復(fù)雜組合水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思考分析范文
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摘要：隨著污水處理廠的大量新建和提標(biāo)升級(jí)，復(fù)雜組合水池結(jié)構(gòu)日益增多。文中結(jié)合實(shí)際組合水池案例，介紹了復(fù)雜雙層組合水池進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型計(jì)算的過(guò)程，為類(lèi)似項(xiàng)目提供參考。
關(guān)鍵詞：組合水池；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元
0引言
傳統(tǒng)的污水處理廠構(gòu)筑物功能較為單一，單個(gè)水池通常僅具備一項(xiàng)功能，且占地面積大，對(duì)土地資源浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著社會(huì)的發(fā)展，土地資源的緊張，復(fù)雜組合水池由于其占地面積小、使用功能多、單位噸數(shù)所需要的建設(shè)投資少等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地出現(xiàn)在污水處理廠建設(shè)過(guò)程中。對(duì)于超大超高、組合復(fù)雜的水池，傳統(tǒng)的板殼計(jì)算方法已經(jīng)難以滿足需求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)探索新的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的不足，全面優(yōu)化水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［1］。文中結(jié)合工程案例，對(duì)復(fù)雜組合水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，希望對(duì)類(lèi)似項(xiàng)目提供一定的參考。
1工程概況
本工程位于安徽省蕪湖市北部，為某污水廠提標(biāo)改造項(xiàng)目中的單體——濾池。工程場(chǎng)地的主要土層從上到下依次為：①層雜填土、②層粉質(zhì)粘土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土、④層粉砂夾粉土、⑤層粉細(xì)砂、⑥層粉質(zhì)粘土，靜止水位埋深0.8~1.4m，抗浮設(shè)計(jì)水位為地面下0.5m。該單體平面尺寸為46.40m×32.30m，埋深約5m，主體結(jié)構(gòu)由清水池、反沖洗水池及10格濾池，中部負(fù)一層管廊，中部上層過(guò)水渠道組成。本工程擬建場(chǎng)地20m以?xún)?nèi)土層等效剪切波速小于150m/s，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，擬建場(chǎng)地20m范圍內(nèi)場(chǎng)地土類(lèi)型屬軟弱場(chǎng)地土，同時(shí)根據(jù)本次詳勘揭露地層資料及地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，擬建場(chǎng)地覆蓋層厚度為15~80m，綜合確定建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，為建筑抗震不利地段，當(dāng)無(wú)法避開(kāi)時(shí)，應(yīng)采取有效措施。擬建勘察場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，特征周期為0.45s。
2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
本單體基礎(chǔ)坐落于③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土層上，地基承載力僅65kPa，未經(jīng)處理不可作為持力層。經(jīng)過(guò)手工試算，本單體地基承載力需達(dá)到160kPa左右方可滿足要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本單體基礎(chǔ)方案主要有：水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁和預(yù)應(yīng)力空心方樁三種。水泥攪拌樁是一種常見(jiàn)的復(fù)合地基處理方法，具有工期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但水泥攪拌樁也存在著成樁質(zhì)量較難得到保證，沉降較大的缺點(diǎn)。本單體由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，完工后不具備重大維護(hù)的條件，因此不考慮采用水泥攪拌樁的方案。預(yù)應(yīng)力管樁和預(yù)應(yīng)力空心方樁同屬于預(yù)應(yīng)力樁，我們選取其中ZK23勘察點(diǎn)位進(jìn)行分析，土層分布及參數(shù)如表1所示。考慮到本工程可選樁端持力層的端阻均不大，荷載主要有樁側(cè)阻力來(lái)承受，因此按樁周長(zhǎng)相近的原則選取PHS-AB350空心方樁與PHC-AB400管樁進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比參數(shù)見(jiàn)表2。從上表來(lái)看，350空心方樁與400管樁混凝土用量相近，豎向地基承載力也相近。預(yù)制樁均屬于擠土樁，由于350空心方樁樁徑較小，擠土效應(yīng)遠(yuǎn)小于管樁，且樁基持力層為⑤粉細(xì)砂層，同時(shí)需要穿過(guò)粉砂夾粉土層，故樁間距最小應(yīng)取4.0d，方樁最小樁間距為1400mm，管樁最小樁間距為1600mm。本單體面積較大，預(yù)估總樁數(shù)約500根，同時(shí)考慮分區(qū)布置的問(wèn)題，最終考慮采用PHS-AB350空心方樁。
3主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1池壁設(shè)計(jì)
本單體為多格水池，根據(jù)《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》［2］，需要考慮工藝運(yùn)行和檢修的需要及使用中存在各種放空情況，其組合數(shù)量眾多，需要對(duì)支座彎矩、跨中彎矩和軸力的極值進(jìn)行計(jì)算。傳統(tǒng)板殼計(jì)算方法是將每一塊池壁分隔開(kāi)來(lái)，視為三邊固定、頂端自由、鉸接或固定的單塊板進(jìn)行計(jì)算，再將計(jì)算所得的不平衡彎矩進(jìn)行調(diào)整。手冊(cè)同時(shí)提供了另一種算法：綜合系數(shù)法，該算法根據(jù)查詢(xún)已有的綜合系數(shù)表，直接計(jì)算各個(gè)池壁的最大彎矩。水池格數(shù)較少時(shí)，以上兩種算法使用起來(lái)較為簡(jiǎn)單。對(duì)于本單體而言，如對(duì)每塊池壁在每種條件下單獨(dú)計(jì)算，則計(jì)算量太大，因此設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用有限元設(shè)計(jì)軟件對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行整體建模計(jì)算。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于雙向受力的水池池壁，壁厚一般取使用期間最高運(yùn)行水位的1/12~1/15。池壁太薄導(dǎo)致整體含鋼量增加的同時(shí)，存在無(wú)法滿足角隅區(qū)域混凝土抗裂度的可能，池壁太厚則既不經(jīng)濟(jì)也會(huì)使溫度效應(yīng)增強(qiáng)，不利于控制結(jié)構(gòu)裂縫。本工程最高運(yùn)行水位6.9m，由于濾池工藝設(shè)計(jì)為上向流曝氣，按水位存在超高0.3m計(jì)算，同時(shí)濾池中堆積了大量填料，填料在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期間長(zhǎng)期存在，需考慮其對(duì)池壁的作用，因此設(shè)計(jì)時(shí)池壁厚度取550mm或600mm。本工程工藝采用陶粒填料，堆積密度按10kg/m3取值偏于安全。填料總高度為4.3m，對(duì)側(cè)壁的作用參考主動(dòng)土壓力的計(jì)算方法，主動(dòng)土壓力系數(shù)取1/3，計(jì)算可得，陶粒對(duì)側(cè)池壁的三角形分布荷載最大值為14.3kPa。池體為半地下式水池，地上3.55m，地下4.07m，根據(jù)水池規(guī)程，應(yīng)考慮溫濕度效應(yīng)對(duì)池壁的影響。根據(jù)民用熱工規(guī)范，蕪湖地區(qū)最冷月氣溫為3.1℃，經(jīng)過(guò)計(jì)算Δt=10.25℃。濕度當(dāng)量溫差按10℃取值，綜合溫濕度左右影響，模型中溫度梯度荷載可按10.25×0.65=6.67℃加載于池內(nèi)滿水工況下的池壁上，方向應(yīng)由內(nèi)至外。通過(guò)對(duì)單體建立整體有限元模型（圖2）進(jìn)行計(jì)算，選取其中一格濾池的計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行分析。表3、表4分別為濾池外側(cè)池壁、內(nèi)隔墻的有限元受力分析結(jié)果。從表3的結(jié)果來(lái)看，考慮溫度效應(yīng)工況時(shí)地面以上和以下部分池壁的受力狀況差異明顯，地上水平跨中彎矩遠(yuǎn)大于地下跨中，兩者又均大于不考慮溫度時(shí)的彎矩；而水平拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于不考慮溫度的工況。池壁水平方向配筋一般按偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)池壁所受力為壓力時(shí)，按受彎構(gòu)件計(jì)算。由于軸力和彎矩在不同工況和位置差距極大，按單一方式配筋，不具有經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)當(dāng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)是否考慮溫度效應(yīng)去包絡(luò)進(jìn)行配筋，實(shí)際配筋采用分段方式，地面標(biāo)高下方500mm以上部分采用通長(zhǎng)C18@150鋼筋，以下部分采用通長(zhǎng)C16@150鋼筋，轉(zhuǎn)角部分附加C16@150鋼筋。通過(guò)與工藝專(zhuān)業(yè)溝通得知，后期運(yùn)行中存在放空單格濾池更換濾料的情況，因此對(duì)于內(nèi)隔墻進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)考慮一格放空，相鄰濾池滿水滿填料的同時(shí)，不考慮池壁溫度效應(yīng)的工況。從表4的結(jié)果來(lái)看，由于考慮了水和填料對(duì)池壁的荷載作用，彎矩和軸力較一般水池更大，但是應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同。因此配筋與正常水池池壁類(lèi)似，水平向采用通長(zhǎng)C18@150鋼筋，轉(zhuǎn)角部分附加C16@150鋼筋，豎向采用通長(zhǎng)C16@150鋼筋，根部附加C18@150鋼筋。
3.2管廊頂板設(shè)計(jì)
本單體中部上層設(shè)計(jì)有過(guò)水渠的管廊，考慮上部過(guò)水渠池壁較高同時(shí)有約2m高的水頭，設(shè)計(jì)方案考慮：頂板板厚為300mm，板下設(shè)兩排立柱，縱向沿池壁底部設(shè)置通常的多跨主梁（300mm×500mm）；在橫向根據(jù)過(guò)水渠和通風(fēng)井的池壁位置，設(shè)置間距為2~3m的主梁（450mm×700mm/300mm×600mm）。對(duì)于這類(lèi)厚板結(jié)構(gòu)，通常采用彈性板6在盈建科中建模進(jìn)行計(jì)算分析。彈性板6采用殼單元真實(shí)地計(jì)算樓板的面內(nèi)剛度和面外剛度，是理論上最符合樓板實(shí)際情況的計(jì)算模型，非常適用于無(wú)梁樓蓋、厚板轉(zhuǎn)換、板柱結(jié)構(gòu)。管廊上層設(shè)計(jì)有由多面池壁組成的過(guò)水渠和通風(fēng)井，在梁的位置選擇上將部分主梁布置于池壁下方，讓池壁的荷載由梁來(lái)主要承擔(dān)，使得整體受力的傳遞更加簡(jiǎn)單清晰。在模型前處理中，將上部有池壁的梁定義為框支梁，連接的柱定義為框支柱，框支梁柱的抗震等級(jí)根據(jù)抗規(guī)要求定義為二級(jí)，非框支梁定義為三級(jí)。通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行整體建模分析，可以較為便捷而且準(zhǔn)確地得到管廊部分梁板柱的受力情況和配筋選擇。需要注意的是，在建模過(guò)程中，管廊受到兩側(cè)濾池對(duì)壁板側(cè)向的壓力，管廊頂板與壁板的連接應(yīng)為固接，在建模分析的過(guò)程中必須考慮這些因素，否則將影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性［3］。
3.3防水防腐設(shè)計(jì)
水處理構(gòu)筑物在使用階段受到的腐蝕比較嚴(yán)重，如果停水對(duì)防護(hù)層進(jìn)行維修或修復(fù)，會(huì)影響污水廠的正常運(yùn)營(yíng)，這就要求選擇便于施工、使用年限長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性好的防水防腐材料。根據(jù)GB/T50046-2018《工業(yè)防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)》［4］，生活污水的腐蝕性等級(jí)取中可滿足要求。常用的材料主要有：聚合物水泥砂漿、滲透型混凝土保護(hù)劑、JRK三防一體化彈性防水防腐涂料、多點(diǎn)錨固PE板等。本單體采用S型JRK三防一體化彈性防水防腐涂料，要求產(chǎn)品使用年限不小于11年。它是以硅膠乳液為主要基料的一種環(huán)保涂料，無(wú)毒、無(wú)味；在干、濕混凝土基層上均可施工；可以滲入基層，封堵混凝土表面的微細(xì)裂紋，增加抗?jié)B漏腐蝕效果；具有現(xiàn)場(chǎng)施工便捷、無(wú)需添加其他材料等眾多優(yōu)點(diǎn)。
4結(jié)語(yǔ)
隨著對(duì)環(huán)保要求的逐步提高和土地資源的日益緊張，復(fù)雜組合水池將成為污水處理廠建設(shè)中常見(jiàn)的選擇，復(fù)雜水池設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先應(yīng)領(lǐng)會(huì)工藝流程思路，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)形式和布局，建立整體模型，然后根據(jù)不同功能區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、安全性和可實(shí)施性的最優(yōu)解。
作者：谷昊偉 單位：中節(jié)能?chē)?guó)禎環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>
