國外某消化池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳晨旭 郎慶善

(浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 杭州310030)

引言

當(dāng)前在“一帶一路”戰(zhàn)略大背景的影響下, 我國的水處理公司也開拓了很多的國外市場(chǎng), 為相關(guān)國家的水處理事業(yè)和環(huán)境保護(hù)事業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。 但是, 涉外工程項(xiàng)目的建設(shè)過程并非一帆風(fēng)順, 其中最突出的問題就是要結(jié)合所在國家的建筑材料以及材料價(jià)格來控制成本。 因此, 也要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要更加的合理、 更加的精細(xì), 對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

本文將以尼泊爾首都加德滿都某污水處理廠消化池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例做簡要介紹。 消化池原本已經(jīng)由國內(nèi)相關(guān)單位完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)厚度較大, 鋼筋用量較多。 但是由于尼泊爾的混凝土價(jià)格以及鋼筋價(jià)格均比國內(nèi)的價(jià)格高出很多, 經(jīng)過測(cè)算本消化池的投資遠(yuǎn)高于國內(nèi)同類工程項(xiàng)目, 因此業(yè)主要求對(duì)該消化池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化從而控制主體結(jié)構(gòu)建造成本。

1 工程及原設(shè)計(jì)概況

尼泊爾某污水處理廠共有2 座消化池。 池體內(nèi)徑16m, 結(jié)構(gòu)總高度19.2m。 結(jié)構(gòu)主體自下而上由倒圓錐殼、 底環(huán)梁、 圓柱殼、 上環(huán)梁、 錐殼、 集氣室、 頂板等單元構(gòu)件組成。 原設(shè)計(jì)池體剖面示意見圖1。

圖1 消化池剖面Fig.1 Section of anaerobic digester

因尼泊爾執(zhí)行印度規(guī)范《PLAN AND REINFORCEED CONCRETE CODE OF PRACTICE》(IS456∶2000)[1], 因此原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)材料均選用當(dāng)?shù)胤嫌《纫?guī)范的材料。 混凝土強(qiáng)度等級(jí)M40, 150mm 立方體28d 混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值40N/mm2； 鋼筋等級(jí)為 Fe500, 鋼筋屈服強(qiáng)度500N/mm2。

原設(shè)計(jì)圓柱殼的壁厚為750mm, 環(huán)向鋼筋隨高度而變化, 由25@ 100mm 過渡到20@150mm。 原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)采用D=400mm 鉆孔灌注樁基礎(chǔ), 樁頂設(shè)置300mm 碎石墊層, 碎石墊層上再做300mm ～2480mm 厚的倒圓錐M40 素混凝土底座, 然后再在素混凝土底座上澆筑消化池底板。 基礎(chǔ)剖面示意見圖1。

2 優(yōu)化思路分析

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)此消化池結(jié)構(gòu)做法的初步分析, 確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點(diǎn)在于兩點(diǎn):

首先, 是針對(duì)圓柱殼的優(yōu)化, 因?yàn)閳A柱殼采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 壁厚較大, 鋼筋用量較多。

其次, 是針對(duì)基礎(chǔ)做法的優(yōu)化, 因?yàn)榛A(chǔ)已經(jīng)采用了鉆孔灌注樁基礎(chǔ), 底板下的素混凝土底座可以優(yōu)化處理, 減少混凝土的用量。 后續(xù)將針對(duì)這兩點(diǎn)進(jìn)行分析說明。

3 普通鋼筋混凝土消化池結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

3.1 荷載工況

當(dāng)采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí), 本工程消化池考慮以下幾種荷載[2,3]:

(1) 結(jié)構(gòu)自重: 鋼筋混凝土容重γG=25kN/m3；

(2)內(nèi)水壓: 污水容重γw=11kN/m3； 國內(nèi)設(shè)計(jì)一般消化池污水容重取10.5 kN/m3, 但是本工程的國際監(jiān)理工程師要求污水容重取11kN/m3。

(3)內(nèi)氣壓:4.0kN/m2(根據(jù)工藝條件)；

(4)活荷載:4.0kN/m2；

(5)溫度荷載: 考慮壁面溫差為10℃；

(6)外土壓: 根據(jù)結(jié)構(gòu)埋深按實(shí)際計(jì)算確定,同時(shí)需要考慮地震荷載參與組合的動(dòng)土壓力；

(7)地震荷載: 根據(jù)印度規(guī)范《CRITERIA FOR EARTHQUAKE RESISTANT DESIGN OF STRUCTURES》(IS1893 ∶2016)[4]考慮水平地震荷載組合, 包括自重慣性力、 動(dòng)水壓力和動(dòng)土壓力。 關(guān)于地震荷載需要特別說明的是, 在尼泊爾2015 年大地震后, 將抗震設(shè)計(jì)的要求大幅度提高。 監(jiān)理要求抗震計(jì)算時(shí)的參數(shù)均取IS1893 的最大值, 區(qū)域系數(shù)取值為0.36g(g為地震加速度), 重要性系數(shù)為1.5。 地震影響超過國內(nèi)的8度區(qū)較多, 因此地震荷載的影響比較大, 這一點(diǎn)與國內(nèi)水池大部分不考慮抗震荷載的情況區(qū)別較大。

消化池根據(jù)不同的工況階段荷載組合較多,需要分別考慮施工階段、 試水階段、 使用階段、檢修階段。 以下僅列出主要的荷載組合工況:

組合1: 結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)水壓+內(nèi)氣壓+活荷載+溫度荷載+地震荷載；

組合2: 結(jié)構(gòu)自重+外土壓+活荷載+溫度荷載+地震荷載；

組合3: 結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)水壓+內(nèi)氣壓+外土壓+活荷載+溫度荷載+地震荷載；

其中組合1 為控制荷載工況。

3.2 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)分析采用SAP2000 有限元計(jì)算分析軟件進(jìn)行建模分析。 池體采用殼單元進(jìn)行模擬, 環(huán)梁采用框架梁單元進(jìn)行模擬。

材料信息、 地震參數(shù)的輸入選擇印度規(guī)范的相應(yīng)版本并進(jìn)行相關(guān)的材料參數(shù)設(shè)置。 荷載工況以及荷載組合根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行輸入。

邊界條件: 由于本工程采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ), 因此底板的邊界條件考慮為固結(jié)。

3.3 內(nèi)力計(jì)算

對(duì)于消化池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說, 對(duì)結(jié)構(gòu)截面起控制作用的通常是環(huán)向拉力和豎向彎矩, 尤其是環(huán)向拉力[6]。 環(huán)向拉力主要由池內(nèi)水壓力產(chǎn)生,當(dāng)考慮溫度作用時(shí), 溫度作用產(chǎn)生的環(huán)向拉力和豎向彎矩不可忽略, 當(dāng)溫差較大時(shí)完全可能成為控制荷載工況。

對(duì)于消化池的圓柱殼來說, 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是在池內(nèi)水壓力以及溫度作用下環(huán)向拉應(yīng)力的控制。 為了更簡明扼要地說明問題, 以下僅給出控制荷載組合下的SAP2000 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果, 荷載組合為: 組合1 =自重+內(nèi)水壓+內(nèi)氣壓+頂板活荷載+地震荷載+溫度荷載。

圓柱殼的環(huán)向拉力以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形如圖2 所示。

圖2 環(huán)向拉力(單位: kN)Fig.2 Diagram of circumferential tension (unit: kN)

圓柱殼的環(huán)向拉應(yīng)力以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形如圖3 所示。

圖3 環(huán)向拉應(yīng)力(單位: N/mm2)Fig.3 Diagram of circumferential tensile stress (unit: N/mm2)

由SAP2000 的計(jì)算結(jié)果可以進(jìn)一步看出原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理之處:

(1)圓柱殼的拉應(yīng)力最大部位并不是在最下端, 而是基本位于圓柱殼高度的中部。 因此原設(shè)計(jì)環(huán)向鋼筋沿著圓柱殼高度方向由上而下遞增的配筋方式與實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)力不符, 最大的環(huán)向鋼筋面積并未配置在實(shí)際拉力最大的部位。

(2)圓柱殼的最大拉應(yīng)力2.35N/mm2的數(shù)值已經(jīng)超出了印度鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范《CONCRETE STRUCTURES FOR STORAGE OF LIGUIDS—CODE FOR PRACTICE》 (IS 3370 ∶2009)[7,8]對(duì)于抵抗裂縫混凝土容許拉應(yīng)力1.8N/mm2的要求。

(3)本消化池設(shè)計(jì)由于考慮了印度抗震規(guī)范的最大地震荷載作用, 因此地震作用影響較大。

因此, 對(duì)于原設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化很有必要。一個(gè)可行的方案就是對(duì)圓柱殼施加預(yù)應(yīng)力, 通過預(yù)加壓應(yīng)力來抵消大部分內(nèi)水壓力和溫度作用下產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力, 從而改善池壁的受力狀態(tài)。

4 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土消化池結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

4.1 荷載工況

當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí), 本工程消化池所需考慮的荷載除了3.1 節(jié)所列出的荷載以外, 增加了預(yù)加壓應(yīng)力, 這個(gè)預(yù)加壓應(yīng)力將作為施加在消化池上的恒荷載[9]。 荷載組合也應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況相應(yīng)的調(diào)整。

4.2 預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算

由于尼泊爾當(dāng)?shù)仡A(yù)應(yīng)力鋼筋的采購問題, 本工程采用國內(nèi)的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線, 鋼絞線規(guī)格為4φ15.2, 抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fptk=1860N/mm2,錨具采用夾片式圓形錨具, 千斤頂張拉, 采用后張法, 張拉控制應(yīng)力為σcon=0.75fptk=1395N/mm2。每圈預(yù)應(yīng)力筋分兩段張拉, 每段預(yù)應(yīng)力筋包角180°。 為了減少摩擦損失的不均勻性, 上下相鄰2 圈預(yù)應(yīng)力筋相互交錯(cuò)張拉錨固。

預(yù)應(yīng)力損失根據(jù)《給水排水工程預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土圓形水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》 (CECS216:2006)[5]計(jì)算:

(1)張拉端錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl1=213.5N/mm2；

(2)預(yù)應(yīng)力筋與池壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失σl2=245.1N/mm2；

(3)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl3=48.8N/mm2；

(4) 混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl4=50N/mm2；

(5)分批張拉引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5, 采用超張拉和補(bǔ)足張拉措施, 此類預(yù)應(yīng)力損失較小, 可以不考慮。

由于σl2距離張拉端越遠(yuǎn)越大, 而σl1的分布恰好與之相反, 因此取兩者最大值[9]。 總預(yù)應(yīng)力損失為∑σl=343.9N/mm2。 有限預(yù)應(yīng)力σpe=1051.1N/mm2。

4.3 計(jì)算模型

SAP2000 有限元模型在之前的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可。 圓柱殼壁厚由750mm 改為400mm, 并增設(shè)預(yù)應(yīng)力束對(duì)圓柱殼施加預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力筋選用4φ15.2 的鋼絞線, 單根鋼絞線截面積As=140mm2。

根據(jù)多次試算, 預(yù)應(yīng)力筋在圓柱殼高度范圍的2m ～5m 范圍間距@ 250mm, 其他范圍間距@500mm。

試算時(shí)按照國內(nèi)規(guī)范《給水排水工程預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土圓形水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS216∶2006)在無地震荷載參與組合的工況下不出現(xiàn)拉應(yīng)力的要求作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 內(nèi)力計(jì)算

在3.2 節(jié)荷載組合1 的基礎(chǔ)上疊加預(yù)應(yīng)力荷載后的圓柱殼環(huán)向拉力結(jié)果如圖4 所示。 從圖4中可以看出, 在地震作用參與組合的工況下圓柱殼僅有很小的拉力存在(拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于印度水池設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的容許拉應(yīng)力值), 內(nèi)水壓力與預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生的壓力大致抵消。

圖4 施加預(yù)應(yīng)力后環(huán)向拉力(單位: kN)Fig.4 Diagram of circumferential tension with prestressing (unit: kN)

圓柱殼的環(huán)向拉應(yīng)力如圖5 所示。 從圖中可以看出, 施加預(yù)應(yīng)力后圓柱殼拉應(yīng)力大幅度減小。

圖5 施加預(yù)應(yīng)力后環(huán)向拉應(yīng)力(單位: N/mm2)Fig.5 Diagram of circumferential tensile stress with prestressing (unit: N/mm2)

圖5 顯示在施加預(yù)應(yīng)力后圓柱殼底部仍有很小的拉應(yīng)力存在, 這是由于較大的地震荷載作用產(chǎn)生的影響。 如果要滿足在地震作用參與組合的工況下無拉應(yīng)力出現(xiàn), 則需要繼續(xù)增加預(yù)加應(yīng)力, 這樣會(huì)產(chǎn)生較大的豎向彎矩, 又會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)厚度和配筋產(chǎn)生較大影響。 因此經(jīng)過設(shè)計(jì)權(quán)衡, 在滿足印度水池設(shè)計(jì)規(guī)范抗裂容許拉應(yīng)力(遠(yuǎn)小于抗裂容許拉應(yīng)力)的情況下, 報(bào)請(qǐng)監(jiān)理批準(zhǔn)并通過設(shè)計(jì)。

4.5 采用預(yù)應(yīng)力后優(yōu)化效果

采用預(yù)應(yīng)力后, 圓柱殼壁厚由750mm 減少到400mm, 圓柱殼部分的混凝土用量相應(yīng)減少約200m3。 此外, 環(huán)向鋼筋用量也相應(yīng)減少約20t。根據(jù)當(dāng)?shù)氐脑牧蟽r(jià)格測(cè)算, 單池可節(jié)約土建原材料投資約38 萬元人民幣, 兩座則可以減少土建原材料投資約76 萬元人民幣。 即便考慮到預(yù)應(yīng)力施工會(huì)增加一些費(fèi)用, 但是節(jié)約的原材料成本依然非常的顯著, 具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

5 基礎(chǔ)優(yōu)化

原設(shè)計(jì)在鉆孔灌注樁的樁頂設(shè)置了300mm厚的碎石墊層以及厚度很大的素混凝土底座, 因此基礎(chǔ)的混凝土用量較大, 僅素混凝土底座的用量就達(dá)到約600m3。 而當(dāng)?shù)鼗炷恋膬r(jià)格較為昂貴, 因此素混凝土底座造價(jià)較高。 原設(shè)計(jì)已經(jīng)采用了鉆孔灌注樁基礎(chǔ), 且經(jīng)過計(jì)算復(fù)核, 樁基完全可以滿足印度樁基規(guī)范《DESIGN AND CONSTRUCTION OF PILE FOUNDATIONS -CODE OF PRACTICE》(IS2911(Part 1/Sec 2)∶2010)[10]關(guān)于鉆孔灌注樁對(duì)單樁承載力以及群樁承載力的要求。 也就是說, 原設(shè)計(jì)的樁基已經(jīng)可以滿足承載力要求。 因此素混凝土底座的設(shè)置并不經(jīng)濟(jì), 在確保承載力的前提下, 完全可以將鉆孔灌注樁與底板直接連接, 從而取消素混凝土底座減少混凝土用量, 同時(shí)取消樁頂?shù)?00mm 厚碎石墊層以節(jié)約投資。

針對(duì)以上分析, 采用臺(tái)階狀的底板, 將鉆孔灌注樁的樁頂直接嵌入鋼筋混凝土底板, 優(yōu)化后的底板剖面見圖6。

優(yōu)化后單座消化池基礎(chǔ)的混凝土量可以減少472m3, 碎石墊層減少86m3, 根據(jù)當(dāng)?shù)氐脑牧蟽r(jià)格測(cè)算, 單座消化池基礎(chǔ)可以減少土建原材料投資約60 萬元人民幣, 兩座則可以減少土建原材料投資約 120 萬元人民幣。 經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

圖6 優(yōu)化后的基礎(chǔ)剖面Fig.6 Section of optimized foundation

6 結(jié)論

1.對(duì)消化池采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)后, 結(jié)構(gòu)斷面尺寸以及用鋼量均得到了優(yōu)化, 減少了結(jié)構(gòu)原材料的用量, 節(jié)省了投資。

2.對(duì)于采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的消化池基礎(chǔ),基礎(chǔ)構(gòu)造做法應(yīng)盡量簡潔。 本工程對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行的優(yōu)化處理大幅度節(jié)約了投資。

通過對(duì)消化池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì), 取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益, 也為以后類似工程的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。