某污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

李健

（山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工程設(shè)計(jì)中心 山西省太原市 030001）

1 概述

污水處理廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)長期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過程，在這過程中的任何遺漏或錯(cuò)誤都有可能使整個(gè)設(shè)計(jì)過程變得更加復(fù)雜，使設(shè)計(jì)結(jié)果存在不安全因素。因此，在每個(gè)過程都應(yīng)該進(jìn)行認(rèn)真地分析和計(jì)算，并且要不斷地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到滿意的結(jié)果。

該污水處理廠采用了地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要包括進(jìn)水井、粗格柵及提升泵房、細(xì)格柵、沉砂池及砂水分離間、生物池、沉淀池、污泥池、中間水池、消毒池等構(gòu)筑物。作者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遵循有關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)程，根據(jù)構(gòu)筑物的使用要求和受力特點(diǎn)，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和計(jì)算方法，根據(jù)承載的能力極限狀態(tài)和正常使用的極限狀態(tài)要求，分別進(jìn)行了承載力，穩(wěn)定，變形，裂縫寬度等計(jì)算，并做好驗(yàn)算。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法

在對大量文獻(xiàn)和實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行研究分析后發(fā)現(xiàn)，要確保污水處理廠構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員要總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過程中認(rèn)真地分析和計(jì)算，考慮施工過程中可能遇到的一切問題。作者結(jié)合自己多年對污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的設(shè)計(jì)方法和問題。

2.1 計(jì)算模型選擇

污水處理廠水工構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的類型均不相同，在具體設(shè)計(jì)過程中，選用合理的計(jì)算模型尤為重要，對于長寬高比較均勻的短跨尺寸在6m以內(nèi)的小型水池和多格有蓋水池，計(jì)算底板內(nèi)力可以按地基反力直線分布計(jì)算；當(dāng)池壁線剛度為頂板線剛度的5倍以上時(shí)，可假設(shè)池壁頂端為鉸支，否則按彈性固定計(jì)算。敞口水池的池壁邊界條件假定為三邊支承，頂邊自由的板。但對于敞口有走道板水池，按照規(guī)程把走道板設(shè)計(jì)成橫向深梁，計(jì)算時(shí)按照不動(dòng)鉸支撐考慮，這樣計(jì)算比敞口按照自由端考慮要合理和經(jīng)濟(jì)。對池壁長度比較長或超大水池，底板的抗彎剛度大于池壁抗彎剛度10倍時(shí)，可以把底板作為嵌固端，池壁采用擋水墻來設(shè)計(jì)，對高度比較高的結(jié)構(gòu)采用扶壁式擋水墻。底板計(jì)算應(yīng)采取單位截條，將池壁作為集中力按彈性地基梁進(jìn)行內(nèi)力分析。

2.2 結(jié)構(gòu)荷載選取

池頂荷載主要考慮頂板自重，覆土重，雪荷載和活荷載。池壁荷載考慮池內(nèi)水壓力，池外土壓力和地下水壓力。

在設(shè)計(jì)中考慮兩種荷載組合：

（1）池內(nèi)水壓+自重（池內(nèi)有水，池外無土）。

（2）池外土壓+自重（池內(nèi)無水，池外有土）。

第（1）組合為地上式構(gòu)筑物的必需組合；第（1）（2）組合為地下或半地下構(gòu)筑物的必需組合。

2.3 內(nèi)力計(jì)算

內(nèi)力計(jì)算時(shí)主要采取了以下方法：

（1）頂板的計(jì)算可以同鋼筋混凝土樓蓋的計(jì)算方法。圓形頂板水池，可根據(jù)支撐條件查靜力計(jì)算手冊。

（2）底板計(jì)算按水池的結(jié)構(gòu)形式確定。當(dāng)池壁采用獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)，底板反力可按直線分布考慮；當(dāng)水池為整體式底板時(shí)，應(yīng)按彈性地基上的梁板計(jì)算內(nèi)力。

（3）矩形水池池壁的內(nèi)力計(jì)算可先按單塊矩形板進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)相鄰池壁的剛度進(jìn)行彎矩分配求出板彎矩。圓形水池的池壁彎矩可根據(jù)支撐條件查靜力計(jì)算手冊。

2.4 配筋

構(gòu)筑物配筋主要有強(qiáng)度和裂縫兩部分控制。大水池中裂縫配筋遠(yuǎn)大于承載力計(jì)算配筋。且筆者在設(shè)計(jì)計(jì)算其它構(gòu)筑物配筋時(shí)，一般情況都是裂縫控制，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中不要忽視了裂縫控制。

3 構(gòu)筑物常見裂縫分析

裂縫是構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍存在的一種現(xiàn)象，它的出現(xiàn)不僅會(huì)降低其抗?jié)B能力，影響水池的使用功能，而且會(huì)引起鋼筋的銹蝕。經(jīng)驗(yàn)表明水池的裂縫產(chǎn)生和發(fā)展是可以從根本上得到控制的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視溫差及混凝土收縮、水化熱、內(nèi)外約束、以及不均勻沉降等對水池裂縫寬度的影響，在滿足工藝要求的前提下，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，正確的施工方法是工程質(zhì)量的重要保證。

作者結(jié)合自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及查閱文獻(xiàn)，認(rèn)為目前造成裂縫的原因主要有以下幾方面：

3.1 荷載造成的裂縫

在設(shè)計(jì)計(jì)算階段，對結(jié)構(gòu)的荷載沒有進(jìn)行計(jì)算或者是計(jì)算方面出現(xiàn)了漏洞，這樣所設(shè)計(jì)出來的荷載與實(shí)際的荷載存在著一定的差異，使結(jié)構(gòu)安全系數(shù)達(dá)不到所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。在受到很大荷載的情況下，會(huì)使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的裂縫，另外因設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的不夠清晰，圖紙上的內(nèi)容沒有進(jìn)行準(zhǔn)確地表達(dá)，造成施工單位沒有用夠鋼筋，這樣也會(huì)造成水池荷載裂縫的產(chǎn)生。

在施工階段，在對水池工程進(jìn)行施工的時(shí)候，如果所使用到的建筑材料受到了損傷，那么所修建的水池肯定得不到相應(yīng)的質(zhì)量保證，從而造成裂縫現(xiàn)象的產(chǎn)生。還有就是在施工的過程中，施工人員如果不根據(jù)設(shè)計(jì)的圖紙進(jìn)行施工，那么就會(huì)改變水池結(jié)構(gòu)應(yīng)有的模式，從而使得水池結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)也遭到了改變，這勢必會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

3.2 溫度造成的裂縫

在對構(gòu)筑物進(jìn)行施工的時(shí)候，由于結(jié)構(gòu)所需要承受的荷載比較大，所以結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑厚度一般都比較大。當(dāng)所澆筑的混凝土的厚度超過一定值時(shí)，由于混凝土中的水泥在澆筑的過程中會(huì)進(jìn)行水化放熱，這樣就會(huì)使得鋼筋混凝土墻柱內(nèi)外的溫差非常的大，從而會(huì)使得結(jié)構(gòu)的表面出現(xiàn)裂縫。構(gòu)筑物要進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，主要是由于冬天的天氣溫度太低，以免造成水池結(jié)構(gòu)的破壞。不過在進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土溫度非常高，一旦水池停止了蒸汽養(yǎng)護(hù)冬天寒冷的空氣就會(huì)導(dǎo)致混凝土的溫度驟然下降，這樣就很容易造成水池裂縫的產(chǎn)生。

3.3 混凝土收縮裂縫

收縮裂縫也是常見的一種裂縫，它主要發(fā)生在混凝土在凝固之前強(qiáng)度比較小的時(shí)候，由于這個(gè)時(shí)候的混凝土受到高溫或者大風(fēng)的襲擊，這樣混凝土的表面就會(huì)很快的喪失水分，從而就使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部有比較大的負(fù)壓，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的體積出現(xiàn)了急劇收縮的情況。但是這個(gè)時(shí)候混凝土的強(qiáng)度又不能夠抵抗其本身收縮，這樣就出現(xiàn)了龜裂的情況，這就是所謂的收縮裂縫。同時(shí)這種裂縫主要是在特定的環(huán)境下形成的，如果在高溫或者大風(fēng)的天氣，就會(huì)出現(xiàn)中間寬、兩邊細(xì)和長短不一致的情況，并且相互之間不能連貫起來。

針對常見的裂縫，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中一定要引起注意。作者在污水廠構(gòu)筑物設(shè)計(jì)中，為避免裂縫出現(xiàn)，主要考慮了以下幾個(gè)方面：

（1）分離式配筋不宜用于水池底板和頂板上，而應(yīng)使用上下兩層連續(xù)式配筋。

（2）水池配筋率不宜過大，因?yàn)榕浣盥蔬^大時(shí)，會(huì)增強(qiáng)鋼筋對混凝土收縮的約束作用，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)不規(guī)則的龜裂，故單側(cè)配筋率宜控制0.8～1%以內(nèi)。

（3）水平加強(qiáng)筋宜應(yīng)被安置于敞口水池頂端，且其內(nèi)外兩側(cè)水平加強(qiáng)筋各不應(yīng)少于3根，直徑要高于池壁受力鋼筋，且直徑長度不宜小于16mm，間距應(yīng)設(shè)置在50～100mm之間。

（4）配筋的分布應(yīng)盡可能按照小直徑和小間距來設(shè)置，尤其是要縮小水平向的鋼筋間距，且水平向的鋼筋宜滿足4～10根/m之間。

（5）暗柱宜設(shè)置在易裂的邊緣部位，如丁字交接、池壁交界轉(zhuǎn)角及十字交叉處。確保水池的整體性和整體抗裂性能。

（6）在可能的情況下，宜設(shè)置腋角在水池池壁的拐角及與頂、底板的交界處，且保證腋角邊寬不宜小于150mm。

4 結(jié)束語

對于污水處理廠水池結(jié)構(gòu)其不僅要達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求同時(shí)還必須具有抗?jié)B漏性能、耐腐蝕性能以及抗凍性能等。設(shè)計(jì)人員實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對各種條件與因素加以充分的考慮及分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w情況制定各種防腐抗?jié)B措施不斷優(yōu)化水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案這樣才使污水處理廠水池的使用年限更長。