基于整体结构的水处理设施引发缝的设计

基于整体结构的水处理设施引发缝的设计

1水处理池伸缩缝处的变形问题池塘（在一些文献中也被称为“诱导缝”）是一种伸展缝的形式。其特点是:结构整体浇筑;钢筋可以断开、部分或完全贯通;通过结构布置及构造措施,使结构在由于温度变化或干缩效应引起拉应力增加时,于预定的位置开裂,从而减少结构其它位置的应力。而在这些特定的位置,事先进行加强的防水及钢筋防腐蚀处理。水池引发缝相对于普通橡胶止水带伸缩缝,具有施工简便、便于连续施工等优点,钢筋部分或完全贯通的引发缝,还具有一定的抵抗拉伸及剪切变形的能力。随着水处理工程规模和处理深度的不断提高,水处理池的平面尺寸也不断加大。按照给水排水结构设计规范要求,大型水池长度大于30m时应设置伸缩缝。设缝是大型水池设计的重要内容之一。水池结构在设缝处断开可以使其两边的结构自由伸缩,减小温度变化、不均匀沉降引起的内力。普通伸缩缝在设缝处钢筋和混凝土完全断开,只靠橡胶止水带相连并止水。橡胶的弹性模量只有混凝土的数千分之一,厚度只有周边混凝土结构的数十分之一,因此,在伸缩缝处,橡胶止水带对于结构的约束很小,基本可以忽略不计。橡胶止水带在结构伸缩缝处,对于结构的变形缺乏限制,带来下面的问题:大型地面以上设缝水池的某些结构单元,受静水压力以及地震动水压力的水平分力作用时,会有滑移趋势,水平力需要通过地基约束得以平衡。在池内水位较高而地基土的摩阻系数小,或桩基水平刚度较小时,在伸缩缝处极易产生较大的变形。较大的变形会引起止水构造发生破坏,产生渗漏事故,进而影响结构安全。而钢筋部分或全部贯通的引发缝,是一种既可以减小季节温差、干缩等效应在结构中产生的内力,又可以避免结构单元产生较大位移的构造。在混凝土开裂后,连通部分的钢筋将产生相对较大的变形,进而发生屈服,该部分钢筋在引发缝附近,也会使混凝土产生一定的应力,该应力也将影响整个主体结构的内力,同时主体结构的变形也将影响引发缝中钢筋的变形。本文以某水池为例,尝试从整体结构的角度,分析引发缝对主体结构季节温差或干缩应力的释放作用(干缩效应可折算成当量温差,限于篇幅问题,本文未考虑温度应力与其它应力组合情况);同时了解,在结构整体变温时,引发缝的受力状况,以便于引发缝的构造设计。2引发缝的钢筋处理设计合理的水池引发缝应该满足如下功能要求:首先,结构在必要时应能在预定的位置开裂;其次,引发缝开裂不能引起结构在开裂处漏水,引发缝处钢筋也不能受到腐蚀;还有,结构在不设置引发缝的位置不产生温度及干缩裂缝。鉴于以上的功能要求,引发缝构造要点主要包括引发缝的布置、止水、钢筋截断情况、钢筋防腐、截面主动削弱、钢筋的自由伸缩构造等。引发缝按照跨缝的钢筋截断与否可分为3种类型,分别是:钢筋连续型,钢筋断开型及钢筋部分断开型。其中钢筋全部断开的构造类似于普通伸缩缝,虽然省去了填缝材料,施工也较为简便,但是伸缩缝处混凝土裂缝难以整齐,一般会增加修补的工作,相对于普通伸缩缝未见优势。钢筋连续配置的引发缝,主要选择在应力较大的位置,以及局部削弱混凝土断面,使结构在预定的位置开裂,从而达到释放拉应力保护整体结构的目的。但是由于钢筋连续,开裂位置的预测往往有所偏离,如果结构偏离预测的位置开裂,会给止水和钢筋的防腐带来很大困难,这方面以往也有部分失败的案例。因此,引发缝宜采用钢筋部分断开设计方案。钢筋部分断开,既可以保证在设缝位置结构有一定强度,又可以基本确定结构开裂的位置,预先进行处理。引发缝的防水主要采用CB型中置橡胶止水带,辅以CP型外置橡胶止水带,也可以采用紫铜片。钢筋部分断开的引发缝处,橡胶止水带处结构变形相对较小,只要开裂位置预测准确,基本可以做到可靠止水。在引发缝位置的混凝土中一般事先预留凹槽,其目的,一方面是削弱混凝土截面,尽量使结构在预定位置开裂,同时,也便于填充密封油膏止水。引发缝处混凝土开裂后,钢筋缺少混凝土保护,需采取必要的防护措施,因此应对穿过引发缝的钢筋进行防腐处理。目前,常用的做法是在缝的附近采用环氧涂层钢筋。涂层需要有一定的强度和抗变形能力,能在钢筋发生较大变形的情况下,保证钢筋的防腐能力。在伸缩缝处钢筋一般应留有自由变形长度(图1中设塑料套管部分,以下简称“自由段”),钢筋一定的自由长度可以使钢筋的应力均匀,防腐层不易破坏,下文的计算比较将说明设置自由段的意义。本文所涉及到的引发缝构造如图1所示。3本工程中的约束条件引发缝的主要作用是释放结构的收缩应力,而结构的收缩应力主要是由其温度变化和混凝土干缩引起的,其中干缩效应一般可以折算成为当量温差。因此,如何准确合理地进行温度应力计算是分析引发缝应力的关键。经典力学理论早已解决温度应力计算模型问题,但由于混凝土开裂后本构关系的复杂以及相关边界条件、计算参数的不确定性,目前的给排水结构设计规范没有明确规定季节温差应力的计算方法。在温度变化条件下结构产生的内力,除与结构的基本力学性质有关外,另一个很重要的影响因素是结构的约束条件。对于放置于地面且面积较大的水池,计算温度应力时,地基的约束条件尤为重要。地基与水池底板的摩擦力,与接触面地基土性质、接触面的正压力、结构垫层的构造形式均有关,是一个非线性变量,较为复杂。本文分析时采用了冶金部建筑科学研究院著名结构裂缝控制专家王铁梦先生建立的一种方法,即将地基约束简化为线性模型。此方法,一般叫做王铁梦法,是在地基为非刚性的前提下,从结构物与地基接触面的剪应力与水平变位成线性关系的假定出发,提供了下述方程式:式中:τ(x)为结构物与地基接触面的剪应力(N/mm2);U(x)为上述剪应力处地基的水平位移(mm);Cx为阻力系数(即产生单位位移的剪应力,N/mm3);负号是表示剪应力的方向与位移的方向相反。阻力系数Cx:随地基的变形模量增加而增大;随地基的塑性变形增加而减少;随水平位移速度的增加而增大;随地基对结构反力的增加而增大。采用王铁梦法简化(线性化)了约束条件,最大的好处是可以采用线性的有限元法对结构进行分析,在保证一定精度的前提下简化有限元计算。对于阻力系数Cx,要精确地加以定量有一定的困难。文献推荐,对于软黏土Cx取0.01～0.03N/mm3。设计时,采用不同的Cx值对建立的结构模型进行计算,把总摩擦力值与地基基础规范关于摩擦力的规定结果进行比较,同时也兼顾对于常规结构的计算结果与现行规范的结论相互吻合,确定Cx值。因而,Cx取值除与接触面的性质、正压力有关外,还与结构的尺度有关。根据试算,本工程Cx取为0.02N/mm3。确定了地基约束条件后,可以采用板单元对水池结构进行有限元模拟,这样的分析较为方便。4引发缝和跨缝钢筋设计下面以某水解酸化池(如图2)为例,从整体结构的角度分析引发缝的作用。工程的平、立面尺寸为69.4m×21.4m(平面)×7.8m(高度),壁板采用悬臂结构,结构长度超过给排水工程结构设计规范设置变形缝的规定,因此,需要在结构中部设一道伸缩缝,设缝后两侧长度均为34.7m。本工程埋深较浅,较高的地下水位在某种情况下也会抵消一部分结构与地基土接触面的正压力,因而地基水平约束较小,以往类似工程中发现,在内水压力与较低气温共同作用时,伸缩缝处水平变形较大。为避免伸缩缝两侧结构向外滑移,而使伸缩缝产生较大的变形,设计时考虑抵消设缝侧另一端壁板静水压力要求,底板钢筋在伸缩缝处只断开一半,按引发缝设计。该结构壁板伸缩缝完全断开,设30mm厚闭孔型聚丙烯泡沫板隔离,成为普通橡胶止水带伸缩缝。设计时对相关几种工况进行的比较计算,主要包括如下4种工况:(1)结构不设伸缩缝时;(2)结构设置普通伸缩缝时;(3)结构设置引发缝,跨缝钢筋不设自由段时;(4)结构设置引发缝,跨缝钢筋设自由段时。计算需要达到两个目的,首先是需要对比结构底板分别设置引发缝与设置普通伸缩缝时,结构中温度应力的差别,从而确定引发缝对于温度收缩应力的释放作用。另一个目的是分析跨缝钢筋的受力状态。计算模型如第3节所述。混凝土标号取C30。考虑后浇带以及混凝土外加剂的有利效应以及施工对闭合温差的控制,本工程计算温差取25℃。由于缺乏规范依据,计算时不考虑非伸缩缝处钢筋混凝土刚度折减。普通伸缩缝处结构完全断开,相当于两个独立的结构。结构壁板与底板均采用空间板单元模拟,板单元在伸缩缝处断开。在引发缝处板单元不连续,只在节点部位采用梁单元连接两边结构,用以模拟混凝土完全开裂而钢筋贯通的工况。计算时取钢筋的屈服强度为混凝土结构设计规范钢筋的屈服强度标准值(300MPa)。计算过程中钢筋屈服后需考虑调整屈服段钢筋的弹性模量。对于跨缝钢筋设置自由段工况,考虑梁单元(模拟跨缝钢筋)的长度为设计自由段的长度,本工程取l000mm。跨缝钢筋施工时不设自由段工况下,梁单元长度考虑钢筋锚固传力需要取值。根据文献,钢筋的握裹力偏安全地相当于混凝土抗拉强度的3倍,本工程钢筋直径为18mm,在钢筋达到屈服时,传力长度约为400mm。为简化计算过程,近似认为自由段长度相当于传力长度的一半,取计算自由段长度(梁单元长度)为200mm。以下计算表明,自由长度的取值对于结构的应力分布影响较小。计算结果讨论如下。4.1混凝土结构应力分析图3为结构不设置伸缩缝时,在温度变化条件下,底板x向的应力(等值线图,图中数值单位:MPa,下同)。从图中可以看出,底板中部应力最大,中心处最大值为3.026MPa,中部两侧较大范围内应力达到2.5MPa以上,已经大于C30混凝土的抗拉强度2.01MPa,结构会开裂。在结构不设伸缩缝的情况下,结构总长度69.4m,已经超过给水排水结构设计规范的规定,结构应力不满足要求,与规范规定相符。4.2结构应力的近似度图4为结构设置完全(普通)伸缩缝时,在温度变化条件下,底板x向的应力。从图中看出,结构应力分为两个独立的连续部分,在伸缩缝附近结构的应力近似于0。应力最大点分别在两个结构的中部,最大值为1.164MPa,小于混凝土的抗拉强度,说明在设置伸缩缝的条件下,结构本身在25℃温差的作用下抗裂是安全的。也符合给水排水结构设计规范的精神。4.3结构的中部引发缝周边应力图5为结构设置引发缝,跨缝钢筋不设自由段时,在温度变化条件下,底板x向的应力。从图中可以看出,结构的中部引发缝附近结构的应力为0.811MPa,但不是应力最大点,而是在引发缝的两侧各产生了一个应力较大的区域,两个区域的应力最大值为1.46MPa,比设置普通伸缩缝时应力要大,但仍然小于混凝土的抗拉强度标准值。在这种情况下结构抗裂是安全的。4.4钢筋应力分析图6为结构设置引发缝,跨缝钢筋设1000mm自由段时,在温度变化条件下,底板x向的应力。本工况应力最大值为1.45MPa,其伸缩缝附近应力,以及结构两个应力较大位置的应力值与图5工况基本相同。比较图5、图6,说明:伸缩缝中跨缝钢筋自由段的长度对于结构整体的应力分布影响较小。分析以上两种条件下跨缝钢筋的应力发现,两种情况钢筋应力均达到了钢材的屈服强度(300MPa),产生了一定的塑性变形;工况(3)、(4)的变形值均为6.3mm左右,工况(4)中参加变形的钢筋长度为1000mm,钢筋的变形率为0.63%,满足混凝土结构设计规范对于受拉钢筋极限拉应变小于0.01的规定;而工况(3)中钢筋的应变达到3.1%,可以认为该工况中,钢筋不设自由段,从而使其变形过大,难以进一步承担荷载。这一现象说明:引发缝跨缝钢筋设置自由段是十分必要的。本文计算时忽略了混凝土的刚度衰减,简化了结构与地基接触面摩擦力的计算模型,同时,计算中考虑构造措施,直接假定在引发缝处混凝土已经开裂。因此,以上计算只具有定性的价值。其定量计算,有待于进一步对地基水平约束模型进行研究,并确定必要的计算参数。5引发缝的钢筋设计通过以上分析可以说明,对于超长结构设置伸缩缝可以明显降低季节性温度下降时结构的拉应力,引发缝与普通的伸缩缝具有类似的作用,但钢筋全部或部分贯通的引发缝可以在结构设缝处传递水平拉力,有利于设缝后各个结构单元的整体稳定。留有跨缝钢筋的引发缝对于结构应力的释放效果比普通伸缩缝略差,因此,该类结构,应比同等的设置普通伸缩缝的结构有更高的配筋率,才能保证结构不发生温度裂缝。引发缝应布置在结构温度应力最大处,有条件时应预留较大尺寸的沟槽,削弱断面,保证结构在预定的位置开裂,释放应力。在混凝土中产生一定的收缩拉应力时,引发缝中钢筋已经屈服,对于贯通