市政給排水工程中構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

摘要：詳細(xì)分析了給排水構(gòu)筑物的類型（如水池、泵站、水塔）及其功能特點(diǎn)。深入探討了設(shè)計(jì)中的荷載分析，包括恒載、活載、水壓力、土壓力、地震作用等。闡述了混凝土和鋼材等結(jié)構(gòu)材料的選擇要點(diǎn)，以及水池、泵站、水塔各自的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵，如水池的池壁、底板、頂板設(shè)計(jì)，泵站的基礎(chǔ)和泵房設(shè)計(jì)，水塔的基礎(chǔ)、塔身和水箱設(shè)計(jì)。科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對保障給排水構(gòu)筑物長期安全、可靠運(yùn)行和滿足城市發(fā)展需求至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：市政給排水工程" 構(gòu)筑物" 水池" 泵站" 水塔

Structure Design Analysis of Buildings in Municipal Water Supply and Drainage Engineering

QIN Lang""" LI Yijun

China Municipal Engineering Zhongnan Design and Research Institute Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430010 China

Abstract： This article provides a detailed analysis of the types of water supply and drainage structures （such as water tanks， pump stations， and water towers） and their functional characteristics. It deeply explores load analysis in design， including dead load， live load， water pressure， soil pressure， and seismic action， etc. This article elaborates on the key points for selecting structural materials such as concrete and steel， as well as the key structural design factors for water tanks， pump stations， and water towers， such as the design of pool walls， bottom plates， and top plates for water tanks， the design of pump station foundations and pump rooms， and the design of water tower foundations， tower bodies， and water tanks. Scientific and rational structural design is crucial for ensuring the long-term safe and reliable operation of water supply and drainage structures and meeting the needs of urban development.

Key Words： Municipal water supply and drainage engineering; Structure; Water pool; Pump station; Water tower

市政給排水工程宛如城市的生命線，而其中的構(gòu)筑物則是這條生命線的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。在現(xiàn)代城市建設(shè)與發(fā)展進(jìn)程中，給排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響居民的生活質(zhì)量和城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。給排水構(gòu)筑物包括多種類型，它們各自承擔(dān)著不可或缺的功能。從儲存清潔水的清水池到調(diào)節(jié)水量水質(zhì)的調(diào)節(jié)池，從提升污水水位的污水泵站到排除雨水的雨水泵站，再到用于調(diào)節(jié)供水壓力的水塔等。這些構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量決定了它們在復(fù)雜工況下能否穩(wěn)定運(yùn)行，能否有效滿足給排水的功能需求。

1市政給排水構(gòu)筑物的類型

1.1水池類

水池類構(gòu)筑物包括清水池、調(diào)節(jié)池等。其中，清水池用于存儲處理后的清潔水，調(diào)節(jié)池用于調(diào)節(jié)水量和水質(zhì)。這些構(gòu)筑物需要具備良好的密封性、穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，以防水體滲透、保障結(jié)構(gòu)在水壓作用下的安全性^[1]。

1.2泵站類

泵站類構(gòu)筑物主要包括污水泵站、雨水泵站等。其中，污水泵站用于提升污水水位，使其能夠在重力流難以實(shí)現(xiàn)的情況下順利輸送；雨水泵站用于在暴雨氣候下將低洼區(qū)域雨水抽排出去，以免產(chǎn)生內(nèi)澇問題。泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮泵機(jī)的安裝、振動、水流進(jìn)出順暢性。

1.3水塔

水塔主要用于存儲、調(diào)節(jié)供水壓力。水塔結(jié)構(gòu)高度較大，需要同時(shí)承受較大的豎向壓力、側(cè)向風(fēng)荷載等多種作用力。因此，在水塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須要重點(diǎn)關(guān)注穩(wěn)定性、強(qiáng)度。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載分析

2.1恒載

恒載是由構(gòu)筑物自身重量以及內(nèi)部附屬設(shè)備重量構(gòu)成。例如：常規(guī)的中型矩形清水池，池壁厚度為300～500 mm[ 2]"，使用C30混凝土，密度約為25 kN/m3，清水池長、寬、高分別為20 m、15 m、4 m，則池壁混凝土重量約為（2×20×4+2×15×4）×0.3×25=2 100 kN。底板厚度為400 mm，其自重為20×15×0.4×25=3000 kN。再加上過濾設(shè)備等附屬設(shè)備自重，即可得出總恒載數(shù)據(jù)^[2]。

2.2活載

如果水池頂部設(shè)計(jì)為可上人檢修，一般活載值設(shè)定為2 kN/㎡。假設(shè)水池平面尺寸為20 m×15 m，則池頂活載為20×15×2=600 kN。在泵站內(nèi)，操作人員和小型維修設(shè)備產(chǎn)生的活載量按照4 kN/㎡計(jì)算。假設(shè)泵站操作面積為50 ㎡，則活載量為50×4=200 kN。再者，如果泵站內(nèi)設(shè)置了材料臨時(shí)堆放區(qū)域，堆載量按照10 kN/㎡，則堆載面積達(dá)到10 ㎡時(shí)，則堆載為10×10= 100 kN。

2.3水壓力

水壓力荷載量非常大。水池的側(cè)向水壓力計(jì)算公式為：

式（1）中[ 3]"[ 4]"：P表示水對水池側(cè)面的壓力；ρ表示水的密度；g表示重力加速度；h表示水的深度。

假設(shè)水池最高水位為3 m，則水池底部水壓力為1 000×9.8×3 =29 400 Pa。如果設(shè)計(jì)水池為埋地式水池（1 000 m3），并且地下水位較高時(shí)，浮力按照阿基米德原理計(jì)算，則浮力為1 000×1 000×9.8= 9.8×10⁶ N。

此外，水壓力也分為恒載和活載，恒載為水體自身的縱向壓力和側(cè)向壓力；活載除了自身的橫縱壓力外，還需受到水流因素影響。

2.4土壓力

埋地或半埋地構(gòu)筑物需要考慮土壓力。黏土密度通常為1 800 kg/m3，內(nèi)摩擦角為20°，靜止土壓力約為0.5。假設(shè)地下水池埋深 2 m，池壁長度為 10 m，則單位長度池壁上靜止土壓力約為 0.5×1 800×9.8×2×10 = 176.400[ 5]" kN/m。

3 結(jié)構(gòu)材料選擇

3.1混凝土

作為給排水構(gòu)筑物施工的主要材料，保障混凝土性能非常重要。在混凝土材料選擇中，應(yīng)結(jié)合構(gòu)筑物功能、環(huán)境條件等情況合理選擇。若構(gòu)筑物有防水需求，如水池類，則要采用防滲等級不低于P6的混凝土，強(qiáng)度等級為C30～C40。采用高強(qiáng)度、高抗?jié)B性混凝土可以有效抵抗污水侵蝕、水壓力。同時(shí)，還要考慮混凝土耐久性，特別是在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，應(yīng)采用礦渣硅酸鹽水泥制備混凝土，并且加入適量的防腐劑，以提升抗硫酸鹽侵蝕性能。在寒冷區(qū)域，為了避免混凝土受到凍害，可以加入一定量的引氣劑，將混凝土含氣量控制在4%～6%，強(qiáng)化混凝土抗凍性能^[3]。

3.2鋼材

給排水構(gòu)筑物中，鋼材作為核心骨架材料，如水池配筋、泵站鋼架構(gòu)等。在水池配筋中，可選用HRB400級鋼筋，此類鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為400 N/mm²。在水池壁配筋設(shè)計(jì)中，建設(shè)池壁厚為400 mm、承受彎矩力為500 kN·m，則計(jì)算所需的縱向受力鋼筋面積為2 000 mm²。

泵站鋼構(gòu)架，應(yīng)選擇Q235B或Q345B鋼材。如果處于腐蝕環(huán)境，如污水泵站內(nèi)濕度較大且存在腐蝕性氣體等，則要對鋼材采用防腐措施。如若鋼構(gòu)件直接暴露在空氣中，可以均勻涂刷2道環(huán)氧富鋅底漆（干膜厚度約為80 μm），再涂刷2道聚氨酯面漆（干膜厚度約為60 μm），以防空氣內(nèi)腐蝕分子侵入。針對埋地鋼質(zhì)管道，如果土壤電阻率不足20 Ω·m，可以采用犧牲陽性的陰極保護(hù)法，每公里管道設(shè)置3～5個(gè)鎂合金犧牲陽性。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1.1池壁設(shè)計(jì)

池壁設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮各類荷載。例如：某圓形清水池直徑為20 m、池壁高4 m、水深3.8 m。池壁所承受的水壓呈線性分布，經(jīng)計(jì)算底部最大水壓力為37 240 Pa。結(jié)合圓柱殼理論，池壁厚度經(jīng)計(jì)算應(yīng)為300 mm，采用雙層雙向配筋，水平向鋼筋間距為150 mm、直徑為12 mm，豎向鋼筋間距為200mm、直徑為10 mm。使用腋角將池壁與底板、頂板連接，腋角高度為500 mm，斜邊與水平夾角為45°。該連接構(gòu)造設(shè)計(jì)方案可以有效傳遞剪力和彎矩，確保結(jié)構(gòu)整體性^[4]。

4.1.2底板設(shè)計(jì)

底板設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地基承載力、水浮力。例如：某大型矩形水池（長30 m，寬20 m）的地基承載力特征值為150 kPa，水池自重與水重產(chǎn)生的均布荷載達(dá)到100 kPa，為了保障結(jié)構(gòu)的安全性，設(shè)計(jì)中可選用筏板基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)筏板厚度為500 mm，底部采用雙層雙向配筋方案，鋼筋直徑為14 mm、間距為150 mm。同時(shí)，設(shè)置抗浮錨桿，直徑為100 mm、長度為5 m、間距為2 m，用于抵抗地下水浮力作用，以免水池整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。

4.1.3頂板設(shè)計(jì)

頂板設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮跨度、荷載。例如，水池頂板跨度為6 m，采用無梁樓蓋形式，頂板厚度為250 mm。通過對恒載、活載綜合計(jì)算，則頂板每平方米配筋面積約為200 mm²，設(shè)計(jì)中可選用直徑10 mm的鋼筋，設(shè)置間距為150 mm。同時(shí)，頂板處應(yīng)增設(shè)直徑800 mm的檢修孔，并且在檢修孔周圍設(shè)置加強(qiáng)筋。

4.2泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1泵房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)泵機(jī)特殊要求設(shè)計(jì)泵房基礎(chǔ)。以一臺100 kW功率的污水泵為例，設(shè)備重量約為2 t，運(yùn)行中所產(chǎn)生的振動頻率為50 Hz。結(jié)合這兩個(gè)參數(shù)和地基條件（假設(shè)地基土壓縮模量為10 MPa）。設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)可以采用鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，設(shè)置規(guī)格為4 m×3 m，厚度為 600 mm。同時(shí)，在基礎(chǔ)底部增設(shè)橡膠隔音墊，隔音墊的豎向剛度、豎平剛度分別為1 000 kN/m、500 kN/m，從而有效降低污水泵的振動頻率，以免對結(jié)構(gòu)造成過大影響^[5]。

4.2.2泵房墻體與頂板設(shè)計(jì)

在無特殊要求情況下，泵房墻體設(shè)計(jì)厚度為300 mm，使用C30混凝土，內(nèi)設(shè)鋼筋網(wǎng)。墻體的主要荷載來自內(nèi)部設(shè)備、水流荷載，需要重點(diǎn)考慮墻體荷載性能，同時(shí)還要考慮通風(fēng)、采光需求。可以在墻體上開1㎡大小的窗戶，窗戶間隔為3 m，使用塑鋼材料窗框，保持內(nèi)部溫度穩(wěn)定。頂板采用梁板式結(jié)構(gòu)，截面尺寸設(shè)定為 300 mm×600 mm，板厚150 mm。頂板荷載主要來自頂部設(shè)備檢修荷載與結(jié)構(gòu)自身荷載，根據(jù)實(shí)際荷載計(jì)算出合理配筋量，確保其剛度、強(qiáng)度滿足需求。

4.3水塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.3.1水塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

結(jié)合地質(zhì)條件確定水塔基礎(chǔ)形式，如若是粉質(zhì)黏土地基，可設(shè)計(jì)成30 m高、容量為500 m3的水塔，采用環(huán)形基礎(chǔ)，外徑、內(nèi)徑、厚度分別設(shè)定為12 m、8 m、1.2 m。混凝土強(qiáng)度等級為C30。基礎(chǔ)底部設(shè)置C15素混凝土墊層，厚度為100 mm。

4.3.2塔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

塔身設(shè)計(jì)可以選用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架柱截面尺寸為400 mm×400 mm，框架梁截面尺寸為300 mm×600 mm。風(fēng)荷載計(jì)算中，假設(shè)當(dāng)?shù)仫L(fēng)壓為 0.5 kN/m2，風(fēng)振系數(shù)取 1.4，體型系數(shù)取 1.3，則配置柱縱向鋼筋采用直徑20 mm的HRB400 鋼筋，箍筋采用直徑8 mm的HPB300鋼筋，間距100 mm^[6]。

4.3.3水塔水箱設(shè)計(jì)

確保水箱設(shè)計(jì)防水性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，采用圓形結(jié)構(gòu)水箱，設(shè)計(jì)直徑為10 m、高度為4 m、壁厚為200 mm，采用C30、P6混凝土。在水箱頂部設(shè)置進(jìn)水管、透氣孔，底部設(shè)置出水管、泄水管。水箱與塔身通過剛性連接，在連接處設(shè)置加強(qiáng)環(huán)梁，環(huán)梁截面尺寸為500 mm×800 mm，配筋按結(jié)構(gòu)計(jì)算確定，保證水箱在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。

5結(jié)語

綜上所述，市政給排水工程中構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，需要綜合考慮構(gòu)筑物的類型、功能、荷載、材料、耐久性等多方面因素。只有通過科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能保證給排水構(gòu)筑物長期運(yùn)行的安全性和可靠性，滿足城市給排水系統(tǒng)的需求，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。在設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)不斷關(guān)注新技術(shù)、新材料的發(fā)展，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高工程質(zhì)量。

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