考慮變形協(xié)調(diào)影響的南通市某污水廠生化池設(shè)計(jì)

王 印 陳令才 崔 云

（1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210001；2.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210023）

0 前言

在給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員往往更重視對(duì)承受水土壓力的壁板內(nèi)力分析，而對(duì)不承受水壓力的導(dǎo)流墻和因檢修而設(shè)置的局部水平梁板等相對(duì)次要構(gòu)件重視不足。規(guī)范[1]和《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]對(duì)敞口水池、有蓋水池壁板簡(jiǎn)化算法都有規(guī)定，但對(duì)頂板有局部水平梁拉結(jié)的情況則沒(méi)有說(shuō)明。由于適用于給排水構(gòu)筑物的有限元設(shè)計(jì)軟件不夠普及，設(shè)計(jì)人員常常采用簡(jiǎn)化的單構(gòu)件設(shè)計(jì)方法，對(duì)構(gòu)件之間的變形協(xié)調(diào)、內(nèi)力傳遞也缺少準(zhǔn)確的分析。生化池尺寸較大、導(dǎo)流墻設(shè)置較多并且頂部會(huì)因?yàn)闄z修或推流器安裝而設(shè)置局部水平梁板，這類水池在水壓力的作用下變形較大，各構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)變形也更大，當(dāng)采用簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)方法時(shí)，由于計(jì)算誤差較大，因此可能存在一定的安全隱患。

在南通市某污水處理廠生化池的設(shè)計(jì)中，筆者采用midas Gen 有限元分析軟件整體建模，著重對(duì)導(dǎo)流墻、局部水平梁進(jìn)行分析，總結(jié)了這類構(gòu)筑物設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)注意幾個(gè)問(wèn)題，以供廣大設(shè)計(jì)人員參考。

1 方案設(shè)計(jì)

該工程新建2.5 萬(wàn)m3/d 生化反應(yīng)池，采用AO+MBBR工藝，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一座2 組。單組水池長(zhǎng)64.2m，寬42.4m，壁板高7m，設(shè)計(jì)水深6.8m，為地上敞口式水池。水池長(zhǎng)方向設(shè)兩道伸縮縫將水池分為三個(gè)區(qū)格，作為三個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，短方向設(shè)一道后澆帶。外壁板采用變截面，底部厚700mm，頂部厚400mm；內(nèi)部導(dǎo)流墻采用等截面，壁厚300mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，單組生化池結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 單組生化池結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

該文選取具有代表性的區(qū)格一采用midas Gen 進(jìn)行計(jì)算，梁采用梁?jiǎn)卧溆啾诎寮暗装宀捎冒鍐卧?，其中外壁板按變截面建模，板分割尺寸?.5 m。當(dāng)梁?jiǎn)卧c板單元平面內(nèi)連接時(shí)，連接處采用設(shè)置輔助剛性梁?jiǎn)卧姆椒M梁端轉(zhuǎn)角約束。約束水池四角底部節(jié)點(diǎn)的水平方向位移，采用面彈性支承模擬底板下土體作用。

該文列舉的內(nèi)力值除注明外，均為試水工況基本組合（1.3GK+1.3FWK）下的計(jì)算結(jié)果，板單元內(nèi)力值為單元中心值，區(qū)格一模型如圖2 所示，節(jié)點(diǎn)二處梁截面尺寸為300mm×400mm，節(jié)點(diǎn)三處梁截面尺寸為300mm×600mm。

圖2 生化池模型示意圖

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)

2.1 導(dǎo)流墻對(duì)外壁板的支座作用

由于生化池內(nèi)部導(dǎo)流墻通常設(shè)洞口連通，因此盛水工況比較簡(jiǎn)單，一般僅外壁板承受水壓力。設(shè)計(jì)人員往往將外壁板按擋水墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壁板按豎向懸臂結(jié)構(gòu)計(jì)算并配置鋼筋，水平方向在外壁板相交處按規(guī)范[1]對(duì)角隅區(qū)計(jì)算內(nèi)力并配置局部支座負(fù)筋，中部則按分布鋼筋構(gòu)造配置。內(nèi)部導(dǎo)流墻不承受面外水壓力，截面尺寸一般較小，僅按構(gòu)造要求對(duì)其配筋，而忽略其對(duì)外壁板的支承作用。通過(guò)有限元計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)一處導(dǎo)流墻截面尺寸雖然較小，但是導(dǎo)流墻與外壁板垂直相交，導(dǎo)流墻平面內(nèi)剛度很大，能夠提供較大的拉力，此時(shí)，導(dǎo)流墻對(duì)外壁板有明顯的支承作用。節(jié)點(diǎn)處外壁板支座負(fù)彎矩達(dá)到187 kN·m/m，該值已經(jīng)接近按水池規(guī)范角隅區(qū)彎矩公式計(jì)算值。此處，外壁板內(nèi)側(cè)必須增加水平鋼筋以滿足承載力及裂縫控制要求。導(dǎo)流墻處壁板在水壓力作用下變形及水平彎矩分布如圖3 所示。

筆者對(duì)該例中的節(jié)點(diǎn)三處外壁板進(jìn)行試算，對(duì)類似生化池外壁板這種長(zhǎng)度與高度之比較大的豎向單向板，導(dǎo)流墻的位置與壁板支座負(fù)彎矩值呈一定規(guī)律變化：當(dāng)導(dǎo)流墻靠近外壁板端支座時(shí)，支座彎矩Mxx值最小。越靠近跨中則支座彎矩越大，但彎矩增量趨緩，跨中處達(dá)到最大。計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，圖中Lx為導(dǎo)流墻距離端支座距離，L0為外壁板水平長(zhǎng)度。

圖4 導(dǎo)流墻位置引起的支座彎矩變化

2.2 池頂水平梁對(duì)外壁板的支座作用

梁作為受彎構(gòu)件，其對(duì)受力壁板的面外支座作用也容易被忽視，文獻(xiàn)[4]指出拉梁對(duì)壁板的約束作用不可忽視，而且常規(guī)的簡(jiǎn)化算法不能計(jì)算這種支座作用引起的內(nèi)力。對(duì)節(jié)點(diǎn)二、節(jié)點(diǎn)三進(jìn)行計(jì)算可知，梁和受力壁板變形協(xié)調(diào)，對(duì)壁板有明顯的拉結(jié)作用。水平梁雖然僅拉結(jié)在壁板頂部，但是水平彎矩從頂部到底部均表現(xiàn)為局部負(fù)彎矩。對(duì)節(jié)點(diǎn)二來(lái)說(shuō)，由于梁位于導(dǎo)流墻平面內(nèi)，抗側(cè)剛度較大，對(duì)外壁板支座的作用更明顯，表現(xiàn)為局部負(fù)彎矩值更大；對(duì)節(jié)點(diǎn)三來(lái)說(shuō)，由于梁與導(dǎo)流墻正交，抗側(cè)剛度較小，因此對(duì)外壁板支座的作用相對(duì)較弱。計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)二處外壁板變形及水平彎矩

圖6 節(jié)點(diǎn)三處壁板變形及外壁板水平彎矩

值得注意的是，節(jié)點(diǎn)三導(dǎo)流墻由于變形協(xié)調(diào)也出現(xiàn)局部彎矩，在該例中由于水平梁作用于兩道導(dǎo)流墻，導(dǎo)流墻內(nèi)力較?。ㄈ鐖D7 所示，最大值為57 kN·m/m），按構(gòu)造配筋已不能滿足裂縫控制的要求。對(duì)水平梁僅作用于一道導(dǎo)流墻的情況來(lái)說(shuō)，導(dǎo)流墻局部必然需要配置更多的鋼筋。

圖7 節(jié)點(diǎn)三處導(dǎo)流墻彎矩

2.3 池頂水平梁的設(shè)計(jì)

由2.2 節(jié)分析可知，池頂水平梁與外壁板在水壓力作用下變形協(xié)調(diào)，在外壁板內(nèi)引起局部負(fù)彎矩，在梁內(nèi)則引起較大的軸力及彎矩。內(nèi)水壓力作用標(biāo)準(zhǔn)組合（1.0FWK）下計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9 所示。節(jié)點(diǎn)二和節(jié)點(diǎn)三處梁內(nèi)力有明顯差別，經(jīng)過(guò)分析可知這種桿件內(nèi)力隨抗側(cè)剛度的變化具有一定的規(guī)律性。

圖8 節(jié)點(diǎn)二處水平梁在水壓力作用下彎矩及軸力

圖9 節(jié)點(diǎn)三處水平梁在水壓力作用下彎矩及軸力（雙跨梁）

軸力方面，節(jié)點(diǎn)二水平梁與導(dǎo)流墻面內(nèi)連接，抗側(cè)剛度較大，水平位移很小，引起的梁內(nèi)軸力值更大，達(dá)到427.5kN；而節(jié)點(diǎn)三水平梁與導(dǎo)流墻面外連接，抗側(cè)剛度較小，水平位移較大，梁內(nèi)軸力得到一定釋放，軸力值為101.9kN。

彎矩方面，由變形協(xié)調(diào)作用引起的彎矩由支座轉(zhuǎn)角θ和支座豎向位移Δ 兩方面組成，該例中由水壓力引起的豎向位移在節(jié)點(diǎn)二和節(jié)點(diǎn)三處沒(méi)有明顯的差別，因此主要考慮支座轉(zhuǎn)角的影響。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》[3]可知，當(dāng)兩端固定單跨梁支座轉(zhuǎn)角為θ時(shí)，梁端彎矩為彎矩與梁線剛度及支座轉(zhuǎn)角成正比。雖然該公式不能直接用于該工程的梁端彎矩計(jì)算，但是可以幫助理解梁端彎矩的相對(duì)大小及方向。

節(jié)點(diǎn)二處的水平位移很小，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角主要是由壁板撓曲變形引起的。節(jié)點(diǎn)三的水平位移較大，引起的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角明顯大于節(jié)點(diǎn)二，表現(xiàn)為梁支座彎矩值更大，最大值為57 kN·m。這個(gè)規(guī)律可以通過(guò)刪除節(jié)點(diǎn)三處一跨梁得到進(jìn)一步驗(yàn)證（如圖10 所示）。此時(shí)節(jié)點(diǎn)三處抗側(cè)剛度顯然比連接兩道導(dǎo)流墻時(shí)更小，通過(guò)表1 對(duì)計(jì)算結(jié)果的匯總可以更直觀地看出這種規(guī)律。

圖10 節(jié)點(diǎn)三處水平梁在水壓力作用下彎矩及軸力（單跨梁）

表1 不同抗側(cè)剛度引起梁軸力及彎矩

另外，值得注意的是節(jié)點(diǎn)二和節(jié)點(diǎn)三梁與外壁板交接處梁端彎矩方向相反，這個(gè)差別可以對(duì)比節(jié)點(diǎn)處變形得到解釋：節(jié)點(diǎn)二處由于節(jié)點(diǎn)水平位移很小，壁板局部豎向變形類似于兩端固結(jié)梁，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角方向θ與水壓力作用方向一致，支座處池內(nèi)一側(cè)受拉；節(jié)點(diǎn)三處由于節(jié)點(diǎn)水平位移較大，壁板及水平梁變形類似于承受水平荷載的側(cè)移框架，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角方向θ與水壓力作用方向相反，節(jié)點(diǎn)處外壁板池外一側(cè)受拉。

通過(guò)這節(jié)分析可知，這部分內(nèi)力值在梁截面設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略，甚至起到主導(dǎo)作用。因此，池頂水平梁不能根據(jù)跨度及豎向荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)，否則可能存在較大的安全隱患。

水平梁與受力壁板變形協(xié)調(diào)引起的內(nèi)力有時(shí)會(huì)讓壁板及梁配筋困難。鑒于這種情況，筆者在該項(xiàng)目中采取措施對(duì)梁端約束進(jìn)行釋放，即在外壁板與梁相交處設(shè)牛腿，使外壁板僅承受梁端豎向力，那么可以簡(jiǎn)化壁板及梁內(nèi)力計(jì)算，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖11 所示。需要注意的是牛腿須設(shè)計(jì)足夠的梁支承寬度，以免水壓力和地震力作用下壁板變形造成梁端滑移脫落。

圖11 壁板設(shè)牛腿釋放梁端約束（單位：mm）

2.4 伸縮縫位置的選取

該工程生化池長(zhǎng)64.2 m，沿長(zhǎng)方向設(shè)兩道伸縮縫。伸縮縫的位置應(yīng)選擇在溫度應(yīng)力最大的地方，一般將池體等分。經(jīng)過(guò)前面的分析可知，導(dǎo)流墻、池頂水平梁均對(duì)外壁板變形具有一定的約束作用，伸縮縫距離這類約束距離越近，變形越小。因此，選取伸縮縫位置時(shí)也應(yīng)考慮伸縮縫距離兩側(cè)這類約束構(gòu)件的距離，使伸縮縫處兩邊壁板變形值盡可能地接近，以免變形差過(guò)大造成橡膠止水帶破壞或影響橡膠止水帶耐久性而發(fā)生漏水事故。

3 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算及結(jié)果對(duì)比可以得到以下4 個(gè)結(jié)論：1）導(dǎo)流墻對(duì)承受水壓力的外壁板具有明顯的支座作用，支座負(fù)彎矩值控制外壁板配筋；彎矩值大小隨導(dǎo)流墻的位置變化，當(dāng)導(dǎo)流墻位于外壁板跨中時(shí)，彎矩值達(dá)到最大。2）池頂局部水平梁對(duì)承受水壓力的外壁板也具有支座作用。由于抗側(cè)剛度差異，因此導(dǎo)流墻支座作用最明顯，其次為與導(dǎo)流墻平面內(nèi)連接的梁。這個(gè)支座作用影響外壁板內(nèi)力分布及配筋。對(duì)梁與導(dǎo)流墻平面外連接的情況，也可能會(huì)影響導(dǎo)流墻的配筋。3）對(duì)水平梁與受力壁板變形協(xié)調(diào)引起的梁內(nèi)力，隨連接處抗側(cè)剛度的變化具有一定的規(guī)律性且應(yīng)注意彎矩方向。這部分內(nèi)力在梁截面設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略，否則可能存在較大的安全隱患。在工程中也可對(duì)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)釋放梁端約束，以簡(jiǎn)化壁板及梁內(nèi)力計(jì)算。4）在選取伸縮縫位置時(shí)，也應(yīng)考慮導(dǎo)流墻及水平梁對(duì)外壁板變形的約束作用，使變形縫處兩側(cè)壁板變形值盡可能地接近，以免變形差過(guò)大造成伸縮縫漏水事故。