雙鋼板混凝土結構在市政水池中的應用研究

吳 彬 蘆建軍 代春生

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，國家對于基礎設施的建設越來越重視，各地供水及污水處理工程近年來逐年增多，而各種貯水構筑物也有向大型化發展的趨勢。目前國內對大型貯水池構筑物幾乎均為現澆鋼筋混凝土結構，主要依靠設置永久式伸縮縫來控制裂縫，解決溫度應力。根據GB 50069—2002給水排水工程構筑物結構設計規范中規定，現澆鋼筋混凝土構筑物一般間隔20 m～30 m需設一道貫通式伸縮縫，那么一座水池將被分割成很多塊，塊與塊之間用止水板材連接，止水板材宜采用橡膠或塑料止水帶。但是大型超長貯水構筑物中設置伸縮縫后，其結構體系往往存在下列問題：

1)整體性較差，抗震措施較為復雜。在地震力作用下，分縫處很容易因互相碰撞而損壞，分縫以后各板塊的質量中心和剛度中心不一致，為抵抗地震荷載的作用就需要額外增加一些抗側力構件，這些抗側力構件通常構造復雜，且對水流的均勻性產生一定影響，造成了額外的水頭損失，當水池池體高度較大時表現更為明顯。

2)設縫處的防水構造措施復雜，一般是由止水板材、填縫材料和嵌縫材料組成，單個工程的止水帶使用長度往往很長，導致混凝土不易澆筑密實，止水帶節點也因施工原因等造成一定程度的漏水風險。

正是由于傳統的分縫水池在整體性、抗震性和耐久性方面的種種缺陷，越來越多的設計者開始向全新無縫整體式水池的設計方向努力，并開展了大量研究工作。我國設計工作者在大量建設實踐和現場實驗的基礎上，從力學角度對混凝土溫度裂縫產生的原因進行了深入研究，大致提出了“抗”“放”“調”的混凝土設計準則[1-3]，來解決超長整體不設縫水池的溫度應力問題。“抗”“放”“調”三種設計原則在實際的工程應用中均證明了整體式水池的優越性，其抗裂、抗滲和耐久性效果也優于傳統設縫水池。面對市政給排水工程中整體超長水池的發展趨勢，如何合理解決整體式水池中由溫度應力產生的一系列結構問題已成為市政工程界和學術界面臨的主要課題之一。

2 雙鋼板混凝土整體式水池的提出

2.1 雙鋼板混凝土

雙鋼板混凝土組合結構是一種新型的結構形式，由鋼板—混凝土—鋼板組合而成，它在雙層鋼板的中間灌注混凝土，為了增加鋼板和混凝土核心之間的相互作用，在上、下鋼板之間通過焊接剪力連接件來保證鋼板與混凝土的連接和相互作用。通過大量的文獻查閱[4-6]和考察，將這種新型組合結構引入市政水池結構工程中，提出雙鋼板混凝土整體式水池的結構體系，即水池的側壁和頂板采用鋼板夾心混凝土組合結構、底板采用鋼筋混凝土，水池不設伸縮縫，其中鋼板之間通過兩塊肋板由栓釘連接而成，再澆筑混凝土形成雙鋼板混凝土組合結構，如圖1所示。

2.2 雙鋼板混凝土承載機理

目前國內外對于鋼板—混凝土—鋼板組合結構的承載機理主要采用的是等代梁模型和桁架模型。等代梁模型中假設鋼與混凝土都為彈性材料，并且混凝土沒有抗拉強度，鋼板與混凝土完全復合，將混凝土的寬度按照鋼與混凝土的彈性模量的比例進行折減(m=E/Ec)，然后在等效截面上使用鋼的彈性模量E來計算其彎曲應力和撓度，如圖2所示。桁架模型中混凝土在縱向上的受壓區可以取等代梁模型中的等效截面，桁架模型中的桿件元素由栓釘組成，模型的一個主要優點是鋼板與混凝土只在節點處有連接，這樣的假設方法更接近實際情況，如圖3所示。

在以上理論的基礎上，通過有限元軟件ABAQUS建立三維模型，將栓釘與混凝土之間的接觸關系定義為摩擦接觸，混凝土使用規范中規定的本構曲線；鋼板使用有強化段的雙折線本構曲線，按照不同跨度、鋼板不同厚度、栓釘不同間距以及核心混凝土厚度不同對構件進行分類。分析結果如圖4所示。

通過有限元模擬結果我們發現，雙鋼板混凝土發生破壞時，下部鋼板與混凝土之間發生了較明顯的滑移，頂部鋼板在集中荷載下發生了局部屈曲，最終的破壞模式主要是受拉鋼板屈曲破壞和栓釘受剪破壞，在整個加載過程中，雙鋼板混凝土組合結構基本屬于大變形結構，初始加載階段基本符合平截面假定。影響雙鋼板混凝土組合結構的承載力主要因素有：

1)受拉鋼板越薄，混凝土區域承受的應力就越大，因此，鋼板越厚，核心混凝土對于結構的抗剪承載力的貢獻就越大；

2)混凝土厚度增加，結構的抗剪承載力越小；

3)栓釘間距，即含鋼率的影響不是特別明顯；

4)跨度越大，抗剪承載力越低。

2.3 雙鋼板混凝土水池的特點

面對大型水池整體化的趨勢，采用預應力或后澆帶的方法在經濟性和可靠性都受到了很大的限制，而將雙鋼板混凝土結構引入到市政水池結構中，正是看中了其自身所固有的抗滲雙防線特點，使得溫度應力的問題不再會制約結構材料性能的充分發揮，水池可以通長不設縫，進而降低由設縫而帶來的一系列問題。

綜合分析后，雙鋼板混凝土整體式水池主要具有以下幾個方面的特點：

1)抵抗溫度應力，水池不設縫，抗滲性能好。

由于外部鋼板的存在，使得內部混凝土即使在有貫通裂縫的情況下仍能保證整個墻體的抗滲性能滿足水池的要求，而良好的抗滲性有助于保證水池的耐久性。

2)具有良好的受力性能。

雙鋼板混凝土結構可以充分發揮鋼板和混凝土兩種材料的性能，鋼板為內側的混凝土提供了約束，從而提高混凝土的抗壓能力，同時內側混凝土為鋼板提供側向支承，避免鋼板的局部失穩，整個結構具有承載力高、剛度大、抗震延性和變形性能好的特點。

3)施工便捷程度大幅提高。

結構外側的雙鋼板可以在工廠模塊化加工，現場拼裝，同時外側鋼板又可以兼做模板，施工速度顯著加快，通過螺栓的拉結可約束混凝土澆筑過程中的側向變形，降低施工成本。

2.4 雙鋼板混凝土水池面臨的問題

從概念分析的角度，采用雙鋼板夾心混凝土整體式水池的結構可能存在兩個問題：其一，用鋼量過高而帶來的工程成本問題，初步估算含鋼率大約在2%～3%，大于傳統的鋼筋混凝土水池。但當綜合考慮其減少混凝土用量、減少結構占用面積、不需施工模板和支撐費用、縮短工期等因素，則結構的經濟性可大幅改善；其二，水池結構固有的特點，其池體內壁的鋼板必將面臨一定的防腐問題，針對這種可能出現的腐蝕情況，可通過鋼板壁噴鋅、采用耐候鋼等措施加以處理。

3 結語

通過分析雙鋼板混凝土結構體系的一些承載力機理，其特有的組合結構特性如果能夠利用在市政水池結構中，其結構特有的抗滲雙防線可以解決大型整體不設縫水池結構的溫度應力問題，避免了因設置伸縮縫而導致的水池開裂問題，可以說是對整體不設縫水池結構設計方法的有益探索和嘗試。