该项目位于上海市临港开发区, 由高位水箱、下部支筒及基础组成 (图1) 。高位水箱有效容量为1 000m³, 平面尺寸为18m×18m, 高度为6m, 塔顶标高为45m (图2) ;下部支筒为钢筋混凝土方筒结构, 平面尺寸为8m×8m, 沿竖向每7m设置一层横隔板;设有1层地下室, 作为设备层, 层高3m。基础采用桩筏基础, 筏板厚1.5m, 埋深4.5m。

　　 建设地点抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度值为0.1g, 地震影响系数α_max为0.08, 设计地震分组为第二组, 场地类别为Ⅳ类, 特征周期为0.9s, 抗震设防类别为标准设防类 (丙类) 。基本风压w₀为0.55 k N/m²;地面粗糙度类别为A类。结构的设计使用年限为50年;建筑结构的安全等级为二级。

　　 该水塔有如下特点:1) 水箱容量大, 储水量1 000m³是常规生活用水箱50~300m³的3~20倍;2) 高度高, 水塔顶标高45m;3) 工艺要求出水口高度不低于39m, 导致水箱高度受限, 需做成宽扁型, 且有较大悬挑;4) 工艺要求高位水箱有两个独立分区, 每个分区可以单独存水;5) 该水塔为工业用水塔, 进出水速度要求比生活水箱快得多, 导致进出水管直径比较常规水塔大很多;6) 工程紧邻海岸线, 海风对结构腐蚀性大;7) 该水塔为开发区标志性构筑物, 造型要求有特色、美观大方。

　　 目前国内常用的高位水箱形式有圆柱壳水箱、英兹式水箱、倒锥壳水箱和球形水箱几种。一般容量不大于500m³时可采用圆柱壳水箱或者英兹式水箱, 容量不大于200m³时可采用球形水箱, 容量50~300m³时可采用倒锥壳水箱^[1], 其中倒锥壳水箱外形美观、材料节省, 应用最多, 有国家标准图可以直接采用。

　　 从材料上区分, 有钢水塔和钢筋混凝土水塔, 钢水塔造型新颖美观、质量轻、施工快、抗震性能好, 但钢材抗腐蚀性能差, 维护困难, 使用较少, 工程中以钢筋混凝土水塔居多。由于近海腐蚀, 钢筋混凝土结构比较符合要求。为了体现混凝土结构的特色, 并减少后期维护费用, 水塔支筒及水箱池壁外侧均采用清水混凝土。

　　 建筑工程应遵循建筑形体美观与结构抗震安全相统一的设计思想^[2]。建设单位提出该标志性构筑物应独具特色。圆柱壳水箱侧壁受力好, 但外形很常见, 特色性不强。建筑与结构专业经过多种方案比较后, 认为本工程采用扁平的箱形水箱比较好, 使用上能够满足工艺要求, 通过水箱底部增设斜挂板、外池壁上下倒角、支筒及水箱四角做凹槽等建筑修饰手法, 最终形成了一个“有棱有角”的独特水塔造型。

　　 对这一新颖的水塔, 如何实现高位水箱与下部支筒的连接, 比较了3种结构托举形式:厚板式、挑梁式、九宫格式。

　　 厚板式 (图3) 是直接利用水箱底板作一块厚板进行转换, 该方案厚板受力直接, 对防水有利, 但高位厚板转换的缺点是重量大、地震反应也大。

　　 挑梁式 (图4) 是从支筒四角挑出大梁, 同时利用挂板设置斜梁, 形成三角形支撑结构, 从而大大减小底板厚度。缺点是水箱在自重及水荷载作用下, 斜梁受压、水箱混凝土底板受拉, 材料的性能没有得到充分利用, 还容易出现裂缝造成漏水, 另外, 地震荷载作用下水箱受力会很复杂。

　　 九宫格式 (图5) 是从支筒四角伸出水箱内隔壁, 利用内隔壁与水箱底板和顶板形成悬臂深梁结构, 托举整个水箱。水箱内隔壁不但是悬臂深梁的腹板, 同时将水箱分为九个区格, 四周八个区格蓄水, 区格之间设600×1 000 (高) 过水孔连通形成两个大的储水箱;中央一个区格作为设备间;现浇混凝土斜挂板仅作为装饰构件。九宫格水箱在自重及水荷载作用下, 水箱顶板受拉、底板受压, 对抑制混凝土裂缝开展、防止渗漏非常有利;水箱外壁每隔6m有内隔壁拉结, 受力可靠;水箱需要清理维修时, 可以分区进行, 不影响生产;对于清水混凝土, 外表平直的池壁比圆弧形或者球形池壁容易施工。因此, 最终选择九宫格箱形水箱作为工程实施方案。

　　 本工程水箱外壁厚400mm, 作为悬臂深梁的内隔壁厚350mm, 底板厚300mm、顶板厚150mm, 混凝土采用C35P6。为提高其耐久性, 混凝土中掺加纤维抗裂剂;水箱外壁外侧钢筋保护层厚度为50mm, 顶板外侧厚度为40mm, 且保护层内增设6@150×150防裂钢筋网片。工程设计取得了以下效果:

　　 (1) 从使用效果看, 多区格水箱无论是清洗还是维修, 均可以保证连续供水, 不会影响生产与生活。这是常规倒锥壳水箱和球形水箱无法满足的。

　　 (2) 由表1可以看出, 本工程水箱底板厚为300mm, 外壁为400mm, 而常规50~200m³倒锥壳水箱的底板厚度只有120~160mm, 从防水和耐久性看, 由于水箱壁厚增加很多, 并加大保护层厚度, 将使防水效果和耐久性更好。这一特点对近海及工业腐蚀严重地区的水塔非常重要。本工程水箱壁厚较大, 主要是受以下3个方面因素影响:水箱容量大;靠近大海、大气腐蚀性强, 适当加大了水箱池壁厚度;外表采用清水混凝土, 保护层厚度比普通混凝土大。

　　 (3) 由表1可见, 按每立方水需要耗混凝土用量计算, 与国家标准图^[3,4]水箱进行对比, 本工程1 000m³九宫格式箱形比50m³倒锥壳水箱低, 比100~200m³倒锥壳水箱略高。本工程采用清水混凝土可以节省抹灰的造价;如果与多个小型水塔单独建设相比, 本工程大型水塔可以减少基础和塔身造价, 同时节省建设用地, 综合效益是非常显著的。

　　 由于支筒内管道直径大, 维修需要布置斜钢梯;另外还要求水箱左右两个分区可以一侧满水、另一层空水, 因此支筒截面采用8m×8m方形混凝土支筒结构, 基础顶~14.0m标高处的壁厚400mm, 14.0~28.0m标高处的壁厚350mm, 28.0~39.0m标高处的壁厚300mm, 39.0~45.0m兼作水箱内壁, 壁厚350mm;沿竖向每隔7m设一层120mm厚的内隔板;混凝土强度等级采用C35。支筒四角建筑有400×400切口造型, 采用“L”形转角柱加强 (图6) 。

　　 支筒北侧有1 200×2 750 (高) 门洞, 洞边设门框柱并配置加强筋 (图7) , 门框柱内的加强筋截面积不少于被切断竖向钢筋截面积的1.5倍;洞顶设暗梁, 梁纵筋锚入支筒转角柱内。为减小支筒扭转, 在南侧对称位置设同样大小的构造墙洞, 在外层设100mm厚板, 配筋8@150×150与外墙钢筋搭接150mm, 以保证立面的清水混凝土效果。

　　 水塔整体采用PKPM V3.1进行计算, 并采用YJK1.8进行复核, 主要计算结果见表2, 3。其中总重量为水塔自重与水重之和。钢筋混凝土的容重为25k N/m³, 水容重为10k N/m³。根据文献[3]第9.1.5节要求, 应考虑水塔上满水和无水两种工况;应分别按正向和对角线方向进行验算。另外本工程还存在水箱一半有水、一半没水的工况, 因此整体按满水、半箱水、无水三种工况分别计算, 并考虑45°对角线方向地震作用。

　　 计算结果表明:1) 水塔主要以X, Y向水平振动为主, 扭转影响较小;2) 在半箱水、无水的情况下, 水塔自振周期比满水分别减小8.0%, 17.8%, 支筒底部弯矩比满水分别减小5.8%, 18.7%, 地震作用下满水工况起控制作用;3) 风荷载作用下支筒底部弯矩为地震作用时的26%, 不起控制作用。4) 风荷载和地震作用下结构位移均满足文献[5]要求。

　　 另外, 考虑45°角方向地震作用, 计算结果与X, Y主方向结果基本相同。

　　 水塔属于典型的单质点振动, 但本工程水箱容量大、塔身高, 因此再补充弹性时程分析。根据抗震规范要求, 弹性时程分析时每条时程曲线计算所得结构基底剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%、不大于135%;多条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%、不大于120%。计算选取5条天然波 (SHW4, SHW5, SHW7, TH026TG90, TH0005TG90) 及2条人工波 (RH1TG90, RH3TG90) , 计算结果见表4。由表4可知, 弹性时程计算的顶点位移、基底弯矩等各项指标比振型分解反应谱法 (CQC法) 计算结果都小, 因此按CQC法结果进行设计。

　　 一般水塔设计主要进行承载力验算, 对风荷载及地震作用下位移要求非常宽松, 也没有抗震等级的构造加强措施^[1,5,6]。但是, 本工程水箱容量大、高度高;X, Y向结构自振周期约为1s, 与场地特征周期0.9s非常接近, 极易发生低阶共振;下部紧邻重要厂房, 如按一般构筑物要求进行抗震设计, 一旦发生地震破坏将造成巨大损失;水塔属于单质点构筑物, 结构冗余度少, 因此应适当加强。结构设计采取的抗震措施有:

　　 (1) 水塔支筒参照剪力墙进行构造设计^[2]:支筒墙体从基础顶~28.00m范围内, 抗震等级为一级, 构造措施按特一级构造;墙体28.0~39.0m范围内, 抗震等级为二级, 构造措施按一级考虑。水箱外壁及内隔壁按规范要求可不进行抗震验算^[5], 本工程参照三级抗震等级构造进行设计。

　　 (2) 水塔支筒从基础顶~28.0m范围, 按中震不屈服进行补充验算, 在四角柱内增设型钢, 使中震下墙肢在扣除型钢承受拉力后的混凝土拉应力不大于1.5f_tk^[7]。

　　 (3) 水箱中水的晃动对结构的地震效应有明显的减震作用^[8]。由文献[9]选择的地震波计算结果可知, 其地震作用减少了16%~49%。本工程九宫格水箱外围的八个区格储水, 受力比单体倒锥壳水箱要复杂得多, 结构设计偏于安全地不考虑水晃动的有利影响。

　　 对于水箱外壁、底板及顶板, 依据文献[1]进行计算设计, 且满足配筋率不小于0.4%。水箱内隔壁不单是水箱池壁, 也是支承水箱的悬臂深梁, 因此应按深梁进行受弯及受剪计算和设计。内隔壁板底处设450×800加强梁、板顶处设700×300加强梁, 且在墙顶部1m范围设加强水平钢筋 (图8) 。水箱外壁底部及顶部同样采取加强措施。

　　 根据地勘报告, 场地土从上到下依次为: (1) 层冲填土, (1) ₃淤泥质粉质黏土层, (2) _3a质粉土层, (2) _3b淤泥质黏土层, (4) 粉砂夹砂质粉土层, (5) 粉质黏土层, (6) 粉质黏土层, (7) ₁粉砂层, (7) ₂细砂层。场地内部地下水属潜水类型, 本次勘察地下水稳定水位埋深在0.3~0.8m之间。基础采用直径700mm钻孔灌注桩, 桩长33m, 桩端持力层为 (7) ₂层细砂层, 单桩承载力特征值为:竖向抗压R_a为2 000k N, 抗拔R_b为1 200k N。桩间距按3倍桩径布置 (图9 (a) ) 。

　　 经计算, X, Y向地震作用下基桩最大压力为2 574 k N, 小于1.2×1.2 R_a=2 880 k N, 满足要求。对角线O-O轴方向, 基桩最大压力为2 965k N, 大于2 880k N, 不满足要求。于是将筏板扩大, 将桩中心间距由2.1m改为3.4m, 基桩尽量布置在筏板四角 (图9 (b) ) , 再次核算对角线O-O轴方向地震作用, 基桩最大压力为2 857k N, 小于2 880k N, 满足要求。

　　 (1) 九宫格箱形水箱不但可以使多种水质共用一个水塔, 而且可以保证清理维修时, 供水不间断, 值得推广使用。

　　 (2) 九宫格箱形水箱为悬臂深梁结构, 在自重及水荷载下底板受压, 对抑制混凝土开裂有利, 且易于施工, 是一种新型合理的水箱形式。

　　 (3) 对于近海重腐蚀构筑物, 采用清水混凝土饰面并加厚混凝土保护层, 是一种可行的有效方法。

　　 (4) 本工程地震作用下, 满水工况比半箱水、无水工况自振周期长, 但地震力大, 起控制作用。

　　 (5) 对于重要的大型水塔, 宜适当加强支筒底部的抗震性能, 以确保结构的总体安全。

　　 (6) 方形桩筏基础在抗震承载力验算时, 基桩在对角线方向比正向更为不利, 设计时须进行单独核算。对于类似结构, 设计者应高度注意。

　　 目前本水塔已注水投入使用, 没有渗水漏水现象发生, 外形独特, 反映良好。