基于擬靜力法的半地下裝配式水池抗震設(shè)計分析

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

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問題日益加重，人們的環(huán)保意識也在不斷提高；《水污染防治行動計劃》《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》等指導(dǎo)文件和規(guī)范的出臺，推動生態(tài)環(huán)保制度不斷完善。污水處理廠作為污水處理的重要場所，引起了人們的廣泛關(guān)注。污水池是污水處理廠的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量優(yōu)劣直接影響污水廠的后期運營和維修。

現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法主要有動力時程分析法和擬靜力法。動力時程分析的結(jié)果與所選取的地震動輸入有關(guān)，它采用逐步積分的方法對動力方程進(jìn)行直接積分，分析精度較高，但存在模型邊界處理復(fù)雜、計算工作量大、結(jié)果處理繁瑣等問題，而且大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力分析對計算機要求更高，耗時耗力，對工程技術(shù)人員素質(zhì)要求較高；擬靜力法是通過反應(yīng)譜理論將地震對建筑物的作用以等效地震荷載替代，驗算結(jié)構(gòu)的抗震承載力和變形。此類方法合理地將動力學(xué)問題簡化為靜力學(xué)問題，同時可以較好地反映結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，具有結(jié)果直觀、效率高等優(yōu)點，便于設(shè)計人員掌握，眾多規(guī)范均推薦此類方法，應(yīng)用十分廣泛。

鑒于此，本文以上海某污水廠的生物池為例，選用《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計規(guī)范》推薦的擬靜力法對市政污水處理廠的生物池結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析及抗震措施進(jìn)行探討，為今后污水廠水池構(gòu)筑物的抗震設(shè)計提供依據(jù)。

2 工程概況

2.1 生物池構(gòu)筑物概況

AAO生物反應(yīng)池平面尺寸約為209.5m×167.6m，主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，局部隔墻采用預(yù)制構(gòu)件，局部頂板采用玻璃鋼蓋罩或預(yù)制大跨度預(yù)應(yīng)力空心板。

池體主要構(gòu)件：好氧池側(cè)墻、好氧池隔墻、缺氧池側(cè)墻、缺氧池隔墻。考慮到上述構(gòu)件單面墻體的尺寸較大，受到的動水壓力、動土壓力較大，地震時最容易破壞，因此AAO生物反應(yīng)池的抗震分析主要針對上述四種池壁。好氧池與缺氧池的側(cè)墻壁板總高11.20m，其中埋置于地下的部分為5.00m，故應(yīng)按地面式結(jié)構(gòu)驗算；隔墻不與土直接接觸，故按照地面式結(jié)構(gòu)驗算。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸：好氧池側(cè)墻厚900mm、好氧池隔墻厚500mm、缺氧池側(cè)墻厚900mm、缺氧池隔墻厚500mm。

2.2 等效地震荷載

根據(jù)《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計規(guī)范》，盛水構(gòu)筑物在水平地震作用下主要考慮如下等效地震荷載：

①由于結(jié)構(gòu)物自身及其中添加物重量引起的慣性力；

②地震時動土壓力；

③地震時動水壓力。

2.2.1 自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值計算

盛水構(gòu)筑物在水平地震荷載作用下的自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下列規(guī)定計算：

地面式水池壁板的自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值：

地面式水池頂蓋的自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：F為池壁沿高度的自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m)；為地震影響系數(shù)的調(diào)整系數(shù)，可取1.5；α為相應(yīng)于水池結(jié)構(gòu)基振型的地震影響系數(shù)，一般可取α=α，取 0.23；γ為相應(yīng)于水池結(jié)構(gòu)基振型的振型參與系數(shù),取1.10；g為池壁沿高度的單位面積重度(kN/m)；W為水池頂蓋的自重（kN）；F為水池頂蓋的自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；H為池壁高度（m）；Z為計算截面距池壁底端的高度（m）；

2.2.2 動水壓力標(biāo)準(zhǔn)值計算

矩形水池在水平地震荷載作用下的動水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下列公式計算：

式中：F為矩形水池的動水壓力標(biāo)準(zhǔn)值 (kN/m)；γ為池內(nèi)水的重力密度(kN/m)；H為池內(nèi)水深(m)；f為矩形水池動水壓力系數(shù)；F為矩形水池動水壓力沿地震方向的合力 (kN)；L為矩形水池垂直地震作用方向的邊長(m)。

2.2.3 動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值計算

水池池壁在水平地震荷載作用下的動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下列公式計算：

式中：F為地震時作用于水池池壁任一高度上的最大土壓力增量(kN/m)；F為相應(yīng)計算高度處的主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值 (kN/m)；φ為池壁外側(cè)土的內(nèi)摩擦角，取 30。

2.3 抗震設(shè)計參數(shù)

本工程擬建場地的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第二組，地基土屬軟弱場地土類型，場地類別為Ⅳ類，設(shè)計特征周期取0.90s。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2008）第5.1.4條，本工程主要構(gòu)筑物及管道均為重點設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度按7度考慮，抗震措施按8度執(zhí)行，構(gòu)筑物抗震等級均取為二級。

3 計算結(jié)果

3.1 地震荷載計算

根據(jù)上述規(guī)范要求，通過式（1）～式（5）計算各構(gòu)件的等效地震荷載，計算結(jié)果見表1。

AAO生物反應(yīng)池池壁等效地震荷載 表1

3.2 抗震計算結(jié)果

根據(jù)表1中的等效地震荷載計算結(jié)構(gòu)地震工況的附加彎矩，同時考慮結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)和其他作用效應(yīng)的組合，其中：靜力作用（即正常使用工況下的水土壓力）組合系數(shù)取1.2；地震作用組合系數(shù)取1.3；同時，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面強度進(jìn)行計算時，考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)0.85，最終獲得地震組合工況的彎矩值。

根據(jù)地震組合工況的彎矩按強度控制進(jìn)行配筋，計算各構(gòu)件滿足抗震安全性的強度計算配筋，詳見表2。由表2中數(shù)據(jù)可以看出，各構(gòu)件實際配筋面積均大于地震工況的強度計算配筋面積，因此生物池結(jié)構(gòu)可以滿足抗震安全性要求；同時，隔墻的地震組合工況彎矩明顯大于其靜力作用工況彎矩，這是由于隔墻在靜力工況墻體兩側(cè)水壓力基本平衡，內(nèi)力較??；地震組合下，隔墻單側(cè)作用動水壓力，底部將產(chǎn)生巨大的地震附加彎矩。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)重點關(guān)注隔墻的抗震安全性。

AAO生物反應(yīng)池結(jié)構(gòu)抗震強度分析結(jié)果 表2

3.3 池體預(yù)制隔墻下部節(jié)點分析

缺氧池局部隔墻采用預(yù)制構(gòu)件，現(xiàn)通過三維有限元彈塑性分析，驗證預(yù)制隔墻下部節(jié)點的連接強度。

三維有限元模型由底板和隔墻兩部分組成，其中底板厚1.0m，板內(nèi)設(shè)置雙排C25@150鋼筋；隔墻厚0.5m，計算寬度取預(yù)制隔墻幅寬3m，高度根據(jù)反彎點法取距墻底2/3墻高處，墻內(nèi)設(shè)置雙排C25@150豎向鋼筋，并根據(jù)設(shè)計圖紙布置箍筋，計算模型如圖1所示。

圖1 下部節(jié)點三維精細(xì)化模型

約束試件底板下表面的三個自由度及隔墻寬度方向的自由度。模型加載共分為兩步，先在模型頂端施加頂板及隔墻自重產(chǎn)生的軸向力，并保持恒定，然后在模型頂端施加水平位移荷載，直至構(gòu)件破壞。

3.3.1 損傷分布及發(fā)展規(guī)律

圖2繪制了墻頂水平位移為8.85mm，底部彎矩218.4kN·m（混凝土開始拉裂），和頂部位移163mm，底部彎矩622.71kN·m（極限承載能力）時結(jié)構(gòu)混凝土拉伸損傷云圖。由圖2可知，混凝土結(jié)構(gòu)首先在灌漿套筒上部連接部位產(chǎn)生拉伸損傷，然后混凝土拉伸破壞從灌漿套筒上端部分逐漸向上發(fā)展，最終整個墻的受拉面混凝土全部拉裂。

圖2 下部節(jié)點拉伸損傷云圖

3.3.2 鋼筋應(yīng)力

輸出隔墻破壞時的墻內(nèi)鋼筋應(yīng)力云圖，如圖3所示。灌漿套筒連接鋼筋的上端應(yīng)力最大。選取該點繪制墻底彎矩-鋼筋應(yīng)力曲線，如圖4所示。鋼筋的應(yīng)力發(fā)展呈現(xiàn)3個階段，第一個階段為混凝土彈性階段，受拉區(qū)的混凝土還未產(chǎn)生受拉裂紋；第二個階段為混凝土受拉破壞階段，在該階段，混凝土受拉損傷在從墻底部不斷向上發(fā)展，鋼筋應(yīng)力曲線基本為直線，但在該階段，墻面混凝土已經(jīng)產(chǎn)生了不可恢復(fù)的拉伸破壞；第三個階段鋼筋進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)發(fā)生較大位移，產(chǎn)生破壞。

圖3 下部節(jié)點區(qū)隔墻縱筋應(yīng)力云圖（極限狀態(tài)）

圖4 墻底彎矩-鋼筋應(yīng)力曲線

3.3.3 力-位移曲線

將柱頂施加的水平作用力轉(zhuǎn)化為墻底等效彎矩，繪制墻底彎矩-位移曲線，如圖5所示。位移隨著作用力的增長主要出現(xiàn)了3個階段的發(fā)展過程。在墻頂位移小于12mm時，灌漿套筒上方混凝土未拉裂，此時結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段；在墻頂位移介于12mm和152mm之間時，受拉區(qū)混凝土拉裂，鋼筋應(yīng)力增長但未屈服；在墻頂位移大于152mm時，鋼筋屈服，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平位移，基本失去水平承載能力，產(chǎn)生不可恢復(fù)的破壞變形。

圖5 墻底彎矩-位移曲線

3.3.4 下部節(jié)點抗震安全性評價

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震計算分析結(jié)果，地震作用下墻底最大彎矩為472.8。由圖5可知，此時結(jié)構(gòu)仍處于彈塑性階段。并輸出此時混凝土拉伸損傷和鋼筋應(yīng)力云圖，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)混凝土拉伸損傷并未發(fā)展至全截面且鋼筋仍未屈服。綜上所述，預(yù)制隔墻下部節(jié)點在地震作用下尚未達(dá)到承載力極限狀態(tài)，目前設(shè)計方案滿足抗震安全性要求。

圖6 墻底彎矩M=472.8kN·m時混凝土拉伸損傷-鋼筋應(yīng)力云圖

4 抗震措施

本工程中主要構(gòu)筑物抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類）、抗震設(shè)防烈度按7度考慮，抗震措施按8度考慮。

①水池結(jié)構(gòu)在壁板拐角處，里外層水平向鋼筋的配筋率不小于0.3%。伸入兩側(cè)池壁內(nèi)的長度不小于1/2池壁高度。

②水池壁板高度留有足夠高度，不小于300mm。

③水池鋼筋的錨固長度及轉(zhuǎn)角處池壁鋼筋、T型池壁、十字型池壁的加密長度均滿足抗震構(gòu)造要求。

④水池池壁與頂蓋的連接措施應(yīng)符合下列要求：

a.當(dāng)頂蓋與池壁非整體連接時頂蓋在池壁上的支承長度不應(yīng)小于200mm；

b.鋼筋混凝土池壁的頂部應(yīng)設(shè)置預(yù)埋件與頂蓋內(nèi)預(yù)埋件焊連；

c.為增強預(yù)制頂蓋的整體性，預(yù)制板上澆筑二期鋼筋混凝土疊合層。

5 結(jié)論

通過對本工程的生物反應(yīng)池的抗震分析，綜合得出以下結(jié)論：

①采用《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計規(guī)范》推薦的擬靜力法，驗證了AAO生物池結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的抗震安全性，結(jié)果表明：在7度基本烈度地震作用下，各構(gòu)件的實際配筋面積均大于地震工況的強度計算配筋面積，AAO生物池結(jié)構(gòu)可以滿足抗震安全性要求。

②建立了AAO生物反應(yīng)池預(yù)制隔墻下部節(jié)點的三維精細(xì)化分析模型，研究了節(jié)點的受力傳遞機制、極限承載性能及其破壞模式，評價了其在設(shè)防地震作用下的安全性。由數(shù)值模擬結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案滿足抗震安全性要求。

③本工程構(gòu)筑物按8度采取抗震措施。通過對鋼筋的錨固長度、鋼筋的配筋率等方面進(jìn)行控制，以滿足抗震構(gòu)造措施要求。針對結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角等抗震不利部位，采取加設(shè)腋角、暗柱、加密鋼筋等方式進(jìn)行局部加強。