劉志剛，張成有，張亞峰,崔瑞
中國市政工程東北設(shè)計研究院，長春，130021，jhce@sina.com 于建華,王佐
大連市自來水集團(tuán)公司， 大連， 132011

　　摘要：本文簡單介紹了我國大型清水池結(jié)構(gòu)考慮溫度應(yīng)力時的設(shè)計方法及對于超長水池的各種處理辦法。通過大連某供水工程20,000 M³清水池這個工程實例詳細(xì)介紹了65m ×55m大型無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無溫度伸縮縫清水池的設(shè)計與施工，以及無縫水池在經(jīng)濟(jì)性、耐久性、抗震性以及管理維護(hù)等方面的優(yōu)點。
　　關(guān)鍵詞：清水池，溫度伸縮縫，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，鋼絞線，預(yù)應(yīng)力錨具，橡膠止水帶。

Monolithically design and construction for large post-tensioned potable water tank with no thermal expansion joints

Abstract: Different design methods for solving the thermal stress in large size tanks are discussed briefly. The monolithically design and construction method have been introduced carefully based on the Dalian post-tensioned potable water tank with no any expansion joints, which has the economic, durable and anti-earthquake advantages compared with the traditional reinforced concrete tank.
Key Words: potable water tank, post tensioning, rubber belt, water stopping, unbondened tendons, strands, anchorage and expansion joints

1.前言

　　目前，由于我國混凝土工程中的鋼筋銹蝕和混凝土腐蝕嚴(yán)重，混凝土工程的耐久性設(shè)計對當(dāng)前我國正在進(jìn)行的大規(guī)模工程建設(shè)具有的重要戰(zhàn)略意義和相當(dāng)?shù)木o迫性，如果再不積極采取相應(yīng)對策并盡快落實具體措施，那么我們每年投入土建工程建設(shè)的龐大資金將會蒙受重大損失，資源也將遭受極大浪費(fèi)，建成后的工程難以發(fā)揮長期效益，而使用過程中的頻繁修補(bǔ)乃至事故又必將給今后的生活和生產(chǎn)活動帶來無休止的干擾。
　　我國《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50069-2002 規(guī)定矩形現(xiàn)澆鋼筋混凝土清水池，當(dāng)長度、寬度較大時，宜設(shè)置適應(yīng)溫度變化作用的伸縮縫。伸縮縫間距一般為15m 到30m左右。構(gòu)筑物的伸縮縫或沉降縫應(yīng)做成貫通式，即在同一剖面上連同基礎(chǔ)或底板斷開。這種縫的構(gòu)造相對復(fù)雜，施工難度較大，設(shè)計及施工均需十分仔細(xì)，否則就容易造成縫的滲漏。主要表現(xiàn)在：
1.1 整體性差。
1.2 抗震性能差。在地震力作用下分縫處很容易損壞（互相碰撞）。日本大地震調(diào)查后，先進(jìn)的國家都取消了伸縮縫設(shè)計而代之為整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1.3 橡膠止水帶處容易漏水（據(jù)調(diào)查很普遍），因為該處節(jié)點復(fù)雜不易澆注密實。對于大面積結(jié)構(gòu)，若底板漏水，水不易排走，會造成地基沉陷，導(dǎo)致底板變形，破壞。而底板修復(fù)很困難。
1.4 橡膠止水帶有老化問題。
1.5 因用橡膠止水帶接縫，漏水問題的處理將直接帶來生產(chǎn)管理的麻煩。底板漏水不易察覺，直到底板發(fā)生破壞，漏水量劇增，才會被發(fā)現(xiàn)。

2、工程概況

大連某水廠設(shè)計規(guī)模為 20 萬噸/日，清水池容積為 20,000 M³。場地坐落在基巖上，且為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂礫巖。

3、大型清水池結(jié)構(gòu)不設(shè)縫的處理方法

為了避免進(jìn)行分縫設(shè)計。因此，現(xiàn)在有些工程技術(shù)人員也在積極探索新的途徑以無溫度伸縮縫設(shè)計取代分縫設(shè)計。
　　主要方法有：3.1 設(shè)置混凝土后澆帶或加強(qiáng)帶，3.2 使用混凝土膨脹劑，3.3預(yù)應(yīng)力技術(shù)
3.1、 當(dāng)池體長度超過國家規(guī)范規(guī)定的要求時，采取不設(shè)溫度伸縮縫，而設(shè)置1～2m寬的后澆帶或加強(qiáng)帶的做法。后澆帶砼待其兩側(cè)混凝土澆筑完畢后2個月左右再進(jìn)行澆注。而加強(qiáng)帶處鋼筋和混凝土膨脹劑摻量都要適當(dāng)增加。
　　無論后澆帶和加強(qiáng)帶都只能解決施工期間混凝土的收縮問題，并不能解決季節(jié)溫差（濕差）所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力問題。雖然有些超長水池沒有出現(xiàn)豎向裂縫，那是因為池底板為平面，或地基對水池的摩擦力較小，或池體水平配筋較大，而并不是后澆帶，加強(qiáng)帶或外加劑起了主要作用。目前，有很多靠摻外加劑解決池體超長的水池或構(gòu)筑物出現(xiàn)不同程度的豎向裂縫，有些已很嚴(yán)重。豎向裂縫每10米左右一道，縫表面出現(xiàn)黑色的青苔。
3.2、 摻加混凝土膨脹劑的目的就是在混凝土中產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。其產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力值是有限的，也就是說超過一定的界限就起不到應(yīng)有的作用。而且，若從工程耐久性方面考慮，水池結(jié)構(gòu)不宜使用含有鈣礬石類的膨脹劑。因為有些膨脹劑中存在延遲鈣礬石生成現(xiàn)象，所謂延遲膨脹就是當(dāng)混凝土硬化一段時間以后，混凝土中的鈣礬石再開始膨脹，即混凝土中的鈣礬石與混凝土本身的硬化不同步，因此我們對于延遲鈣礬石生成的潛在危險性應(yīng)有充分的認(rèn)識。詳見文章：清華大學(xué)教授，閻培渝，彭江，陳廣智關(guān)于“大體積補(bǔ)償收縮混凝土中的延遲鈣礬石生成現(xiàn)象”一文，《混凝土》雜志，2002年第1期。
3.3、用有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線來解決溫度應(yīng)力問題。當(dāng)池體長度和寬度都較長時，不設(shè)溫度伸縮縫，而在池壁、底板水平方向均施加預(yù)應(yīng)力來解決溫度應(yīng)力問題。這是從根本上解決水池裂縫問題的方法。而且，混凝土被施加預(yù)應(yīng)力以后，混凝土本身受壓，水池抗?jié)B性、耐久性將大大提高。

4、關(guān)于池體造價與結(jié)構(gòu)耐久性

　　以長春某污水處理廠的曝氣池為例，考慮到東北地區(qū)的寒冷條件，原來傳統(tǒng)曝氣池為4個獨(dú)立的池子。4 x 25m=100m。而在長方向（100m）每25m 設(shè)一道溫度伸縮縫。池壁厚度為700mm。底板厚度為850mm。 而采用預(yù)應(yīng)力水池后，池壁厚度為400mm，底板厚度為160mm, 抗浮用碎石進(jìn)行配重。這樣，該曝氣池實際上共節(jié)約鋼筋340噸，混凝土2500 m³, 但多用了140噸鋼絞線。因此，該曝氣池共節(jié)?。?BR>　　1.48 × (340 × 2800 + 2500 × 600 -　 140×10000 ) = 1556960 元，約為 156 萬元。
　　因此，用有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)來解決水池溫度應(yīng)力是從根本上解決水池裂縫問題的最好方法。以前，有一種觀點，認(rèn)為預(yù)應(yīng)力水池造價較高，我分析其主要原因是設(shè)計方法的落后，即施加到池壁上的預(yù)應(yīng)力很有限（或者說，所施加的預(yù)應(yīng)力不起什么太大的作用），設(shè)計者只能靠增加非預(yù)應(yīng)力鋼筋來平衡外荷載。這就造成國內(nèi)很多預(yù)應(yīng)力工程的設(shè)計，采用雙保險的設(shè)計方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計（即非預(yù)應(yīng)力鋼筋幾乎能承受全部外荷載，預(yù)應(yīng)力筋幾乎也能承受全部外荷載）。
　　另外，為了更好地發(fā)揮國家投資長期效益（我們國家并不富裕，大部分投資都是來自世界銀行、亞洲開發(fā)銀行等貸款），我們應(yīng)充分考慮水池類結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計。以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主的基礎(chǔ)設(shè)施耐久性問題，是當(dāng)今世界的大問題。在結(jié)構(gòu)耐久性方面，一些國家吃了大虧，引起政府部門的注意與重視。一些國家率先采取技術(shù)對策和進(jìn)行行政干預(yù)，我國也及時發(fā)布了國務(wù)院第279號令。國內(nèi)外這些做法，具有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。
　　目前，有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在我國污水處理廠中的初沉池、二沉池結(jié)構(gòu)設(shè)計中已得到廣泛地應(yīng)用。而對于矩形水池，國內(nèi)應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行設(shè)計的則不是很多。

5、傳統(tǒng)水池與預(yù)應(yīng)力清水池滲水量標(biāo)準(zhǔn)的比較

5.1 我國規(guī)范規(guī)定水池允許滲漏量為：2L/m²d。
　　舉例說明如下：如一個10,000m³清水池，根據(jù)我國規(guī)范的規(guī)定，每年允許滲漏量為2409 m³。
5.2 美國規(guī)范規(guī)定的水池允許滲漏量為：
　　標(biāo)準(zhǔn)A（預(yù)應(yīng)力水池）：一個10,000 m³清水池每年允許滲漏量為456.25m³。
　　標(biāo)準(zhǔn)B：一個10,000 m³清水池每年允許滲漏量為912.5m³。
　　標(biāo)準(zhǔn)C：一個10,000 m³清水池每年允許滲漏量為1825m³。
　　可以看出，預(yù)應(yīng)力清水池允許滲漏量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我國傳統(tǒng)水池的滲漏量（約為19%）。因此，預(yù)應(yīng)力水池不僅滲漏小，耐久性好，而且也可以大量節(jié)約水資源。

6、無溫度伸縮縫預(yù)應(yīng)力清水池設(shè)計

　　大連某供水工程清水池平面尺寸為55×65m，深6.3m。為解決溫度應(yīng)力問題按目前規(guī)范，原設(shè)計將被分為6塊，每塊之間用30mm寬伸縮縫完全隔離開來。
　　為了克服傳統(tǒng)水池的缺點，在清水池設(shè)計中我們與美國JHCE結(jié)構(gòu)設(shè)計公司合作采用了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，取消了6個塊體結(jié)構(gòu)，20,000 M³清水池設(shè)計為一個整體結(jié)構(gòu)，沒有任何伸縮縫。另外，我們將矩形清水池四角設(shè)計成圓角。這樣既考慮了矩形水池占地少、布置靈活的優(yōu)點，又考慮了圓形水池受力好的優(yōu)點。盡量使我們設(shè)計的清水池趨于完美。
　　該清水池使用材料均為國產(chǎn)?；炷翞镃35，P8。鋼筋為HPB235級及HRB335級，1860Mpa低松弛鋼絞線。錨具使用北京建研院B&S I類錨具。清水池柱網(wǎng)尺寸為6.3m, 頂板厚度為200 mm, 每個柱間鋼絞線數(shù)量為20束 （15.24 mm）。 根據(jù)《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 JGJ/T 92-93的規(guī)定，頂板鋼絞線在一個方向集中布置，而在另一個方向分散布置。
　　底板在兩個方向上被施加預(yù)應(yīng)力，底板厚度為160mm， 為保證底板有效預(yù)應(yīng)力的施加，我們在底板與墊層之間設(shè)置了3層0.3mm厚的塑料板滑動層。池壁水平方向及豎向均施加預(yù)應(yīng)力，池壁厚度為300mm。 混凝土裂縫控制在0~0.1mm之間。（我國傳統(tǒng)水池一般控制在0.2mm左右，雖然也可控制在0.1mm，但其用鋼量將成倍增加。因此，采用預(yù)應(yīng)力無縫整體水池設(shè)計，建造出來的水池結(jié)構(gòu)耐久性更強(qiáng)）。結(jié)構(gòu)設(shè)計詳見下圖。

方　 案　 比　 較　 表

　　經(jīng)過工程經(jīng)濟(jì)比較及技術(shù)分析我們可以得出下列結(jié)論：采用后張預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行清水池結(jié)構(gòu)設(shè)計，預(yù)應(yīng)力整體水池比傳統(tǒng)分縫水池節(jié)約造價為22.2%左右。

7、清水池施工

　　水池混凝土施工是由大連市金州第二建筑公司來完成的，預(yù)應(yīng)力施工是由鞍山市北方預(yù)應(yīng)力公司來完成的。在施工以前，設(shè)計單位給施工單位做了詳細(xì)的技術(shù)交底工作，使施工技術(shù)人員明白設(shè)計者的意圖，以確保水池的施工質(zhì)量。在具體施工中，施工單位主要應(yīng)從以下幾個方面著手：混凝土配合比，混凝土外加劑，混凝土底板、池壁連續(xù)澆注，混凝土振搗，養(yǎng)護(hù)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線、錨具、塑料板等關(guān)鍵材料的選購、布筋方式，以及預(yù)應(yīng)力張拉控制等等。大連市20,000M³清水池于2002年完成土建施工，其中清水池底板澆注用時為24小時，池壁澆注用時為18小時，池頂板用時26小時。并于2002年冬季通過了試水驗收，達(dá)到了美國A級標(biāo)準(zhǔn)，目前，該水池運(yùn)行良好。

8、結(jié)語

　　無縫預(yù)應(yīng)力水池的整體性、抗震性、耐久性等比傳統(tǒng)分縫水池有很多優(yōu)點。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以從根本上解決水池滲漏問題，徹底解決分縫設(shè)計給水池管理帶來的麻煩。根據(jù)國家十五規(guī)劃2010年污水處理率達(dá)60%以上的標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)投資為4500億元，若采用整體設(shè)計、施工技術(shù)，可節(jié)約土建建設(shè)資金200億元左右。更主要的是無縫水池結(jié)構(gòu)的質(zhì)量更好，耐久性更強(qiáng)。可以確信，隨著我國企業(yè)改革的深入、私有化進(jìn)程的加快以及人們對結(jié)構(gòu)耐久性認(rèn)識的深入，預(yù)應(yīng)力無縫水池結(jié)構(gòu)設(shè)計施工技術(shù)會給我國的工程建設(shè)做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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2,《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 GB 50010-2002
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4,《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》（第三版）林同炎著
5,《后張預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計手冊》中國建筑科學(xué)研究院， 陶學(xué)康主編
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7,D.W.Hobbs. Concrete deterioration: causes, diagnosis, and minimising risk. International Materials Reviews, 2001, 46(3):117-144
8,閻培渝，彭江，陳廣智.大體積補(bǔ)償收縮混凝土中的延遲鈣礬石生成現(xiàn)象.《混凝土》2002年第1期

劉志剛，中國市政工程東北設(shè)計研究院，結(jié)構(gòu)專業(yè)總工程師男，40歲。1983年畢業(yè)于天津大學(xué)土木系建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)獲得學(xué)士學(xué)位。1985年考入吉林工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系計算力學(xué)專業(yè)攻讀碩士學(xué)位研究生，1988年又回到中國市政工程東北設(shè)計研究院繼續(xù)從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。1998年通過考試獲國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師稱號。電話: 0431 5611503 傳真: 0431 5652579 E-mail:jhce@sina.com