后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在大型矩形水池中的應(yīng)用

張琪

中節(jié)能國禎環(huán)保科技股份有限公司 合肥 230088

引言

近年來，預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計方法日趨完善，預(yù)應(yīng)力技術(shù)和工藝水平迅速提高，特別是高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線的研制開發(fā)，以及錨夾具和張拉設(shè)備的系列化配套定型生產(chǎn)，為給排水構(gòu)筑物采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)提供了廣闊的空間。目前在給排水構(gòu)筑物中廣泛采用的為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土工藝，建立預(yù)應(yīng)力的工藝方法主要有三種，分別是有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土工藝、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土工藝、機(jī)械繞絲預(yù)應(yīng)力混凝土工藝。其中有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土工藝在施工時，先在模板中預(yù)留金屬波紋管，待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，將鋼絲束或鋼絞線穿入導(dǎo)管中，對其進(jìn)行張拉和錨固建立預(yù)應(yīng)力，最后對預(yù)留孔道進(jìn)行灌漿和封堵。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是建立的預(yù)應(yīng)力較為安全可靠［1］。預(yù)應(yīng)力技術(shù)在圓形水池中已有廣泛使用，但預(yù)應(yīng)力技術(shù)在矩形水池設(shè)計中使用較少。尤其對于超長、超高的全地上式鋼筋混凝土水池，如何解決伸縮縫設(shè)置、水池溫度應(yīng)力、優(yōu)化結(jié)構(gòu)傳力途徑、合理選擇結(jié)構(gòu)方案，值得探索和探究。

1 工程概況

江蘇省某化學(xué)工業(yè)園污水處理廠內(nèi)建設(shè)一期擴(kuò)建項(xiàng)目，規(guī)模為12500m3／d。其處理構(gòu)筑物包括新建事故池、高濃度均質(zhì)池、厭氧反應(yīng)池、SBR池、集水池、流化床＋曝氣池、二沉池、加藥間、總排水池等，以及對排水泵房及污泥脫水間的改造等。生化段主體工藝單元厭氧反應(yīng)池為全地上式大型水池，長度32.9m，寬度12.3m，高度12.45m，屬于超高、超長構(gòu)筑物。建設(shè)場地土屬軟弱土，場地類別為Ⅲ類，特征周期值0.45s，地質(zhì)勘察報告建議以粉質(zhì)黏土巖作為持力層?？拐鹪O(shè)防烈度7 度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g。抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

2 大型矩形水池技術(shù)問題

2.1 水池深度對結(jié)構(gòu)的影響及解決措施

常規(guī)矩形水池，高度在7m 以內(nèi)，可以設(shè)計為等截面；高度為7m ～10m，通常按照變截面進(jìn)行設(shè)計，也可以通過設(shè)置隔墻或者頂板改變壁板的受力模式，按照雙向板進(jìn)行設(shè)計，從而基本能將壁厚控制在1m 左右。本文厭氧反應(yīng)池高度12m以上，正常工作狀態(tài)基本滿水位運(yùn)行，側(cè)向水壓力較大，池壁根部和跨中彎矩很大，如采用常規(guī)的鋼筋混凝土水池設(shè)計方案，壁厚非常大，且配筋量巨大，抗裂要求難以滿足，方案缺乏經(jīng)濟(jì)合理性。結(jié)構(gòu)方案按照板殼設(shè)計不合理，因此考慮改變池壁傳力途徑，將不利的池壁承壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉霰谥c內(nèi)框架及池壁為邊界條件的雙向組合傳力體系。在不影響工藝運(yùn)行的前提下，外池壁設(shè)置扶壁柱，同時在厭氧反應(yīng)池內(nèi)部設(shè)置框架梁、框架柱，形成池內(nèi)框架體系，將側(cè)向水壓力通過池壁傳遞給框架體系，從而有效減小壁厚及板配筋。

2.2 水池長度對結(jié)構(gòu)的影響及解決措施

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［2］及《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［3］對伸縮縫間距均有明確要求：露天現(xiàn)澆式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，伸縮縫間距不宜大于20m。本文厭氧反應(yīng)池為全地上露天水池，長度32.9m，規(guī)范要求宜設(shè)置適應(yīng)溫度變化的伸縮縫。但設(shè)置伸縮縫存在諸多弊端：1）整體性較差，對結(jié)構(gòu)抗震不利，且設(shè)置伸縮縫后荷載不對稱極易引起地基不均勻沉降，導(dǎo)致伸縮縫出現(xiàn)較大變形甚至拉裂從而引起滲漏，加劇地基的破壞；2）伸縮縫為橡膠止水帶，容易老化且需停產(chǎn)修復(fù)，修復(fù)周期長影響項(xiàng)目運(yùn)營。因此取消用橡膠止水帶形式設(shè)置伸縮縫的傳統(tǒng)做法，在厭氧反應(yīng)池長度方向設(shè)置兩道膨脹加強(qiáng)帶。提高了厭氧池反應(yīng)池的整體剛度和水密性，同時避免了基底荷載的不均勻分布，便于基礎(chǔ)布置。

2.3 水池內(nèi)外溫差對結(jié)構(gòu)的影響

地上鋼筋混凝土矩形水池，存在水池內(nèi)外溫度差異即壁面溫差（濕差）作用，抗水壓與抗溫差（濕差）效應(yīng)往往是相矛盾的，池壁越厚對抗水壓和控制混凝土裂縫越有利，但通常壁板厚度越大引起的溫度應(yīng)力越大，導(dǎo)致配筋量很大，難以滿足抗裂要求。因此綜合考慮抗水壓和溫度應(yīng)力問題，選擇經(jīng)濟(jì)合理的受力體系，采用扶壁柱＋內(nèi)框架＋池壁的結(jié)構(gòu)體系，盡可能減小壁厚。

3 方案選擇及結(jié)構(gòu)分析

采用通用有限元軟件Midas 建模分析。對整體模型進(jìn)行簡化，基樁為端承摩擦樁，用土彈簧模擬樁間土對水池底板的豎向支承，用節(jié)點(diǎn)彈簧模擬摩擦樁對水池底板的豎向支承；池壁及底板采用厚板單元（考慮平面外剪切剛度），梁柱采用桿系單元。

該工程的最大難點(diǎn)是解決水平框架梁在較大軸向拉力作用下的抗裂度問題。滿水工況下，水平框架梁為小偏心受拉構(gòu)件（最大水平拉力設(shè)計值超過1000kN），依據(jù)《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［3］，對混凝土貯水或水質(zhì)凈化處理等構(gòu)筑物，當(dāng)在荷載組合作用下，構(gòu)件截面處于軸心受拉或者小偏心受拉狀態(tài)時，應(yīng)按不出現(xiàn)裂縫控制，即小偏心受拉構(gòu)件應(yīng)滿足抗裂度要求。配置普通鋼筋無法滿足抗裂度要求，因此考慮框架梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)來解決抗裂度問題［4］。

3.1 基礎(chǔ)方案

依據(jù)地勘報告，以第1F 土層（粉質(zhì)黏土巖）作為持力層，經(jīng)過方案比選，采用預(yù)應(yīng)力預(yù)制管樁。根據(jù)計算模型的反力分布情況，采用不均勻布樁，樁型為PHC-AB400（90）-30b，樁長約30m左右，單樁豎向承載力特征值650kN，樁數(shù)為157 根。

3.2 上部結(jié)構(gòu)方案

池壁間隔設(shè)置扶壁柱，水池內(nèi)部設(shè)置內(nèi)框架。結(jié)構(gòu)平面布置如圖1 所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁平面布置（單位： mm）Fig.1 The plan layout of prestressed concrete beam（unit：mm）

厭氧反應(yīng)池底板厚度600mm，底板與池壁連接處做加腋處理。反應(yīng)池兩個方向池壁厚度均為350mm。鋼筋混凝土強(qiáng)度等級為C30（預(yù)應(yīng)力梁混凝土強(qiáng)度等級為C40），抗?jié)B等級S8。

3.3 荷載及截面驗(yàn)算的控制工況

主要受力為側(cè)向和豎向水壓力、溫度荷載、預(yù)應(yīng)力荷載。

1.溫度荷載

壁面溫差按下式計算（冬季正常運(yùn)營狀態(tài)時介質(zhì)溫度12℃，依據(jù)氣象資料當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄鶜鉁貫?℃）：

溫差和濕差兩項(xiàng)作用不需同時考慮，對夏季應(yīng)考慮濕差作用，對冬季應(yīng)考慮溫差作用。前者低溫收縮與濕漲抵消，后者由于低溫面水分子濃度加大導(dǎo)致水分遷移，致使低溫面濕度增加。池壁濕差作用，其效果與溫差相似，可將濕差折算成“當(dāng)量溫差”計算，“當(dāng)量溫差”可按照10℃作為計算內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值時采用，因此設(shè)計取兩者之大值計算內(nèi)力，按照10℃計算壁面溫差，并均屬低溫一側(cè)受拉?？紤]混凝土開裂后的剛度降低，因此考慮折減系數(shù)0.65，模型溫度荷載按照6.5℃輸入。

2.側(cè)向水壓力

內(nèi)側(cè)按照正常液位計算，荷載按照三角形荷載輸入，三角形荷載底邊為120kN／m2。

荷載組合如下：

（1）冬季最冷時正常操作狀態(tài)下荷載組合

自重＋水壓＋池壁內(nèi)外溫差＋預(yù)應(yīng)力荷載

（2）夏季正常操作狀態(tài)下荷載組合

自重＋水壓＋池壁內(nèi)外濕差＋預(yù)應(yīng)力荷載

（3）空池狀態(tài)荷載組合

自重＋預(yù)應(yīng)力荷載

4 預(yù)應(yīng)力設(shè)計

厭氧反應(yīng)池選用部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，對軸向拉力較大的鋼筋混凝土梁采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土工藝，對框架梁施加預(yù)應(yīng)力以抵抗軸向拉力并對混凝土梁截面形成壓應(yīng)力；在梁內(nèi)配置一定數(shù)量的非預(yù)應(yīng)力鋼筋用于抗彎和抗剪，同時對混凝土收縮徐變有一定的限制作用，并保證結(jié)構(gòu)的延性。根據(jù)模型計算分析結(jié)果，配置預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量。預(yù)應(yīng)力筋采用1860 級低松弛鋼絞線，直徑D＝15.2mm，抗拉強(qiáng)度ftpk＝1860MPa，張拉控制應(yīng)力為0.75ftpk。

4.1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線估算配置

厭氧反應(yīng)池標(biāo)高8.600m 處YKL1 梁最大軸向拉力設(shè)計值580kN，配2 ×2φS15.2 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直線布筋兩端張拉，有3 根梁；YKL2 梁最大軸向拉力設(shè)計值430kN，配1 ×4φS15.2 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直線布筋一端張拉，有10 根梁。標(biāo)高4.200m處YKL3 梁最大軸向拉力設(shè)計值1150kN，配2 ×4φS15.2 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直線布筋兩端張拉，有3 根梁；YKL4 梁最大軸向拉力設(shè)計值1070kN，配1×7φS15.2有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直線布筋一端張拉，有10 根梁。預(yù)應(yīng)力鋼絞線固定端和張拉端節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖2 所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線固定端和張拉端詳圖（單位： mm）Fig.2 Detail of fixed end and tension end of prestressed strand（unit：mm）

4.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋損失計算

依據(jù)文獻(xiàn)［5］，選取YKL3（13）計算，配置2 ×4φS15.2 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，非預(yù)應(yīng)力鋼筋為梁上下各5φ20 通長縱筋，梁中部配置6φ18通長腰筋。預(yù)應(yīng)力梁采用C40 混凝土，混凝土彈性模量Ec＝3.25 ×104kN／m2，鋼絞線彈性模量Ep＝1.95 ×105N／m2，HRB335 級鋼筋彈性模量Es＝2.0 ×105kN／m2。普通鋼筋與混凝土彈性模量比值αE2＝Es2／Ec＝6.15，鋼絞線與混凝土彈性模量比值αE1＝Es1／Ec＝6.00。

預(yù)應(yīng)力鋼筋損失計算過程如下（公式中物理量的含義詳見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［2］）：

（1）確定凈截面面積

（2）確定張拉控制力

（3）錨具變形及鋼筋內(nèi)縮損失σl1

夾片式錨具采用鋼絞線內(nèi)縮值α ＝6mm，構(gòu)件長l＝17m。

（4）孔道摩擦損失σl2

其中預(yù)埋波紋管成孔k＝0.0015，直線配筋θ ＝0。

（5）第一批預(yù)應(yīng)力損失σl1

（6）預(yù)應(yīng)力鋼筋松弛損失σl4σcon≤0.7fptk

（7）混凝土收縮徐變損失σl5

（8）第二批預(yù)應(yīng)力損失σlⅡ

（9）總預(yù)應(yīng)力損失σl

最后進(jìn)行偏心受拉抗裂計算：預(yù)應(yīng)力梁按照二級裂縫控制，即荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計算時，梁關(guān)鍵截面受拉邊緣鋼筋混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力不超過

4.3 施工張拉順序

混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后方可張拉預(yù)應(yīng)力筋，其中張拉端錨具采用夾片錨具，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力孔道采用金屬波紋管。先張拉8.6m 層預(yù)應(yīng)力筋的50%，再張拉4.2m 層預(yù)應(yīng)力筋的100%，最后補(bǔ)拉8.6m層剩余的50%。

5 結(jié)語

對超高、超長混凝土矩形水池不宜按照常規(guī)的板殼受力進(jìn)行設(shè)計，方案階段應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)受力體系。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用，既滿足了混凝土框架梁的抗裂要求，又解決了超長混凝土矩形水池的伸縮縫設(shè)置問題。本文厭氧反應(yīng)池經(jīng)多年滿水運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題，是矩形水池采用合理受力體系和后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合的一次成功的案例，對超長超高的矩形水池設(shè)計具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。