探寻钢结构在市政排水工程中的设计与对策

赵晓燕 黄 晖

1. 西城工程设计集团有限公司 浙江 杭州 310000

2. 浙江建大规划设计有限公司 浙江 杭州 310000

由钢制材料组成的钢结构建筑，因钢结构拥有强度高、自重轻、整体刚度好以及抵抗变形能力强的特点，因此，广泛应用于跨度较大、超高以及超重型建筑物。也正因其高强度、延性好其结构截面可以选的比混凝土结构构件轻巧，但如果设计方法不得当就更容易结构破坏，特别在抗震地区。

市政排水工程中，综合处理车间、板框车间及维修车间等其有以下几大特点：1、空间大、设备管道多；2、车间内设备重，并往往伴随着振动、旋转等机械运动；3、所处的环境比较“恶劣”，不仅面临着高湿度、而且还有因水处理中过程中产生的微腐蚀性的气体等；4、设备的检修、维护、更换等需要预留专用通道。

因此，在市政排水类工程中，需注重结构布局合理、对钢材需采取对应防腐措施，还需要解决钢结构的防火问题[2]。

1 我国钢结构的现状及在市政排水中应用前景

随着我国倡导集约型经济发展模式，土地作为不可再生资源，能够在寸土寸金的市中心相同占地面积前提下也就催生了多层、高层、超高层的纯钢结构体系或混凝土结构与钢结构混合体系的建筑。钢结构利用它较小的结构截面可以获得更多的实际使用面积以及相同层高前提下获得更大的净空高度。

根据国务院印发的《“十三五”节能减排综合工作方案》，国家“十三五”期间的节能减排目标的具体措施中，明确需深化主要污染物减排，要建立健全企事业单位总量控制制度，控制重点流域和工业、农业、生活、移动源污染物排放；实施节能、循环经济。主要大气污染物和主要水污染物减排等重点工程。

各地方政府为了实现减排目标，都很重视市政排水工程中污水的处理。各地污水处理厂纷纷新建、扩建以及提升改造等。

2 市政排水工程中钢结构体系设计与对策

在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是"概念设计"，它在结构选型与布置阶段尤其重要。市政排水的概念设计从工艺布置开始，在工艺专业进行方案设计时结构工程师提前介入，对楼层上设备的布置、楼板洞口的预留，还有结构柱网的布置，整体高度、净空高度的确定等根据专业知识提供合理建议[3]。

设计师根据工程的不同特点采取对应的结构对策。大跨度厂房屋面当要考虑悬挂检修吊车或作为下方设备的悬挂点时，可考虑放弃门式刚架而采用网架。为了减少设备振动的冲击作用，在框架中就近布置柱间支撑将荷载最直接地传导到基础。楼面上的大型设备布置应与主结构布置匹配。尽量保证楼板的连续性，避免局部过大开孔造成楼板刚度削弱。对局部楼层较高的，可利用中间的检修走道，为立柱提供平面外支撑。

一般来说，结构体系要刚度均匀、力学模型清晰。尽可能利用综合因素使各部分成为有机体系、挖崛合理因素，使其以最直接的传力线路将荷载传递到基础。让抗侧刚度形心与结构重心尽量重合，减少结构的扭转效应。选择合适的平面外支撑系统，减少构件计算长度，必要时，可采用格构柱等空间受力更合理构件[4]。

在良好的概念设计和体系选择前提下，需通过设计软件进行结构的整体分析。新版的《钢结构设计标准》增加了结构分析方法，首次引入的“直接分析法”和“基于性能的钢结构抗震设计方法”。

当采用直接分析设计法时，可以直接建立带有初始几何缺陷的结构和构件单元模型，也可以用等效荷载来替代。在直接分析设计法中，应能充分考虑各种对结构刚度有贡献的因素，如初始缺陷、二阶效应、材料弹塑性、节点半刚性等，以便能准确预测结构行为。直接分析设计法作为一种全过程的非线性分析方法，不允许进行荷载效应的迭加，而应采用荷载组合进行非线性求解[5]。

因市政排水工程设备繁多，工艺布局复杂，需采用结构软件进行空间有限元整体分析，根据分析结果，评估结构最小刚度比、最小楼层受剪承载力比值、结构自振周期、最大层间位移角、最大位移比等指标，综合判断结构体系的选择是否合理。超出允许范围时，还需调整结构修正计算结果直到所以指标均在合理范围内，结构选型基本结束。

3 市政排水工程中钢结构构件设计与对策

通过结构选型后，需要进行结构构件设计。结构构件设计首先需明确不同的结构构件需适应的设计标准。设计标准的选用通常需要考虑：结构类型，所处的抗震区设防烈度，所处的重要性等级，结构的规模等级等。排水建筑工程中，20万以上城镇、抗震设防烈度为7度及以上的县及县级市的污水干管（含合流），主要污水处理厂的主要水处理建（构）筑物、进水泵房、中控室、化验室，以及城市排涝泵站、城镇主干道立交处的雨水泵房，抗震设防类别应划为重点设防类。属于需要提高设防标准的建筑（简称乙类）。重点抗震设防类别建筑的抗震设防标准应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时，应按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用[6]。

有些车间虽然采用的门式刚架结构，但必须深析国标《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）的适用范围。当厂房高度超过18m或吊车为重级工作制或吊车起吊重量大于20T时，是不适用的，其风荷载体系系数、风荷载作用下的柱顶位移、构件长细比、构件宽厚比等与《钢结构设计标准》（GB50017-2017）有较大区别，不可混用。

在钢结构进行抗震性能设计时需要对照表1，表2，确定结构构件的最低延性等级。再分别对应拉弯和压弯构件，确定截面板件宽厚比等级及限值。有柱间支撑系统的框架结构，支撑系统作为抗震设计的第一道防线，需要采取更为严格的措施。

表1 塑料耗能区承载性能等级参考选用表

表2 结构构件最低延性等级

钢结构构件设计根据受力性质特点，一般要计算其强度、平面内稳定、平面外稳定、受剪承载力、构件截面局部稳定、构件的长细比、构件刚度等。必要时需进行焊接截面腹板考虑屈曲后的强度复核或疲劳验算[7]。

4 市政排水工程中钢结构防腐设计及措施

市政排水工程在水处理中过程中一般都会产生一些微腐蚀性的气体，因此厂房钢结构的防腐显得非常重要。钢构件防腐主要侧重于钢结构表面处理、防腐涂层的选择、防腐措施以及全寿命周期内的检查、维护和大修。钢构件在涂防锈蚀涂料前，必须将构件表面的毛刺、铁锈、油污及附着物清除干净使表面露出银灰色，有条件时，优先采用喷砂除锈，除锈等级为Sa2.5。防腐涂层要选择耐水、耐化学药品性，可以选择附着能力强而且防腐性能优异的氟碳漆和无机防腐涂料，防腐层干膜厚度宜≥240um。 钢柱柱脚埋入地下部分应以C10混凝土包裹（保护层厚度不应小于50mm），并包出地面150mm。所埋入部分表面应作除锈处理但不作涂料涂装。设计中需要约定检修周期，对检查中发现的问题及时处理。

市政排水工程基础部分的防腐也不容忽视。在场地孔隙潜水在干湿交替情况下对混凝土结构和钢筋混凝土结构中钢筋均具强腐蚀性；在长期浸水情况下对混凝土结构具弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋具有弱腐蚀性；这种条件下，钢结构基础混凝土的垫层、基础、承台等均涂环氧沥青或聚氨酯沥青涂层，厚度≥500μm。由于场地孔隙潜水在干湿交替情况下对混凝土结构和钢筋混凝土结构中钢筋均具强腐蚀性，桩身结构防腐蚀措施采用，管桩应采用抗硫酸盐硅酸盐水泥、掺入抗硫酸盐的外加剂、掺入矿物掺和料、掺入钢筋阻锈剂(但不得采用亚盐酸类的阻锈剂)，水灰比不应大于0.4，抗渗等级不应低于S10，保护层厚度不应小于45mm。地下水位标高以下1500mm范围内，管桩外表面涂刷环氧沥青或聚氨酯沥青涂层，厚度≥500μm。

5 市政排水工程中钢结构的防火设计及措施

钢结构所使用的钢材耐高温的性能较差，如果所处环境温度超过了430-540℃这一范围，就会迅速降低承载力，最终导致结构失效。另外，钢材耐火性能也较差，在火灾的影响下，钢材会因为火灾的高温导致结构丧失承载能力，从而造成房屋倒塌。通常需要采用防火保护措施，防火涂料是常用的主要保护措施之一。市政排水钢结构虽然车间内多的“水”，但在水处理中用到大量的化学药品，并且在降解污染物时还会排出有害物质，而且污水也不能作为消防用水。建筑钢结构防火涂料的设计、施工和验收可以参考《建筑钢结构防火技术规范》( GB 51249—2017) 。

构件的耐火极限验算主要根据构件在火灾下的升温及钢材因高温的性能衰减，计算钢结构构件的承载力不足以抵抗外荷载作用的时长。判定构件耐火极限可采用三个指标：耐火极限、承载力和临界温度，具体方法有：(1)耐火极限法。(2)承载力法。(3)临界温度法。

根据构件的受力特点不一样，需分别按规范中给出的火灾下轴心受拉钢结构构件、轴心受压钢结构构件、偏心受压钢结构构件、单轴受弯钢结构构件、拉弯或压弯钢结构构件的强度和稳定性的计算判别公式进行耐火验算[8]。

钢结构的防火涂料通常分膨胀型和非膨胀型两种，根据不同部位的耐火极限选用。作为合格的防火涂料必须满足以下技术要求：1、防火涂料应具有国家消防产品合格评定中心颁发的“3C”强制认证证书；2、防火涂料不应含有石棉和玻璃纤维等有害物质，严禁采用苯类溶剂类产品；3、防火涂料应具有很好的大变形能力和高粘结性，应采取合适的措施和施工工艺，保证钢构件在火灾高温下发生L/20最大变形过程中，涂料的完整性和完好性，满足不空鼓、不开裂、不脱落的工作要求，以及不流坠和乳突；4、应按批次对进场防火涂料的干密度、粘接强度、抗压强度和等效热传导系数或等效热阻进行第三方复验，达到设计文件要求。

6 结束语

随着对节能减排的推进，钢结构在市政排水工程会被更广泛的应用，但是，基于市政排水工程的特殊性、重要性，在进行钢结构的设计时，钢结构的设计要充分考虑“适用条件、结构合理、防腐及防火”，掌握设计的重点，充分发挥钢结构的重要作用，提高我国建筑的安全系数，为我国的建筑行业的发展奠定坚实的基础。