半地下高效沉淀及預(yù)氧化綜合池結(jié)構(gòu)分析與探討

李錦

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

引言

污水處理廠是保證良好城市生態(tài)環(huán)境的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，是城市可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代城市不可或缺的組成部分［1］。由于大部分污水處理廠屬于（半）地下結(jié)構(gòu)，工藝布置復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，工程投資大，在充分發(fā)揮地下污水處理廠效益的同時(shí)，如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少工程投資，已成為亟待解決的問(wèn)題［2］。

本文以浙江省某半地下高效沉淀預(yù)氧化綜合池為例，研究地下復(fù)雜水池結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)荷載選取和相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行定性分析，為地下污水處理廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，為今后類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

浙江地區(qū)某污水處理廠三期工程的半地下高效沉淀預(yù)氧化綜合池平面尺寸為39.5m×27.5m，由高效沉淀池及預(yù)氧化池組合而成，其中預(yù)氧化池平面尺寸為14.3m ×27.5m，高效沉淀池平面尺寸為25.2m ×27.5m。設(shè)計(jì)地面標(biāo)高3.00m，池頂標(biāo)高9.00m，底板面標(biāo)高-0.05m，池體高度10.30m。結(jié)構(gòu)平面及剖面如圖1 所示。

圖1 高效沉淀及預(yù)氧化綜合池結(jié)構(gòu)示意（單位： m）Fig.1 Structural diagram of high efficiency sedimentation and pre oxidation comprehensive tank（unit：m）

1.2 工程地質(zhì)

工程場(chǎng)地地貌類(lèi)型屬于濱海平原，勘探深度范圍內(nèi)的土體主要由素填土、淤泥質(zhì)黏土、含淤泥黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、粉砂組成。

工程場(chǎng)地地下水主要為潛水，埋深一般為地面下0.3m ～2.4m，設(shè)計(jì)抗浮水位按地面以下0.5m考慮。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

高效沉淀預(yù)氧化綜合池為矩形鋼筋混凝土局部有蓋水池結(jié)構(gòu)，水池側(cè)壁板厚600mm，頂板厚200mm，底板厚800mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)C35，池體結(jié)構(gòu)的抗?jié)B標(biāo)準(zhǔn)為P6。

基礎(chǔ)埋深4.10m，池體底板位于淤泥質(zhì)黏土層，經(jīng)初步驗(yàn)算，天然地基不滿足地基承載力及沉降，故設(shè)置樁基?；A(chǔ)形式采用PHC 管樁φ400mm，樁長(zhǎng)約38m，樁基持力層為粉砂層，單樁承載力特征值約為1000kN。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 有限元模型

利用Robot Structural有限元軟件對(duì)高效沉淀預(yù)氧化綜合池的三維整體模型進(jìn)行內(nèi)力分析。三維整體模型如圖2所示，底板、側(cè)壁及頂板采用板單元，梁柱采用桿單元，樁基采用豎向彈簧約束。

圖2 三維模型簡(jiǎn)圖Fig.2 3D model sketch

2.2 荷載取值及分析工況

半地下式水池所受荷載主要為內(nèi)水壓、外土壓、地下水壓、地面超載等。其中水土壓力按主動(dòng)土壓力計(jì)算［3］，土壓力系數(shù)取值為0.5，池內(nèi)水位高度為7.85m，地面超載按20.0kN／m2。側(cè)壁所受荷載分布簡(jiǎn)圖如圖3 及所示。模型工況主要為外土工況、內(nèi)水工況，計(jì)算結(jié)果取各工況下的包絡(luò)值。

圖3 池體側(cè)壁荷載分布簡(jiǎn)圖Fig.3 Load distribution diagram of side wall of pool body

3 結(jié)果與討論

3.1 三維模型計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

選取側(cè)壁A（圖2）作為研究對(duì)象，側(cè)壁長(zhǎng)10.15m，寬8.65m，厚600mm，走道板懸挑長(zhǎng)度為1.0m，板厚200mm。經(jīng)比較，內(nèi)力計(jì)算由內(nèi)水工況控制，因此只驗(yàn)算池內(nèi)內(nèi)部滿水工況。

內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表1 所示，對(duì)于邊緣彎矩，三維計(jì)算結(jié)果略小于二維計(jì)算結(jié)果。這是因?yàn)樵诙S計(jì)算中，側(cè)壁頂部采用自由端約束，未考慮走道板的影響，而在三維模型中，由于整體模型的建立，計(jì)算中考慮了走道板的約束作用?？傮w上二維與三維計(jì)算結(jié)果相近，驗(yàn)證了三維模型的準(zhǔn)確性。

表1 側(cè)壁計(jì)算彎矩值（單位：kN·m／m）Tab.1 Bending moment value of side wall（unit：kN·m／m）

3.2 走道板約束作用的影響分析

1.走道板尺寸

走道板可視為水池側(cè)壁的支撐構(gòu)件，由文獻(xiàn)［4］可知，走道板通常作為側(cè)壁的彈性支承，對(duì)側(cè)壁的支撐作用較小。水池結(jié)構(gòu)往往因?yàn)楣に嚄l件的限制，側(cè)壁的尺寸通常是固定的［5］。因此，在側(cè)壁尺寸一定的條件下，走道板的懸挑長(zhǎng)度h1、厚度t1及水平跨度l1成為影響其對(duì)側(cè)壁約束作用的主要因素。

以側(cè)壁長(zhǎng)度l ＝10.15m、寬度h ＝8.65m、厚度t ＝600mm為例，研究走道板懸挑長(zhǎng)度h1、板厚t1及水平跨度l1對(duì)側(cè)壁內(nèi)力的影響。計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖4 所示，側(cè)壁荷載分布簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

圖4 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖Fig.4 Calculation model diagram

圖5 側(cè)壁荷載分布Fig.5 Sidewall load distribution

在l ＝l1且不變的情況下，走道板懸挑長(zhǎng)度h1與板厚t1對(duì)側(cè)壁豎直下邊緣彎矩M-的影響如圖6 所示。M-隨著t1的增加近似線性減小。當(dāng)t1一定時(shí)，h1越大，M-越小。這是因?yàn)閔1與t1的增加在一定程度上增加了走道板結(jié)構(gòu)本身的剛度，提高了走道板對(duì)側(cè)壁的約束作用，導(dǎo)致側(cè)壁下邊緣的彎矩減小。圖7為走道板h1與t1一定時(shí)，水平跨度l1對(duì)側(cè)壁內(nèi)力的影響。隨著l1／h 的增加，側(cè)壁跨中彎矩M+先增加后減小，豎直下邊緣支座彎矩M-則相反；在l1／h ＝0.5時(shí)，M+最大，M-最小。

圖6 走道板懸挑長(zhǎng)度與板厚對(duì)側(cè)壁內(nèi)力的影響Fig.6 Influence of the overhanging length and thickness of walkway slab on the internal force of side wall

圖7 走道板水平跨度對(duì)側(cè)壁內(nèi)力影響Fig.7 Influence of horizontal span of walkway slab on internal force of side wall

綜上所述，在側(cè)壁尺寸一定時(shí)，加大走道板的懸挑長(zhǎng)度及板厚可提高走道板對(duì)側(cè)壁的約束作用；當(dāng)走道板水平跨度與側(cè)壁寬度之比為0.5時(shí)，走道板對(duì)側(cè)壁的約束最大。

2.側(cè)壁長(zhǎng)寬比

由文獻(xiàn)［4］可知，當(dāng)側(cè)壁寬度h 一定時(shí)，走道板對(duì)側(cè)壁約束作用的影響因素主要為側(cè)壁長(zhǎng)度l與寬度h的比值。

不同側(cè)壁長(zhǎng)寬比l／h 下，有無(wú)走道板的側(cè)壁跨中彎矩M+及支座彎矩M-見(jiàn)表2。隨著長(zhǎng)寬比l／h 的增加，M+先增加后減小，M-逐漸增加；走道板對(duì)M+及M-的影響先增加后減小，在l／h ＝2.0 ～3.5 時(shí)，走道板對(duì)M-及M+的影響達(dá)到最大。

表2 不同側(cè)壁長(zhǎng)寬比下跨中彎矩及支座彎矩（單位：kN·m／m）Tab.2 Mid span bending moment value under different side wall span height ratio（unit：kN·m／m）

因此，側(cè)壁本身的長(zhǎng)寬比也影響走道板的約束作用，側(cè)壁長(zhǎng)寬比為2.0 ～3.5 時(shí)，走道板的約束作用最為明顯。側(cè)壁剛度較大時(shí)，從整體數(shù)值上看，走道板對(duì)側(cè)壁內(nèi)力的影響不大，在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，忽略走道板的約束作用是可行的。

3.3 樁基礎(chǔ)對(duì)底板內(nèi)力的影響分析

對(duì)于地下水池結(jié)構(gòu)，頂板和側(cè)壁的計(jì)算模式相對(duì)簡(jiǎn)單明了，而底板的計(jì)算分析則較為復(fù)雜。對(duì)于直接落在自然地基上的底板而言，計(jì)算模式一般包括：線性反力法、彈性地基法等，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常將側(cè)壁視為約束端，考慮側(cè)壁傳來(lái)的彎矩，對(duì)底板施加凈反力，進(jìn)而對(duì)底板進(jìn)行受力分析［6］。然而，當(dāng)?shù)鼗休d力和沉降不能滿足而設(shè)置樁基礎(chǔ)時(shí)，底板的計(jì)算分析更為復(fù)雜［7］。對(duì)于設(shè)置樁基礎(chǔ)的底板，通常采用無(wú)梁樓蓋模型及彈性支座模型［8］，下文對(duì)帶樁基的底板的內(nèi)力進(jìn)行分析研究。

選取整體模型中最大跨度底板作為研究對(duì)象，長(zhǎng)度為12.6m，寬度為12.6m，厚800mm，縱橫向樁間距均為2.7m，底板均布荷載85kPa，樁基采用豎向受壓彈簧約束。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8 底板計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.8 Calculation diagram of base plate

無(wú)梁樓蓋模型是將柱與板視為簡(jiǎn)支約束，由圖9 可知，與彈性支座模型（支座彈簧系數(shù)Kz＝10MN／m3）相比，無(wú)梁樓蓋模型的底板支座彎矩較大，跨中彎矩較小。

圖9 底板彎矩（單位： kN·m／m）Fig.9 Bottom bending moment diagram（unit：kN·m／m）

對(duì)于彈性支座模型，樁基豎向彈簧系數(shù)Kz對(duì)底板彎矩的影響如圖10 所示。當(dāng)Kz＝0 ～20MN／m3范圍內(nèi)時(shí)，隨著Kz的增加，底板跨中彎矩M+減小，支座彎矩M-增大。當(dāng)Kz＞20MN／m3時(shí)，M+與M-變化不大。由此可見(jiàn)，只有在特定范圍內(nèi)，底板內(nèi)力對(duì)樁基豎向彈簧剛度的變化較為敏感。

圖10 樁基豎向彈簧系數(shù)對(duì)彎矩的影響Fig.10 Influence of vertical spring coefficient of pile foundation on bending moment

這說(shuō)明，只有在樁基豎向彈簧剛度大（Kz＞20MN／m3），即樁基布置密集且樁端承載力大的情況下，如嵌巖樁基［11］，無(wú)梁樓蓋的計(jì)算模型才更貼近實(shí)際。當(dāng)樁基持力層較弱，樁端承載力較小時(shí)，如摩擦樁，彈性支座模型更為合理，而該方法的關(guān)鍵在于樁基彈簧系數(shù)的選取，實(shí)際工程中應(yīng)有可靠的相關(guān)試樁經(jīng)驗(yàn)曲線，通過(guò)文獻(xiàn)［9］中的方法近似計(jì)算樁基剛度，進(jìn)而選取合理的計(jì)算模式。

4 結(jié)論與建議

1.二維模型由于無(wú)法考慮側(cè)壁與底板的協(xié)同作用及板間彎矩分配等因素，其計(jì)算結(jié)果與三維整體模型有一定差異。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然三維整體建模分析能更好地反映復(fù)雜水池結(jié)構(gòu)在不同工況下的實(shí)際受力，但采用二維傳統(tǒng)計(jì)算對(duì)相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行復(fù)核也是不可或缺的。

2.分析了走道板尺寸對(duì)側(cè)壁內(nèi)力的影響，在側(cè)壁尺寸一定時(shí)，加大走道板的懸挑長(zhǎng)度及板厚可提高走道板對(duì)側(cè)壁的約束作用；當(dāng)走道板水平跨度與側(cè)壁寬度之比為0.5 時(shí)，走道板對(duì)側(cè)壁的約束最大。

3.側(cè)壁本身的長(zhǎng)寬比影響走道板的約束作用，長(zhǎng)寬比為2.0 ～3.5 時(shí)，走道板的約束作用最為明顯。當(dāng)側(cè)壁剛度較大時(shí)，走道板對(duì)側(cè)壁內(nèi)力的整體數(shù)值影響不大，在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，忽略走道板的約束作用是可行的。

4.對(duì)于帶樁基的底板，與彈性支座模型相比，無(wú)梁樓蓋模型的底板支座彎矩較大，跨中彎矩較小。只有在樁基豎向彈簧剛度大，即樁基布置密集且樁端承載力大的情況下，如嵌巖樁基，無(wú)梁樓蓋的計(jì)算模型才更貼近實(shí)際。當(dāng)樁基持力層較弱，樁端承載力較小時(shí)，如摩擦樁，彈性支座模型更為合理。