新型地下污水處理廠的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系

龍莉波 馬躍強(qiáng) 郭延義 富秋實(shí) 鄭金玉

1. 上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心 上海 200080

地下污水處理廠可以合理利用地下空間，節(jié)約土地資源，無(wú)臭氣、噪聲污染，對(duì)地面景觀影響較小乃至起促進(jìn)作用等優(yōu)點(diǎn)逐漸展現(xiàn)，越來(lái)越多的污水處理廠傾向于地下式建設(shè)模式。地下式污水處理廠在國(guó)外具有悠久的發(fā)展歷史，在我國(guó)目前處于起步階段，具有良好的發(fā)展空間[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外正在建設(shè)或已經(jīng)建成的地下污水處理廠基本采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆形式，施工現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行大量的鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工作，施工質(zhì)量難以控制，同時(shí)造成建筑垃圾、環(huán)境污染等問(wèn)題[3]。并且地下工程往往涉及深基坑，其施工對(duì)周?chē)h(huán)境影響非常大，尤其是降水、變形等對(duì)周?chē)孛娉两档挠绊憳O為嚴(yán)重，因此縮短施工周期對(duì)控制周邊環(huán)境改變有重要意義。而預(yù)制裝配式施工可以大大縮短工期，在地下空間進(jìn)行預(yù)制裝配式施工不僅節(jié)約勞動(dòng)力，還具備減小影響周邊環(huán)境的效果，因而預(yù)制裝配式技術(shù)在地下工程中迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇[4-5]。

地下污水處理廠往往由于預(yù)制墻體過(guò)高，預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量過(guò)大，對(duì)現(xiàn)有吊裝技術(shù)要求較高，施工難度較大，施工效率低下，施工質(zhì)量也無(wú)法保證；并且當(dāng)采用大跨度的預(yù)制屋面板時(shí)，同樣存在相同問(wèn)題，全地下式污水處理廠建筑構(gòu)造及維護(hù)空間均設(shè)置在地下，上部要行駛重型車(chē)輛，普通疊合板難以滿足承載力要求。

目前我國(guó)地下結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配化進(jìn)程還處于起步階段，地下污水處理廠項(xiàng)目在應(yīng)用現(xiàn)有的預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)體系時(shí)，存在預(yù)制構(gòu)件吊裝難，結(jié)構(gòu)性能無(wú)法保證，無(wú)法兼顧施工難度與施工效率等問(wèn)題，亟需研發(fā)適用于地下污水處理廠的新型裝配式結(jié)構(gòu)體系以解決上述問(wèn)題。

1 工程概況

竹園污水處理廠四期工程（圖1）位于上海浦東高東鎮(zhèn)，用地南至華東路、東至洲海路、西至規(guī)劃高東新路、北至外高橋船廠。本工程除AAO生物反應(yīng)池缺氧池區(qū)域采用裝配整體式結(jié)構(gòu)，其余構(gòu)筑物均采用現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配式區(qū)域長(zhǎng)47.7 m，寬51 m，面積約2 400 m2。預(yù)制范圍包括墻、梁、板、觀察窗及電纜溝等結(jié)構(gòu)。

圖1 竹園污水處理廠

如圖2所示，預(yù)制墻體高度達(dá)到了9.1 m，墻厚度為0.5 m，若按1.5 m分幅來(lái)計(jì)算，每片預(yù)制墻體的質(zhì)量達(dá)到了17 t，存在如下問(wèn)題：

圖2 結(jié)構(gòu)剖面示意

1）預(yù)制構(gòu)件吊裝難度大，最大預(yù)制隔墻質(zhì)量達(dá)17 t，預(yù)制構(gòu)件與基坑邊最大距離達(dá)75 m，機(jī)械選型困難，預(yù)埋件數(shù)量多，施工定位精度要求高。

2）預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸及堆放難度大，周邊交通復(fù)雜，預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸及堆放難度大。

3）施工安全隱患大，預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量過(guò)大，起吊機(jī)械半徑幅度過(guò)大，且對(duì)地基承載力要求高。

4）樓面跨度達(dá)到了8 m，并且結(jié)構(gòu)頂部需要行駛重型車(chē)輛，普通疊合板很難滿足承載力要求。

針對(duì)本工程預(yù)制裝配式整體結(jié)構(gòu)，以構(gòu)件質(zhì)量輕量化、節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單化、施工便捷化考慮，研發(fā)了適用于地下污水處理廠的新型結(jié)構(gòu)體系以解決上述問(wèn)題。

2 新型地下裝配式結(jié)構(gòu)體系研發(fā)

基于超高性能混凝土連接的地下裝配式結(jié)構(gòu)體系由鋼板桁架雙面疊合剪力墻結(jié)合大跨度倒T疊合板而成。

2.1 鋼板桁架雙面疊合剪力墻

目前，預(yù)制鋼板桁架雙面疊合剪力墻的連接方式主要是通過(guò)空腔內(nèi)插筋，然后向空腔內(nèi)澆筑混凝土，將上下墻體連接成整體，預(yù)制構(gòu)件的精度和灌漿的施工質(zhì)量要求較高，不便于質(zhì)量檢測(cè)，并且上下墻體由于采用鋼筋間接搭接的形式，連接可靠性仍未得到保證。

如圖3、圖4所示，鋼板桁架雙面疊合剪力墻利用底部外伸墻肢鋼筋進(jìn)行自承重，將鋼板桁架雙面疊合剪力墻體懸空，預(yù)留施工操作空間，上下鋼筋可采用超高性能混凝土（UHPC）短搭接澆筑或鋼筋綁扎普通混凝土澆筑的手段進(jìn)行直接搭接，鋼板桁架雙面疊合剪力墻之間采用密拼形式拼裝，克服了傳統(tǒng)豎向構(gòu)件連接效率低、不便于檢測(cè)等問(wèn)題，具有連接形式簡(jiǎn)單，節(jié)約人力，搭接可靠，使預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震能力和快速施工的便利性。

圖3 鋼板桁架雙面疊合剪力墻

圖4 鋼板桁架雙面疊合剪力墻水平連接示意

2.2 高效大跨倒雙T疊合板

傳統(tǒng)薄板疊合板的預(yù)制薄板太薄，預(yù)制、運(yùn)輸和吊裝都比較困難，且在施工安裝過(guò)程中需設(shè)置臨時(shí)支撐，極大地限制了疊合結(jié)構(gòu)的推廣使用。為了克服這種缺陷，故采用了預(yù)應(yīng)力倒T形疊合板代替疊合薄板，并且取消了次梁。

預(yù)應(yīng)力倒T形疊合板肋部厚度已達(dá)到疊合板的最終設(shè)計(jì)厚度，在施工過(guò)程中不需要安裝任何支撐，疊合面位于倒T形疊合板的翼緣部分。利用高強(qiáng)度鋼筋和高強(qiáng)混凝土形成高效預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板樓蓋，由工廠化制作成倒T形預(yù)應(yīng)力疊合式構(gòu)件，運(yùn)至工程現(xiàn)場(chǎng)安裝，與現(xiàn)澆混凝土疊合成新型裝配整體式樓蓋結(jié)構(gòu)。

3 有限元計(jì)算分析

3.1 有限元模型建立

本節(jié)利用Abaqus有限元分析軟件對(duì)單片鋼板桁架雙面疊合剪力墻進(jìn)行承載力驗(yàn)算以及對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行施工全過(guò)程有限元分析，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，鋼筋型號(hào)為HRB400，混凝土采用損傷本構(gòu)模型，鋼筋選用理想彈塑性本構(gòu)模型。

HPB400鋼筋的彈性模量及泊松比按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015年版）中規(guī)定的設(shè)計(jì)值選取。

3.1.1 鋼板桁架雙面疊合剪力墻有限元分析

預(yù)制鋼板桁架雙面疊合剪力墻向內(nèi)空腔澆筑混凝土?xí)斐蓛蓚?cè)剪力墻受到側(cè)向擠壓力，在Abaqus軟件中使用殼單元（S4R）模擬雙面剪力墻，使用桁架單元（T3D2）模擬鋼筋，殼單元網(wǎng)格尺寸為100 mm，桁架單元網(wǎng)格尺寸為50 mm，在剪力墻底部施加固端約束，2片剪力墻內(nèi)側(cè)分別施加側(cè)向的三角形荷載模擬混凝土的側(cè)向擠壓力。

3.1.2 新型地下裝配式結(jié)構(gòu)體系有限元模擬

為了深入研究新型裝配式結(jié)構(gòu)體系的受力性能，建立整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，為了節(jié)省計(jì)算成本，選取2跨進(jìn)行模擬，中間墻體為鋼板桁架雙面疊合剪力墻，兩側(cè)墻體為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

新型地下裝配式結(jié)構(gòu)體系中混凝土均采用C3D8R實(shí)體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元并嵌入混凝土中，實(shí)體單元網(wǎng)格尺寸為100 mm，桁架單元網(wǎng)格尺寸為50 mm，忽略鋼筋與混凝土二者之間的黏結(jié)滑移，考慮重力荷載和上部行車(chē)荷載，墻體下部施加固定端約束，樓面施加豎直向下的均布荷載。利用Abaqus的“生死單元技術(shù)”來(lái)模擬各個(gè)施工階段。整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。

圖5 整體結(jié)構(gòu)有限元模型

施工過(guò)程分為4個(gè)階段：第1階段首先將3片墻體施工完成；第2階段將PCB板吊裝完成；第3階段在PCB板上部鋪滿鋼筋并澆入混凝土面層；第4階段為正常使用階段，在樓面施加55 kN/m2行車(chē)荷載。

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 鋼板桁架雙面疊合剪力墻有限元結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，剪力墻在新澆混凝土側(cè)向擠壓力作用下的最大彎矩為4.6 kN·m，最大剪力60 kN。單片剪力墻的最大側(cè)向位移為0.3 mm。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》11.7節(jié)的規(guī)定，剪力墻的最大剪力承載力和最大彎矩承載力均要滿足規(guī)范要求。

3.2.2 新型地下裝配式結(jié)構(gòu)體系施工全過(guò)程有限元分析

第1階段結(jié)束時(shí)，2片墻體已完工，墻體在自身重力作用下豎向最大位移為0.08 mm。第2階段PCB板吊裝完畢后，PCB板受自身重力荷載作用，跨中最大位移為0.89 mm。第3階段樓面在自重與荷載作用下最大位移為1.34 mm。第4階段樓面在自重與行車(chē)荷載共同作用下跨中最大豎向位移為9.6 mm。

經(jīng)驗(yàn)算，PCB板的鋼筋最大應(yīng)力為193.6 MPa，遠(yuǎn)小于鋼筋的屈服應(yīng)力360 MPa，鋼筋處于彈性階段。PCB板混凝土受拉損傷主要集中在跨中下部，倒T梁部分混凝土未發(fā)生損傷?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》3.4.3節(jié)規(guī)定，跨度在7～9 m的樓板，撓度限值為跨度的1/300，本結(jié)構(gòu)中板的跨度為8 000 mm，撓度限值為8 000/300＝26.6 mm＞9.6 mm滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

為應(yīng)對(duì)日益稀缺的城市土地資源及滿足不斷提高的環(huán)保需求，污水處理廠建設(shè)開(kāi)始尋求向下發(fā)展，開(kāi)發(fā)利用地下空間。本文針對(duì)地下污水處理廠墻體高度過(guò)高，屋面板跨度過(guò)大特點(diǎn)，以構(gòu)件質(zhì)量輕量化、節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單化、施工便捷化考慮，研發(fā)了適用于地下污水處理廠的新型裝配式結(jié)構(gòu)體系。

1）采用有限元軟件建立了地下污水處理廠模型，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)度和剛度能夠滿足規(guī)范要求。

2）基于超高性能混凝土連接的鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T板，解決現(xiàn)有的大跨度項(xiàng)目中因預(yù)制構(gòu)件尺寸過(guò)大，質(zhì)量過(guò)大，吊裝困難且無(wú)法兼顧施工難度與施工效率的問(wèn)題。

最終形成1套施工環(huán)境較好、施工難度較低、施工效率較高的基于超高性能混凝土連接倒T板結(jié)合鋼板桁架雙面疊合剪力墻工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)體系，促進(jìn)了地下工程的工業(yè)化發(fā)展。