心受拉状态的构件,需按抗裂度核算,不允许出现裂缝;对于受弯、大偏心受拉或压的构件,要以控制裂缝宽度进行核算,避免构件内钢筋在开裂部位加剧锈蚀,影响结构的耐久性;3·对构造措施的要求:钢筋净保护层厚度的最小值规定;提高构件均匀碳化过程的时间;敞口水池顶端设置加强筋、超长池壁设置变形缝及纵向每侧温度筋的最小配筋率等,主要是针对温度应力,尤其是混凝土成型过程中水化热导致结构构件开裂,从而影响结构耐久性。上述三方面的措施,对保障给水排水工程结构的耐久性是行之有效的,完全不需要再另外引用其他专业的设计标准,因为这些标准的要求对给水排水工程的针对性不强,所以并非都是合适的。
四、裂缝宽度的计算公式钢筋混凝土结构构件裂缝宽度的计算公式,在2002年颁发施行的给水排水工程结构设计系列标准中,仍然引用原规范《给水排水工程结构设计规范》GBJ69-84中的公式,只是在表达形式上引入了钢筋保护层厚度而稍作了改变。应用此项公式的计算结果以及对受弯、大偏拉、大偏压的衔接,与民用建筑的《混凝土结构设计规范》GB50010-2001所给出的计算公式不相等同,后者通常计算结果要大些。对此,应该考虑到给水排水工程结构设计中裂缝宽度的计算公式亟为重要,钢筋的配置量经常取决于裂宽的限值,为此在制订GBJ69-84时,曾列为专题研究项目,由南京工学院(东南大学前身)土木系组织实施,根据70余件构件的加载试验,实测钢筋应力(部分构件通过剖开钢筋截面贴电阻应变片)、裂缝间距和相应裂缝宽度等,通过统计分析获得了最大裂缝宽度计算公式。纳入GBJ69-84应用至今已逾20年,应该认为在工程实践中经受了考验,可以确认是适用的。
关于钢筋混凝土结构构件的裂缝宽度计算是一个难度很大的课题,尽管国内外都开展了不少试验研究(主要针对梁式构件的弯曲受拉),但由于材料的非匀质性、影响因素众多,包括施工过程中的质量变异,因此在国外相应设计标准中给定的计算公式各不相同。根据现有的试验数据,不仅裂缝间距的离散性很大,裂缝宽度的离散性更甚,由此建立一个比较精确的计算公式是困难的,对此英国BS8110标准中已给予充分的表叙,在确定裂宽的条文中,其用词为“Assessment”(估计),有别于其他条文的用词“Calculation”。据此,对裂缝宽度的计算公式,还应立足于与工程实践的适应性,对已经受工程实践考验的计算公式,应该予以确认,不能认为计算结果愈大、愈安全就愈正确。
五、关于“闭水试验”工况对于贮水构筑物的结构设计工况中,均需考虑“闭水试验”工况。主要问题是针对地下式水池的“闭水试验”工况,是否只需强度核算而不需进行裂缝宽度核算?规范规定还应进行限制裂缝宽度核算。主要考虑应将这种工况视作“正常使用”范畴内的一种特定工况,此时结构设计采用的作用,对贮液构筑物实际上是“标准组合”作用,完全属于真实的作用效应,并不涉及作用的概率分析,并且也是业主对结构设计、施工质量关注的重要检验工序。如果说有争议之处,并不在于是否需要核算裂缝宽度,而是在相应的计算公式中,裂宽发展的时间效应系数仍取是否合适?但从构件试验来看,裂缝宽度大部分在不长的时间内形成,在闭水试验的几天时间内,裂缝开展已大部分形成,尽管从理论上可以取小于1·8的系数,但具体取值尚难以定量,为此目前只能仍取较为妥当,待今后进一步给予关注并积累经验后,再作完善。
六、关于变形缝的设置与外加剂的应用在水质净化处理厂内的一些盛水构筑物,其体量较大,经常会在混凝土浇筑成型过程中,由于水化热的影响导致池体开裂(主要位于墙体),据此规范提出设置变形缝的要求。这样处理在国外也是较为普遍的,例如英国BS标准中列有更为详尽的规定。近些年来国内盛行在混凝土的配制中,施加外加剂以补偿混凝土的收缩,替代设置变形缝,规范考虑到这一现状,提出了可以应用的条件,强调了应有可靠的工程实践经验。这里的涵义是多方面的,例如对外加剂的合理选用、掺入外加剂后墙体长度的合理控制、外加剂掺入量的控制、盛水构筑物的运行环境(地上、地下等)等,需要针对具体情况作出判断分析。对此国外工程施加外加剂也都是很慎重的,不能简单地认为掺入外加剂是“灵丹妙药”,可以妥善解决池体开裂现象,工程实践已反映了多起构筑物施加外加剂后仍然出现墙体开裂的状况。
对此,应该明确规范首先强调的是设置变形缝,通常只是在结构上处理比较困难时,再考虑掺加外加剂适当扩大变形缝间距,以不超过规范规定间距的两倍为宜;同时对于地面或盛水构筑物(含大部分暴露在大气中),由于长期经受季节温度变化的影响,还应设置变形缝为妥善。至于提到变形缝处若施工质量不佳会形成渗漏水祸害的说法,显然是不妥的,首先如果施工质量不佳,不论在任何部位都是不能允许的,其次是现行的变形缝构造并不是很复杂,不难保证施工质量。
七、矩形盛水构筑物的角隅应力应予重视矩形盛水构筑物的墙体拐角处,不论墙体为竖向单向受力或双向受力,均将受到由于相邻墙体约束而引起的弯曲应力和传递的边缘反力。从近两年来施工图审查的情况来看,一般对前一项弯曲应力的核算较为重视,而对相邻墙体传来的边缘反力容易遗漏。尤其是对于中隔墙,通常视为不受力,实际上其端部(两端或一端)要承受与之相连两侧墙体上水压力传来的边缘反力,处于中心受拉受力状态,应以控制开裂核算。
八、结语综上所述,本文针对多方面提到的若干问题,摘要提供标准编制过程中推敲的见解,不尽之处难免,尚祈多赐惠见探讨,以便修订时更趋完善。
参考文献[1]沈世杰·关于水工业工程中钢筋混凝土结构的裂缝宽度计算探讨[J]·《特种结构》,1997年第4期3No·4 2004沈世杰 给水排水工程结构设计中若干问题诠释SPSTSPECIAL STRUCTURES
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