給排水構(gòu)筑物中厚板結(jié)構(gòu)設(shè)計理念及方法探討

張達石 邊小宇 張宸

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團)有限公司 200125)

引言

近年來，隨著水處理構(gòu)筑物工程規(guī)模的逐漸擴大及環(huán)保要求的提高，加蓋構(gòu)筑物及整體式污水處理構(gòu)筑物逐漸增多。同時還存在上部覆土種植綠化或設(shè)置行車通道等情況，上覆較大荷載促使水處理構(gòu)筑物中出現(xiàn)了大量的厚板結(jié)構(gòu)，板厚一般在250mm～350mm左右。對于這類厚板結(jié)構(gòu)，大部分設(shè)計師的設(shè)計理念是：首先按照經(jīng)驗將板結(jié)構(gòu)劃分為由主次梁分割而成的一定尺寸范圍內(nèi)的板，然后采用PKPM或者簡化的方式進行梁內(nèi)力的計算和梁截面設(shè)計，再按照梁格分出的板區(qū)域?qū)Π暹M行計算，根據(jù)計算結(jié)果進行板的配筋。同時，一般選定梁的尺寸時，認為梁超過了2倍板厚就可作為板的固定約束邊界。

采用上述傳統(tǒng)對于厚板梁板體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念和方法進行板內(nèi)力計算的結(jié)果，與實際的板在自重及外荷載作用下的內(nèi)力分布存在較大的差異，有著較大的安全隱患，故該方法已經(jīng)不能適應(yīng)此種結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計計算。

本文首先從工程實例出發(fā)，以一座一體化式污水處理構(gòu)筑物的中間行車道板為例，采用有限元軟件建模分析了傳統(tǒng)設(shè)計方法的問題所在，并進一步分析了厚板情況下的梁板結(jié)構(gòu)體系中，板受力特性及主次梁設(shè)置和尺寸對板內(nèi)力的影響。同時對比分析了板厚同梁高相對關(guān)系對內(nèi)力分布的影響，最終提出該類結(jié)構(gòu)設(shè)計理念及計算方法的建議，旨在探索一種該類型結(jié)構(gòu)設(shè)計時較為合理的處理方式，確保設(shè)計計算分析安全可靠并提高給排水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，希望對今后類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計起到一定的參考作用。

1 工程實例分析

1.1 工程概況

株洲市龍泉污水處理廠三期工程，采用單層地埋式一體化構(gòu)筑物，平面尺寸為130.4m×88.4m，深度7.5m，中間貫通設(shè)一條凈寬7.5m的行車通道以便運營階段車輛通行?？紤]設(shè)備更換及吊裝等作業(yè)，設(shè)計通行車輛極可能是重車，但車型無法確定，因此，設(shè)計荷載考慮了40kPa的均布荷載。最初設(shè)計方案參考之前類似工程，頂板厚度取300mm，橫向設(shè)間距3.5m～4m的主梁(500mm×1000mm)，縱向中部設(shè)一道貫通的次梁(300mm×600mm)，具體布置如圖1所示。

1.2 傳統(tǒng)理念設(shè)計構(gòu)造及計算

按照上述布置，根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計計算方法，采用主梁根據(jù)所承擔的板塊荷載，按照兩側(cè)簡支進行計算；次梁根據(jù)分擔的板荷載，按照支撐在主梁上的多跨連續(xù)梁進行計算，最終板根據(jù)主次梁分割成的板塊，按照四邊固結(jié)的矩形板進行計算。按照3.5m×4m單塊板計算內(nèi)力的結(jié)果如圖2所示。

1.3 有限元整體計算

對于上述結(jié)構(gòu)，采用有限元軟件midas civil建立結(jié)構(gòu)梁板體系整體模型(圖3)進行計算分析后，發(fā)現(xiàn)板的內(nèi)力分布及數(shù)值與傳統(tǒng)計算方法差異較大，具體結(jié)果見圖4。

從圖4中計算結(jié)果的彎矩分布看，采用整體計算時，橫向彎矩并沒有因為中部貫通次梁的設(shè)置而在次梁位置出現(xiàn)負彎矩，整體上還是跨中為正彎矩，兩端為負彎矩，且彎矩數(shù)值較傳統(tǒng)算法的大近1倍?？v向彎矩因為主梁的設(shè)置，對板塊起到了分割作用，可以認為板是支撐在主梁和兩側(cè)墻上的雙向板，但因為主梁的剛度同側(cè)墻相比較小，所以縱向彎矩的分配是正彎矩比負彎矩大。而從整體來看，次梁的設(shè)置沒有起到支撐的作用，板塊還是按照橫向為主受力方向。

圖1 車行道板設(shè)計Fig.1 The design drawing of traffic lane board

根據(jù)上述對計算結(jié)果的分析，本工程最終設(shè)計方案取消了中部的次梁。

圖2 單塊矩形板計算彎矩(單位：kN·m/m)Fig.2 The bending moment ofa single plate(unit: kN·m/m)

圖3 有限元整體模型Fig.3 The finite element model of structure

圖4 有限元整體計算板內(nèi)彎矩(單位：kN·m/m)Fig.4 The bending moment of plate by integral finite element method (unit: kN·m/m)

根據(jù)1.2節(jié)和1.3節(jié)的結(jié)論，采用傳統(tǒng)方法計算的板為雙向板，而采用整體有限元計算時，板的受力趨向于單向板，次梁的分割作用很有限。

1.4 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)構(gòu)造型式及計算結(jié)果

實際采用的行車通道結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示，其中梁截面尺寸為500mm×1000mm，布置間距為3.5m，板厚300mm，兩端部同墻相接部位采用300mm×500mm的加腋，以更好地承擔該處的板端應(yīng)力。

上述結(jié)構(gòu)整體模型在設(shè)計荷載下標準組合的內(nèi)力計算結(jié)果如圖6所示。

主梁的作用主要是減小板的橫向彎矩。若不設(shè)主梁，僅為300mm厚板，計算得到的板橫向正負彎矩分別為127kN·m/m和-193kN·m/m，主梁的設(shè)置使得正彎矩減小到原來的0.34，負彎矩減小到原來的0.46。

按照無次梁的計算結(jié)果同有次梁的計算結(jié)果主要內(nèi)力計算結(jié)果對比如表1所示。由表1可見，次梁的設(shè)置對于橫向彎矩計算結(jié)果的影響基本上可以忽略，而對縱向彎矩的影響較大，但因為縱向彎矩不是控制因素，所以本工程將次梁取消是合理的優(yōu)化方案。

圖5 實際車行道板設(shè)計Fig.5 The design drawing of traffic lane board

表1 有無次梁結(jié)構(gòu)中板內(nèi)力計算結(jié)果對比Tab.1 The contrast between the internal force of plate in structure with and without secondary beam

2 厚板結(jié)構(gòu)體系與內(nèi)力分布研究

根據(jù)上述案例分析結(jié)果可以得出，傳統(tǒng)按照梁格分割板的設(shè)計計算理念，實際在某些情況下存在很大問題。因此，有必要對這一問題進行深入的研究，以期找出影響梁對板分割作用的主要因素。

研究采用的結(jié)構(gòu)構(gòu)造是上述工程案例中的行車道板結(jié)構(gòu)，考慮兩種情況：1)板厚不變，梁高變化對板內(nèi)力分布的影響；2)梁高不變，板厚變化對板內(nèi)力分布的影響。以上兩種情況均考慮設(shè)置主次梁，結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖1，計算模型見圖3。

2.1 梁高對板內(nèi)力分布的影響分析

考慮板厚為300mm(此值為目前設(shè)計中車行道板一般取值)不變時，主梁寬度取500mm，主梁高度取800mm、1000mm、1200mm、1500mm、1800mm五種。次梁寬度取300mm，對應(yīng)主梁的次梁梁高取700mm、900mm、1100mm、1400mm、1700mm五種。

采用有限元整體建模分析，板內(nèi)彎矩計算結(jié)果見表2，從表2計算結(jié)果的分析看，在8m單向板跨度下，選擇300mm厚板結(jié)構(gòu)做梁板體系設(shè)計，次梁高度即使在達到了接近6倍板厚的情況下，對板橫向也基本上起不到分割作用，反而增加了結(jié)構(gòu)重量，加大了施工難度。因此，厚板結(jié)構(gòu)設(shè)置無支撐次梁的合理性有待商榷。同時從主梁固結(jié)支座效果可以看出主梁高度在達到板厚2倍后，對板有分割作用，但即使到了6倍板厚，固結(jié)邊界約束效應(yīng)也沒有完全發(fā)揮出來。

2.2 板厚對板內(nèi)力分布的影響分析

考慮梁高不變時，取板厚為100mm、150mm、200mm、250mm、300mm共五種，主梁寬度取300mm，主梁高度取1000mm。次梁寬度取300mm，次梁高度取900mm。

表2 相同板厚-不同梁高下板內(nèi)力計算結(jié)果Tab.2 The computational result of internal force of plate in condition of the same thickness of plate anddifferent height of beam

注：1. 表中彎矩正值為下緣受拉，負值為上緣受拉；2.表中固結(jié)支座效果是整體分析時梁軸線處板彎矩同傳統(tǒng)的考慮梁為板固結(jié)邊界條件時計算的板支座彎矩的比值；表3同。

采用有限元整體分析，板內(nèi)彎矩計算結(jié)果見表3，從表3計算結(jié)果的分析看，在8m單向板跨度下，固定主次梁高度，做梁板體系設(shè)計，次梁的作用在板厚150mm時，梁高達到6倍板厚以上的情況下，對板有部分分割約束作用，而當板厚取200mm以上時，梁高在接近5倍板厚情況下，對板的分割約束作用也基本上沒有了。主梁對板的分割作用一直存在，梁支座效果與板跨厚比和梁高與板厚的比值有關(guān)，且均為正關(guān)系，但由于縱向彎矩不是設(shè)計的控制因素，其作用主要是減小板在橫向兩端同墻相交位置的彎矩，所以設(shè)置沿縱向布置的橫向主梁是有必要的。

表3 相同梁高-不同板厚下板內(nèi)力計算結(jié)果Tab.3 The computational result of internal force of plate in condition of the sameheight of beam and different thickness of plate

續(xù) 表

注：括號中數(shù)值為采用簡化的四邊固結(jié)矩形板內(nèi)力計算結(jié)果。

3 結(jié)論和建議

本文對水處理構(gòu)筑物中的車行通道板結(jié)構(gòu)的受力進行了研究?？紤]到在目前傳統(tǒng)設(shè)計的車行道板常采用厚板結(jié)構(gòu)，而下部又無法設(shè)立柱的情況，對該類大跨度承重厚板結(jié)構(gòu)的構(gòu)造采用有限元分析，得出了如下結(jié)論和建議：

1.對水處理構(gòu)筑物中行車道板等厚板結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，采用主次梁可有效分割板，同時梁對板起到固結(jié)作用的設(shè)計理念與實際情況存在較大的差異，且存在計算結(jié)構(gòu)較實際內(nèi)力較小的設(shè)計風險；

2.在大跨度厚板結(jié)構(gòu)中，次梁設(shè)置意義不大，既增加了橫向板塊的內(nèi)力，又增加了施工難度，今后的設(shè)計中應(yīng)注意避免或減少次梁的設(shè)置；

3. 建議今后大跨度厚板結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算采用有限元整體梁板體系建模進行分析計算，以獲得安全合理的設(shè)計內(nèi)力分布及數(shù)值；

4. 行車道板在橫向兩端同墻或剛度較大的梁相接部位應(yīng)設(shè)置腋角加強，若是支撐在墻上，墻頂宜設(shè)置壓頂梁協(xié)調(diào)梁產(chǎn)生的應(yīng)力集中；

5.在板滿足局部受壓、抗沖切承載能力及撓度控制的前提下，在采用傳統(tǒng)方法計算梁板體系時應(yīng)盡量避免采用厚板，需控制板的跨厚比在合理范圍內(nèi)；

6. 因梁板體系中梁的約束效果除了和梁高同板厚的比值有關(guān)外，梁自身的剛度(可以認為高跨比)也是一個主要因素，因此，今后做類似的梁板體系設(shè)計時，建議采用整體分析，以得到安全經(jīng)濟合理的設(shè)計方案。