關(guān)于雙層疊合水池結(jié)構(gòu)布置形式研究

楊路 左其剛 劉貴 祝年虎

中國市政工程西南設計研究總院有限公司 成都 610081

引言

近年來，隨著建設用地越來越緊張，在凈水廠和污水廠的建設中，人們開始探索疊合水池的應用和推廣，并且已經(jīng)擁有很多成功的工程實例。黃志萍［1］通過工程實例介紹了疊合式水池的設計思路；丁大鈞［2］結(jié)合工程實例介紹了多層水池的前景；吳晨旭［3］等通過Midas軟件分析了雙層水池的計算方法。到目前為止，缺少對下部導流墻布置形式及導流墻截面對整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響的研究。因此本文主要探討構(gòu)筑物在疊合設計時，不同導流墻布置形式及導流墻截面厚度改變對池體內(nèi)力的影響。

1 雙層疊合水池常見布置形式

雙層疊合水池在各類凈水廠和污水廠中被廣泛應用，凈水廠項目中沉淀池與清水池的疊建、污水廠項目中濾池與消毒接觸池的疊建是較為常見的雙層疊合水池布置形式。上部沉淀池或濾池的布置方式與單層水池基本一致，下部水池通常為導流墻布置的清水池或消毒接觸池。本文主要研究下部導流墻不同布置形式及導流墻厚度改變對池體內(nèi)力的影響情況。

2 下部導流墻與上部水池中隔墻等厚度同向布置

導流墻與上部水池中隔墻等厚度同向布置為最常見的布置形式，上部水池在一格滿水一格空狀態(tài)時，中壁板底部彎矩較大，考慮上部水池壁板根部彎矩直接傳遞到下層導流墻，上下層水池分隔中板作為中部支撐點的受力模型。如圖1所示，上部濾池深度7m，下部接觸池深度4m，取上部濾池中隔墻厚度0.6m，下部接觸池導流墻厚度也取0.6m，中板厚度取0.5m。

圖1 下部導流墻與上部水池中隔墻等厚度同向布置Fig.1 Lower and upper wall with the same thickness and layout

上部濾池分隔墻考慮一格滿水一格空時，均為受力隔墻，該布置方式理念是希望上部中隔墻底部彎矩直接傳至下部導流墻，這樣受力明確。但經(jīng)SAP2000有限元板殼單元建模分析計算，如圖2所示，該模型忽略了濾池底板（即疊合水池中板）的嵌固作用，上部中隔墻根部彎矩傳至中板時，絕大部分彎矩由中板平衡。下部導流墻即使厚度與上部受力隔墻一致，分攤的彎矩也非常小。

圖2 內(nèi)水工況一格滿水一格空作用下豎向彎矩（單位：kN·m）Fig.2 Vertical bending moment when one is full of water，and one is empty（unit：kN·m）

經(jīng)SAP2000有限元板殼單元建模分析計算，上部濾池壁板豎向跨中彎矩最大為-35kN·m，濾池壁板底部支座最大彎矩為410kN·m；下部接觸池豎向跨中彎矩最大為-50kN·m，底部支座最大彎矩為40kN·m；中板X方向最大正彎矩為280kN·m，最大負彎矩為-150kN·m。因下部接觸池導流墻兩側(cè)無水壓差，因此水平向內(nèi)力計算在各種疊建模式下均無變化；經(jīng)計算可知上部濾池壁板根部彎矩比《給水排水工程結(jié)構(gòu)設計手冊》（第二版）［4］假定的單向板凈力計算結(jié)果略小20%左右。這個計算結(jié)果經(jīng)分析是可以采用的，有限元計算時即使長高比大于3，一般計算結(jié)果在單向板和雙向板之間，當長高比大于5時，有限元計算結(jié)果基本與手冊查表計算結(jié)果一致。根據(jù)有限元計算結(jié)果可知，中板對上部濾池壁板有較強的嵌固作用。

3 下部導流墻與上部水池中隔墻變厚度同向布置

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，上部濾池隔墻彎矩基本上不往下部導流墻傳遞，因此減小下部接觸池導流墻厚度的布置方式似乎可行，下層水池的導流墻按構(gòu)造壁板考慮。如圖3所示，僅將下部接觸池導流墻厚度改為0.3m。

圖3 下部導流墻與上部水池中隔墻變厚度同向布置Fig.3 Lower and upper wall with variable thickness and the same layout

經(jīng)SAP2000有限元板殼單元建模分析計算，如圖4所示，上部濾池壁板豎向跨中彎矩最大為-40kN·m，濾池壁板底部支座最大彎矩為402kN·m；下部接觸池豎向跨中彎矩最大為-12kN·m，底部支座最大彎矩為10kN·m，中板X方向最大正彎矩為288kN·m，最大負彎矩為-172kN·m。經(jīng)計算可知，下部接觸池壁厚變薄對上部濾池壁板及中板內(nèi)力計算結(jié)果影響可忽略不計，中板對上部濾池壁板嵌固作用明顯。

圖4 內(nèi)水工況一格滿水一格空作用下豎向彎矩（單位：kN·m）Fig.4 Vertical bending moment when one is full of water，and one is empty（unit：kN·m）

4 下部導流墻與上部水池中隔墻垂直方向布置

下部導流墻與上部水池中隔墻垂直布置形式也較為常見，經(jīng)前述兩種模型計算分析可知，上下層水池之間中板對上部濾池壁板嵌固作用非常明顯，故下層水池的導流墻按構(gòu)造壁板考慮。如圖5所示，取上部濾池中隔墻厚度0.6m，下部接觸池導流墻厚度取0.3m，中板厚度取0.5m。

圖5 下部導流墻與上部水池中隔墻垂直布置Fig.5 Lower and upper wall with the vertical layout

經(jīng)計算可知，如圖6所示。上部濾池壁板彎矩與前述模型計算結(jié)果基本一致，上下層水池之間中板因上下兩層水池隔墻垂直布置，將中板劃分為雙向受力板，下部接觸池導流墻對中板的支承作用較為明顯，因此中板內(nèi)力比前述模型計算結(jié)果均小，如圖7所示。中板X方向?qū)獮V池壁板根部處最大負彎矩為-245kN·m，跨中最大彎矩為40kN·m；中板Y方向最大負彎矩為-113kN·m，跨中最大彎矩為78kN·m。下部接觸池導流墻因無水壓差，內(nèi)力均較小，可忽略不計。

圖6 內(nèi)水工況一格滿水一格空作用下豎向彎矩（單位：kN·m）Fig.6 Vertical bending moment when one is full of water，and one is empty（unit：kN·m）

圖7 內(nèi)水工況一格滿水一格空作用下中板彎矩（單位：kN·m）Fig.7 The bending moment calculation chart of medium plate when one is full of water，and one is empty（unit：kN·m）

綜上可知，下部水池導流墻與上部水池中隔墻垂直方向布置對上層水池內(nèi)力計算影響甚微，但對中板內(nèi)力計算更為有利，且往往該方式布置導流墻更利于工藝流程走向。

5 結(jié)論

綜上可知，當上部水池結(jié)構(gòu)形式及板厚不變，且受力狀態(tài)一致，僅下部水池導流墻布置方式及壁厚發(fā)生改變時，可得出：

1.雙層疊合水池中板可作為上部受力隔墻嵌固端，上部受力隔墻內(nèi)力基本不傳遞到下部導流墻，下部導流墻沒必要與上部受力隔墻采用同樣的厚度。

2.雙層疊合水池下部導流墻布置方式不影響上部水池受力隔墻內(nèi)力，但對中板內(nèi)力影響較大，當下部導流墻垂直上部受力隔墻布置時，對中板受力更為有利。

本文通過對不同導流墻布置形式的雙層疊合水池內(nèi)力分析研究，以及對已建成運營的雙層疊合水池現(xiàn)狀調(diào)查表明，水池疊建是合理可行的，且大部分情況都能節(jié)省投資，減少占地，在用地緊張的情況下具有較強的推廣作用。