高層建筑薄壁大噸位不銹鋼屋頂水箱應(yīng)用研究

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摘要：結(jié)合工程實(shí)例，就薄壁大噸位不銹鋼屋頂水箱的鋼種選擇、布置方式及經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行了討論，并提出了其應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

  關(guān)鍵詞：高層建筑薄壁大噸位不銹鋼屋頂水箱應(yīng)用研究近年來在一些建筑成套化改造或者加層時(shí)，經(jīng)常碰到砼水箱自重大，建筑結(jié)構(gòu)無法承受，且施工周期長，影響正常供水等情況。我們在某幢12層高層住宅結(jié)合大修加層至14層時(shí)，就遇到了這一問題。在拆除2只屋頂砼水箱后續(xù)建時(shí)發(fā)現(xiàn)需再建的砼水箱自重30t，裝滿水后總重達(dá)90余t，墻體結(jié)構(gòu)難以承受。為此，我們設(shè)計(jì)了兩組圓柱型高強(qiáng)度薄壁不銹鋼水箱組，每組3只并列安裝，單只水箱容水量為12m3，但每只水箱重僅1.5t，有效地減輕了自重，解決了這個(gè)難題。該屋頂水箱實(shí)際運(yùn)行兩年來，一切技術(shù)狀況良好，體現(xiàn)出安裝便捷，清潔衛(wèi)生，管理方便，使用周期長等特點(diǎn)，運(yùn)行中還可靈活切換投入水箱的個(gè)數(shù)，既增加了供水安全可靠性，又避免了水質(zhì)二次污染，且造價(jià)低，與同容積砼水箱造價(jià)相比，節(jié)約經(jīng)費(fèi)19.80萬元?，F(xiàn)將超薄型大噸位不銹鋼屋頂水箱組設(shè)計(jì)應(yīng)用有關(guān)問題歸納如下。1　薄壁不銹鋼屋頂水箱鋼種選擇與強(qiáng)度質(zhì)量、理化穩(wěn)定性的要求以較大容量的薄壁不銹鋼屋頂水箱組，取代傳統(tǒng)的鋼筋砼水箱，首先著眼點(diǎn)是自重輕，強(qiáng)度大。另一個(gè)關(guān)鍵則為確保一個(gè)儲(chǔ)水容器自身不污染水質(zhì)，鋼種在長期運(yùn)行中，必須具備對人體衛(wèi)生、安全、無害。1.1　不銹鋼水箱的強(qiáng)度質(zhì)量由于我們設(shè)計(jì)的不銹鋼水箱組，選用的板厚為0.8mm～1.0mm，如此厚度，貯存大容量液體后能否達(dá)到強(qiáng)度上的要求，引起一些人的懷疑，有關(guān)技術(shù)資料和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表明，用料厚度雖然較薄，但材料具有強(qiáng)度高，韌性大，延伸性好的特點(diǎn)，只要把握好生產(chǎn)制作中的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)制作大容量不銹鋼儲(chǔ)水容器無可非議，可以獲得成功。1.2　不銹鋼種的理化穩(wěn)定性高層建筑不銹鋼屋頂水箱，作為幾百家住戶的一個(gè)儲(chǔ)水容器，水質(zhì)的污染與否直接影響到人民身體健康，應(yīng)在長期的運(yùn)行過程中，不氧化、不生化，免于銹蝕和重金屬鉻、鎳離子的生成析出。為此，我們設(shè)計(jì)制作不銹鋼種日本牌號(hào)為SUS304(相當(dāng)于國產(chǎn)OCi18Ni9牌號(hào))，從SUS304資料說明可以看出，該類鋼種屬奧氏體不銹耐酸鋼，有良好的耐腐蝕性能和金屬壓延性能，對強(qiáng)氧化酸有耐腐蝕性。由此可見，以此作水箱體材料，完全可以抵御運(yùn)行中低濃度氯酸(HCl)，次氯酸(HClO)，弱氧化性碳酸（H2CO3）等酸的作用，保障了水容器不污染水質(zhì)的前提條件。2　不銹鋼水箱組設(shè)計(jì)布置方式和水力計(jì)算依據(jù)2.1　確定水箱組的布置方式因建筑呈Z字狀長條型，且住戶多，平均每層23戶，大樓改造前，采用同一泵組同時(shí)向兩個(gè)砼屋頂水箱供水。雖然在離泵房供水管路較長的2號(hào)水箱內(nèi)，安裝了液位控制器，且兩個(gè)水箱進(jìn)水還輔以水位控制浮球閥，但由于水壓差異，進(jìn)水量不均，經(jīng)常造成球閥杠桿斷裂失控而溢水，有時(shí)兩個(gè)屋頂水箱用水量懸殊，使其中一個(gè)水箱斷水，影響住戶的用水環(huán)境。對此，我們結(jié)合大樓加層大修以及適應(yīng)大樓屋頂平面，對兩組不銹鋼屋頂水箱進(jìn)行重新設(shè)計(jì)布置，采用并聯(lián)式水箱組，且在兩組水箱之間安裝連通環(huán)流管(見圖1)，使兩組水箱蓄水互補(bǔ)，高程平衡，杜絕兩水箱組因進(jìn)、出水量差異產(chǎn)生的常見頑癥，斷、溢水事故。   屋頂水箱組平面位置   圖1　并列不銹鋼水箱組布置及生活給水連通環(huán)流管圖2.2　不銹鋼水箱組貯水量的計(jì)算2.2.1　計(jì)算本大樓給水總秒流量，確定屋頂水箱生活蓄水容積大樓加層改造后按兩個(gè)豎向分區(qū)供水，上區(qū)(3層～14層)屋頂水箱上行下給式供水，住戶數(shù)n為286戶，下區(qū)(地下室～2層)下行上給式市政管網(wǎng)直接供水。該高層住宅給排水、衛(wèi)生盥洗設(shè)施較為完善，核算戶用水當(dāng)量Ng為6.0N。上區(qū)用水總當(dāng)量：N∑＝Ng×n＝6.0×286＝1716（N）設(shè)計(jì)上區(qū)秒流總量：Qg＝α×0.2＋KN∑　(α取1.02,K取0.0045)根據(jù)建筑物類別性質(zhì)定Qg＝1.02×0.2×1716＋0.0045×＝16.17（L／s）。所以無調(diào)節(jié)貯水箱容積時(shí)，需求供水量為16.17L／s，即58.2m3／h。計(jì)算水箱生活蓄水最小容積Vt：Qgh為設(shè)計(jì)秒流量，折算為最高時(shí)需要量58.2m3／h；Qb為水泵輸出流量(在水泵Q～H特性曲線上查得中揚(yáng)程時(shí)輸出流量）23.8m3／h；T為設(shè)計(jì)秒流量的持續(xù)時(shí)間，按0.5h計(jì)算；Tb為水泵最短運(yùn)行時(shí)間，按0.25h計(jì)算。Vt＝(Qgh-Qb）×T＋Qb×TbVt＝（58.2-23.8）×0.5＋23.8×0.25＝23.2m3根據(jù)以上計(jì)算得屋頂水箱貯水容量Vt必須大于23.2m3。為安全供水，確保生活蓄水高程和擴(kuò)大液控調(diào)節(jié)范圍，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)Vt定為48m3為宜。2.2.2　消防自救蓄水容量的計(jì)算此建筑歸于二類高層建筑，室內(nèi)配備消火栓防火設(shè)施每股(50-19雙頭消火栓）系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量8L／s～10L／s，現(xiàn)配備3股系統(tǒng)，則其消防給水總量Qgx為30L／s。屋頂不銹鋼水箱組應(yīng)同時(shí)滿足儲(chǔ)存T初=10min的自救消防水量。則其貯水量：Vx＝Qgx×T初＝30×10×60／1000＝18(m3)依據(jù)消防規(guī)范當(dāng)室內(nèi)消防用水量超過25L／s，經(jīng)計(jì)算水箱消防貯水量超過18m3時(shí)，仍可采用18m3。在實(shí)際運(yùn)作中，按兩組6只水箱分布貯水，加之屋頂水箱與消防輸出管距箱底應(yīng)留有適當(dāng)距離，為保證消防設(shè)施硬件可靠，我們將每只水箱貯水量增加1m3，則確定消防自救貯水量為24m3。2.3　設(shè)計(jì)制作薄壁不銹鋼水箱的形體要求經(jīng)計(jì)算該建筑屋頂貯水箱總?cè)萘繛?2m3(生活48m3、消防24m3)，6只水箱分別貯水，每只水箱有效容量應(yīng)保證在12m3。鑒于水箱在外省市制作加工，水箱組總重僅3t，不難運(yùn)輸，但設(shè)計(jì)形體結(jié)構(gòu)必須符合交通運(yùn)輸、安裝和管理上需求，不然會(huì)帶來麻煩，我們以4t普通載重貨車為運(yùn)輸工具，為此設(shè)計(jì)單個(gè)水箱為圓柱形，直徑2.6m，總高2.8m，箱底呈0.05m拋面，上口人孔為1.2m(見圖2)。因考慮周全，雖然運(yùn)輸長途跋涉到現(xiàn)場安裝，但以后運(yùn)行管理，都沒出現(xiàn)任何麻煩。   圖2　不銹鋼水箱1箱體　2進(jìn)水管　3液控引入孔　4消防管5生活水管　6排污管　7人孔蓋8起吊環(huán)　9溢水管　10壓水加強(qiáng)筋3　薄壁不銹鋼屋頂水箱組的實(shí)效3.1　經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較薄壁不銹鋼水箱與砼結(jié)構(gòu)水箱及其他種類水箱相比較，目前大容積水箱單價(jià)：不銹鋼水箱0.2萬元／m3～0.25萬元／m3，奧金水箱0.25萬元／m3～0.30萬元／m3。若采用單個(gè)水箱貯水量36m3砼結(jié)構(gòu)水箱20萬元/只(建筑結(jié)構(gòu)部分計(jì)入)，有關(guān)主管部門指定選用的普通玻璃鋼水箱17萬元/只，而我們選用水箱組兩套造價(jià)僅為19.6萬元，顯而可見不銹鋼水箱的價(jià)格優(yōu)勢。3.2　安裝便捷，切換方便，保障供用水安全可靠不銹鋼水箱制作工廠化，自重輕，安裝便捷。這次設(shè)計(jì)容量為12m3，底部呈0.05m拋面，意在底板能夠獲得足夠的支承面，安裝時(shí)底部周邊范圍內(nèi)，用水泥砂漿或者細(xì)石砼鋪墊，可保證板與支承面接觸緊密。由于采用水箱組并聯(lián)供水，生活和消防蓄水兼容一水箱組，其中任一只水箱一旦需搶修、清洗時(shí)，另兩只水箱照樣維持供水，當(dāng)消防需要時(shí)，生活水也可補(bǔ)充消防用水，增加了供用水的安全可靠性。3.3　減少水質(zhì)二次污染機(jī)會(huì)在給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們特別注意到對消防蓄水的“死水”現(xiàn)象和水箱進(jìn)出水分層流動(dòng)“停滯區(qū)”的防治。屋頂水箱內(nèi)分區(qū)給水管制成虹吸裝置，進(jìn)出水管安裝平面位置有意參差分布，同時(shí)還將進(jìn)入箱體內(nèi)的管材改成UPVC管，防止銹蝕污染。水箱組又是圓柱并且立式安放，即便產(chǎn)生沉污，排污閥一開即可解決。實(shí)踐證明，這些措施到位，“死水”和“停滯區(qū)”現(xiàn)象消除，促進(jìn)了箱內(nèi)水體全方位流動(dòng)，加之不銹鋼水箱內(nèi)壁光滑，污垢、藻類等無法附著，又一污染環(huán)節(jié)被杜絕。兩年的運(yùn)行表明，箱底結(jié)垢(砂粒、粘土、有機(jī)質(zhì)等)比砼水箱顯著減少，水質(zhì)清純，住戶反映良好，改善了用水環(huán)境，為維護(hù)廣大百姓身體健康起到積極作用。4　應(yīng)該注意的幾個(gè)問題4.1　大噸位薄壁不銹鋼水箱運(yùn)輸、安裝過程必須謹(jǐn)慎細(xì)致大噸位水箱由于是“泡貨”，在運(yùn)輸?shù)跹b時(shí)更要注意不得碰撞，以防變形，使焊縫開裂，嚴(yán)禁重力敲打，萬一出現(xiàn)差錯(cuò)，現(xiàn)場很難修復(fù)；箱體管道連接時(shí)應(yīng)順螺紋緩緩旋緊；鑒于箱壁相對較薄，施工時(shí)管子鉗切勿用力過猛；管道連接處水箱內(nèi)應(yīng)襯以加強(qiáng)板保護(hù)，提高接頭強(qiáng)度。箱體寬度、高度設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮公路、隧道、橋涵等汽車運(yùn)輸所允許的技術(shù)規(guī)范。4.2　避雷設(shè)計(jì)方式和計(jì)算因不銹鋼水箱組在高層建筑的最高、最突出位置，對其避雷設(shè)施，以預(yù)防直接雷為主，采用避雷針和避雷網(wǎng)帶相結(jié)合的防雷保護(hù)裝置，避雷帶可沿水箱組上口邊緣敷設(shè)，與建筑物避雷帶相連接。有效的避雷針裝置對直接雷放電靈敏，可安全地將雷電符導(dǎo)入大地，避雷針可安裝在不銹鋼水箱組居中位置，引下線沿建筑物的屋頂和墻壁敷設(shè)，直接與避雷接地裝置可靠連接，避雷針設(shè)計(jì)技術(shù)條件高度，保護(hù)范圍，制作要求如圖3所示。   圖3　屋頂不銹鋼水箱組避雷針設(shè)計(jì)計(jì)算圖4.3　水箱組防凍保溫措施高層住宅建筑用水狀況區(qū)別于一般多層住宅，住戶多，人口集中，日用水周期長，因此水箱內(nèi)水體全日保持流動(dòng)狀態(tài)。即使處于隆冬臘月，也未曾有結(jié)冰現(xiàn)象。1990年底上海突遇百年未遇的寒流襲擊，我們管理的40余幢高層建筑發(fā)生90余處管道嚴(yán)重凍裂事故均發(fā)生在消防管道系統(tǒng)，－問題是出在“死水”。但這次不銹鋼水箱組未采取保溫措施，使用兩年來，也經(jīng)歷了最低氣溫-8℃考驗(yàn)，安然無恙?？紤]到留有余地，我們安裝時(shí)兩水箱間空出20cm間距，便于物業(yè)管理部門再做防凍保溫措施。管理、檢修安全問題在運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)利用液位控制器進(jìn)行水位自動(dòng)控制較為理想，但浮球繩與水箱壁極易磨損，影響控制效果，所以在繩子穿越箱壁時(shí)，中間應(yīng)加護(hù)圍保護(hù)。由于不銹鋼水箱用材厚度較薄，為了便于管理人員巡視檢修，應(yīng)專門設(shè)置鋁合金爬梯。對于頂部人孔防護(hù)蓋，應(yīng)做到固定牢靠，開關(guān)方便，以防大風(fēng)和其他原因丟失。