60張工文-大型污水處理池預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)

1、中國預(yù)應(yīng)力技術(shù)五十年暨第九屆后張預(yù)應(yīng)力學(xué)術(shù)交流會論文 2006年大型污水處理池預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)張工文1 劉航2 李晨光2（1、中國紡織工業(yè)設(shè)計院，北京1000371；北京市建筑工程研究院，北京100039）提 要 介紹了某大型污水處理工程中預(yù)應(yīng)力水池的結(jié)構(gòu)方案和預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)，并進一步探討了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在大型水池中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞 水池，預(yù)應(yīng)力，防腐蝕錨具，施工1 工程概況某大型污水處理項目包含多個大型矩形水池，如事故調(diào)節(jié)池（70.46m×79.38m×8.08m）、射流曝氣池(32m×80m×9m)、UASB厭氧池(20m×68m×9.5

2、m)等，這些水池由于體型巨大，且貯水水位較高，在使用荷載下較易出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致滲漏。為防止池壁、池底混凝土在水壓力、水溫度的作用下出現(xiàn)裂縫，在池壁、池底中配置了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，在拉梁中配置了有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。該工程主要用于污水處理，屬于二、三類環(huán)境，采用了L&L全封閉防腐蝕錨具，另外，由于采用了不同的結(jié)構(gòu)方案，各水池的預(yù)應(yīng)力筋布置各不相同，本文介紹了各水池的預(yù)應(yīng)力施工特點。2 結(jié)構(gòu)方案2.1事故調(diào)節(jié)池圖1 事故調(diào)節(jié)池平面尺寸示意該工程事故調(diào)節(jié)池平面布置如圖1所示。從圖1可以看出，該事故調(diào)節(jié)池由三個連體水池組成，每個水池的軸線長度均為70.46m，寬度分別為23.46m、23.46m、32.

3、46m。事故調(diào)節(jié)池池底上表面到池壁頂高度為8.08m，滿貯水時，最高水位為7.6m。地基為素土強夯。由于為事故調(diào)節(jié)池，結(jié)構(gòu)除承受水壓力外，還將承受80-90高溫水所帶來的溫度作用?？梢钥闯?，如采用常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在上述水壓力和溫度作用下，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的內(nèi)力，導(dǎo)致池體開裂。為提高水池的抗裂能力，應(yīng)主要從兩個方面采取措施：一方面是結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化，即通過采用合理的池壁和池底厚度等方法，減小結(jié)構(gòu)所承受的拉應(yīng)力；另一方面是通過采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，對受拉截面施加預(yù)壓作用，從而減小結(jié)構(gòu)所承受的拉應(yīng)力。這兩種措施可以相互配合采用，以達到最佳的使用性能。確定采用的結(jié)構(gòu)方案平面布置如圖2所示，池底采用變截面設(shè)計

4、，中間薄，兩邊厚，池底 最薄部位厚300mm，最厚部位厚1000mm?？紤]到池壁截面應(yīng)力自下而上迅速減小，采用變截面池壁，池壁根部厚900mm，頂部厚300mm，僅在池2頂部設(shè)置短方向的拉梁。a池底變截面布置 b池頂拉梁布置圖2 事故調(diào)節(jié)池結(jié)構(gòu)布置2.2 UASB厭氧池UASB厭氧池結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。圖3 UASB厭氧池結(jié)構(gòu)平面布置UASB厭氧池池底上表面到池壁頂高度為9.5m，滿貯水時，最高水位達8.6m。從圖3中可以看出，UASB厭氧池是由兩個連體水池組成，每個水池的平面尺寸為34.58m×20.14m，采用了扶壁柱、拉梁的結(jié)構(gòu)方案。除了在池壁上設(shè)置扶壁柱外，池內(nèi)也等間距設(shè)

5、置了結(jié)構(gòu)柱，拉梁位于池壁中部，而不是池頂，這一方面是由工藝要求確定的，同時也改善了整個池體的受力性能，扶壁柱和拉梁的三維示意圖見圖4。經(jīng)有限元優(yōu)化分析后確定的池壁厚度為350mm。該池地基也為素土強夯，池底采用等截面設(shè)計，厚度680mm。圖4 UASB厭氧池扶壁柱和拉梁布置示意2.3 射流曝氣池射流曝氣池結(jié)構(gòu)平面布置見圖5。圖5 射流曝氣池結(jié)構(gòu)平面射流曝氣池池底上表面到池壁頂高度為9.02m，滿貯水時，水位高度為8.0m。從圖5可以看出，該射流曝氣池由兩個連體水池組成，每個水池的軸線長度均為80.14m，寬度為16.35m。為改善結(jié)構(gòu)的受力性能，射流曝氣池也采用了扶壁柱、拉梁的結(jié)構(gòu)方案，與UA

6、SB厭氧池不同，射流曝氣池采用雙層拉梁方案，如圖6所示。經(jīng)有限元優(yōu)化后，邊池壁厚度為350mm，中池壁厚度為500mm。該池地基也為素土強夯，池底采用等截面設(shè)計，厚度580mm。圖6 射流曝氣池扶壁柱和拉梁示意3 預(yù)應(yīng)力筋的布置本工程抗裂控制等級為一級，即在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力：為實現(xiàn)上述抗裂控制要求，首先用ANSYS有限元分析軟件對各水池按活荷載不利組合進行了內(nèi)力和變形分析，根據(jù)荷載短期效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下有限元分析結(jié)果計算出的最大拉應(yīng)力計算所需預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量，非預(yù)應(yīng)力筋按承載力驗算確定。預(yù)應(yīng)力筋的曲線形狀按有限元分析得到的應(yīng)力或彎矩分布圖布置，池底由于拉應(yīng)力較小，且在不同工況作用

7、下可能出現(xiàn)反向受力情況，池底預(yù)應(yīng)力筋采用直線布置；對于可能承受正反兩方向的中池壁及中池壁上的扶壁柱，也采用對稱直線布置預(yù)應(yīng)力筋。事故調(diào)節(jié)池的邊池壁預(yù)應(yīng)力筋布置見圖7。圖7 事故調(diào)節(jié)池邊池壁預(yù)應(yīng)力筋布置 由圖7可見，對于事故調(diào)節(jié)池的邊池壁，其豎向應(yīng)力主要為內(nèi)側(cè)受拉，且隨高度逐漸減小，因此預(yù)應(yīng)力筋貼池壁內(nèi)側(cè)布置，到池頂趨于中心線；水平應(yīng)力的分布則較豎向應(yīng)力有較大不同，對于短池壁而言，跨中部位池壁外側(cè)受拉，支座部位內(nèi)側(cè)受拉，因此預(yù)應(yīng)力筋采用了拋物線形狀布置；對于長池壁，支座內(nèi)側(cè)受拉，而離開支座一定距離后，水平方向基本沒有拉應(yīng)力，因此采用了圖示的預(yù)應(yīng)力筋布置方式。圖8為UASB厭氧池邊池壁的預(yù)應(yīng)力筋布

8、置。圖8 UASB厭氧池邊池壁預(yù)應(yīng)力筋布置由圖8可見，對于UASB厭氧池的邊池壁，其豎向應(yīng)力分布主要呈現(xiàn)池壁根部內(nèi)側(cè)受拉，中部外側(cè)受拉，頂部應(yīng)力很小的特點，因此豎向預(yù)應(yīng)力筋采用了拋物線與直線相接的布置方式，以盡可能符合其拉應(yīng)力分布；由于長池壁和短池壁均設(shè)置了扶壁柱，水平應(yīng)力的分布基本相同，即跨中部位池壁外側(cè)受拉，支座部位內(nèi)側(cè)受拉，因此預(yù)應(yīng)力筋采用了拋物線形狀布置。對于射流曝氣池的邊池壁，其豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力分布與UASB厭氧池基本相同，即跨中部位池壁外側(cè)受拉，支座部位內(nèi)側(cè)受拉，因此預(yù)應(yīng)力筋采用了拋物線形狀布置。4 預(yù)應(yīng)力筋的施工4.1全封閉防腐蝕錨具圖9 L&L全封閉防腐蝕群錨構(gòu)造由于

9、該工程屬污水處理工程，且位于江邊，對防腐蝕的要求較高，為進一步提高預(yù)應(yīng)力筋的防腐蝕性能，設(shè)計采用了L&L系列全封閉防腐蝕錨具，該錨具的應(yīng)用使預(yù)應(yīng)力筋又多了兩道防線。L&L系列全封閉防腐蝕群錨的構(gòu)造如圖9所示。單根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉端錨具構(gòu)造如圖10所示。封端罩圖10 單根無粘結(jié)張拉端構(gòu)造4.2 預(yù)應(yīng)力筋的鋪設(shè)預(yù)應(yīng)力筋的鋪設(shè)與非預(yù)應(yīng)力鋼筋的綁扎同步進行，對于上述水池，由于池底、池壁、拉梁、扶壁柱等構(gòu)件中均要施加預(yù)應(yīng)力，在鋪設(shè)預(yù)應(yīng)力筋時，配合土建施工順序，按先底板，后池壁和扶壁柱，最后拉梁的順序進行預(yù)應(yīng)力筋鋪設(shè)，曲線預(yù)應(yīng)力筋的定位按固定馬凳或定位鋼筋實現(xiàn)。直線預(yù)應(yīng)力筋利用非預(yù)應(yīng)力鋼

10、筋進行固定。池壁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋定位示意圖如圖11所示。圖11 池壁預(yù)應(yīng)力筋鋪放示意圖另外，為保證池頂標(biāo)高，同時也為使水池外立面保持整潔，預(yù)應(yīng)力張拉端通過設(shè)置穴模而不露出混凝土表面，單孔錨具的張拉端穴模做法如圖10所示。對于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，采用鍍鋅波紋管作為預(yù)留孔道。在鋪設(shè)波紋管時，設(shè)置灌漿孔，并保證波紋管連接處的密閉性。4.3 預(yù)應(yīng)力筋的張拉由于池底、池壁、扶壁柱以及拉梁等構(gòu)件中均要施加預(yù)應(yīng)力，應(yīng)盡量減小施加預(yù)應(yīng)力時，各構(gòu)件間的不均勻變形。因此需要配合土建施工，制訂最優(yōu)的預(yù)應(yīng)力張拉順序。由于張拉預(yù)應(yīng)力時，占荷載主要比重的水荷載尚未施加，池底、池壁、梁、柱等有可能在預(yù)應(yīng)力等效荷載的作用下出現(xiàn)變形，另

11、外，水池混凝土的澆筑是先底板，后池壁和扶壁柱，最后是拉梁，施工周期較長，先澆筑的混凝土達到設(shè)計強度時，后續(xù)構(gòu)件可能尚未澆筑，結(jié)構(gòu)整體也尚未形成。如張拉方案設(shè)置不當(dāng)，在張拉過程中可能出現(xiàn)不期望出現(xiàn)的情況。綜上考慮，本工程預(yù)應(yīng)力張拉除考慮對稱性原則外，還采取了如下張拉原則：1、 隨土建施工順序進行張拉土建施工的順序，是先澆筑池底，然后澆筑池壁、扶壁柱、最后澆筑拉梁。為使結(jié)構(gòu)受力均勻，減少預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的影響，同時也符合施工順序，減少張拉占用的工期，張拉順序也按底板、扶壁柱、池壁及拉梁的順序進行張拉，也就是當(dāng)混凝土強度達到設(shè)計強度時，即可對該部位進行張拉。2、 預(yù)應(yīng)力筋分級張拉預(yù)應(yīng)力筋的張拉至少應(yīng)分兩級進行，這同樣是為了保證結(jié)構(gòu)受力均勻。當(dāng)混凝土強度達到張拉要求后，整體結(jié)構(gòu)尚未形成前，首先應(yīng)張拉部分預(yù)應(yīng)力筋，待整體結(jié)構(gòu)形成后，應(yīng)張拉剩余的預(yù)應(yīng)力筋，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，以盡量減小不均勻變形。5 結(jié)論本文以某大型污水處理工程中預(yù)應(yīng)力水池的設(shè)計和施工為例，介紹了有關(guān)的結(jié)構(gòu)方案及預(yù)應(yīng)力技術(shù)的特點和節(jié)點構(gòu)造，從中可以得到如下結(jié)論：大型水池抗裂要求較為嚴(yán)格，如按一、二級抗裂要求設(shè)計，一般應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)以提高抗裂能力。 在對大型水池的結(jié)構(gòu)方案進行比選時，應(yīng)綜合考慮其受力性能和經(jīng)濟指標(biāo)，只要其內(nèi)力和變形在規(guī)范容許范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能選擇更為經(jīng)濟的方案。污水處理工程的預(yù)應(yīng)力水池，一般屬二、三類環(huán)