裝配式六邊形污水處理裝備結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究

楊永紅，劉悅敏，仇卓濤

（廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510799）

0 引言

近年來，改革開放政策的實(shí)施推動(dòng)了城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，各轄區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而，人口的迅速增加、工業(yè)的快速興起導(dǎo)致城市排污規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，許多城鎮(zhèn)地區(qū)現(xiàn)存的污水處理設(shè)施規(guī)模和數(shù)量已無法滿足轄區(qū)及周邊村鎮(zhèn)的需求，嚴(yán)重制約了城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展［1］。針對上述情況，提標(biāo)擴(kuò)容污水處理廠勢在必行。

隨著建筑工程技術(shù)的發(fā)展，新型裝配式技術(shù)在市政工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用［2-3］。相比于傳統(tǒng)的建筑方法，裝配式技術(shù)具有項(xiàng)目工期較短、勞動(dòng)力成本較低、環(huán)境影響較小等優(yōu)勢［4］。隨著近年來相關(guān)政策的出臺(tái)，各地加快污水處理設(shè)施的建設(shè)，更多的污水處理廠開始應(yīng)用效率更高、成本更低的裝配式污水處理裝備［5］。國內(nèi)外對裝配式污水處理裝備的實(shí)際應(yīng)用做了一定的研究。例如，在某污水處理廠建設(shè)中使用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)場施工流程，在降低成本、顯著降低工程難度的同時(shí)也確保了施工的質(zhì)量和安全［6-8］；某生物反應(yīng)池應(yīng)用定型化的裝配式型鋼替代傳統(tǒng)混凝土作為支撐結(jié)構(gòu)，具有可重復(fù)利用，普適性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［9］；成都市某水務(wù)局利用裝配式污水處理設(shè)備工藝，在有限的占地面積和時(shí)間內(nèi)完成了高度智能化、模塊化、集成化應(yīng)急污水處理廠的建設(shè)工作［10］；武漢市某鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理廠的建設(shè)過程中采用了裝配式建造工藝，解決了該項(xiàng)目工期緊、勞動(dòng)力成本過高、效率低下等問題。

目前大多裝配式污水處理廠采用的是混凝土預(yù)制方式，然而，預(yù)制混凝土存在安裝笨重、連接處易出現(xiàn)漏水等弊端。鋼構(gòu)因其體積小、強(qiáng)度高、防腐好等優(yōu)越性能在裝配式建造工程中有廣泛的應(yīng)用［11］。鋼構(gòu)通過加工改造還可以進(jìn)一步提升其性能。例如，蜂窩構(gòu)件具有承載力高、抗彎剛度大和方便穿越管線等優(yōu)點(diǎn)［12-13］；波紋腹板H型鋼將平腹板改為波紋腹板，從而能夠以較薄的腹板厚度，獲得較大的平面外剛度及較高的抗剪切屈曲承載能力［14］；熱浸鍍鋅處理可在鋼材表面形成鍍鋅膜，對內(nèi)部鋼材形成強(qiáng)力保護(hù)，有助于提高鋼結(jié)構(gòu)整體加工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)使用壽命［15-16］；聚脲噴涂技術(shù)應(yīng)用在鋼構(gòu)中可以達(dá)到很好的封水、防腐效果［17-18］。盡管裝配式鋼構(gòu)在其它建筑工程上有大量的研究和應(yīng)用，但鮮有關(guān)于污水處理廠裝配式設(shè)備結(jié)構(gòu)研究的報(bào)道。

本研究將從裝配式污水處理廠結(jié)構(gòu)形式、連接鋼板折板方式和防腐3 個(gè)方面分析基于六邊形裝配式結(jié)構(gòu)在污水處理廠中的優(yōu)勢：（1）基于等邊長不同組合，研究裝配式廢水設(shè)備的最佳連接結(jié)構(gòu)；（2）通過等質(zhì)量、同強(qiáng)度折板有限元受力分析，分析設(shè)備墻板最佳折板方式；（3）基于多種防腐工藝，探究提升鋼構(gòu)使用壽命的組合防腐工藝。

1 模塊化裝配式污水處理裝備

1.1 六邊形蜂窩形狀結(jié)構(gòu)分析

1.1.1 污水處理廠設(shè)計(jì)需求

假設(shè)某污水處理廠采用A2O 處理工藝，其生化處理單元進(jìn)一步分為厭氧單元、缺氧單元、好氧單元和沉淀單元共4 個(gè)單元模塊，每個(gè)單元模塊至少需要1 個(gè)相對獨(dú)立的分格。

1.1.2 構(gòu)筑物容積分析

（1）假定構(gòu)筑物水平截面的總邊長為10 m，水處理模塊僅由1 個(gè)構(gòu)筑物組成。圍成正方形的占地面積計(jì)算S1正方形＝6.25 m2，圍成圓形占地面積計(jì)算S1圓形＝7.96 m2，圍成六邊形占地面積計(jì)算S1六邊形＝7.22 m2。

（2）假定構(gòu)筑物水平截面的總邊長為10 m，水處理模塊由不低于4 個(gè)構(gòu)筑物組成（圖1）。圍成正方形的占地面積計(jì)算S2正方形＝2.78 m2，圍成圓形占地面積計(jì)算S2圓形＝1.98 m2（π 為圓周率），圍成六邊形占地面積計(jì)算S2六邊形＝2.88 m2。

圖1 六邊形蜂窩形狀結(jié)構(gòu)

上述分析結(jié)果表明，當(dāng)水處理模塊僅由1 個(gè)構(gòu)筑物組成時(shí)，相等周長下模塊容積由大到小依次為：圓形、六邊形、正方形。而當(dāng)水處理模塊由多個(gè)構(gòu)筑物（大于或等于4）組成時(shí)，相等周長下模塊容積由大到小依次為：六邊形、正方形、圓形。因此相比于正方形和圓形，在使用等量材料，并且構(gòu)筑物模塊較多的情況下，構(gòu)筑物水平截面為六邊形所組成的水處理模塊的容積更大。

1.2 構(gòu)筑物折板形式分析

污水處理構(gòu)筑物主要用于盛裝污水，因此要求構(gòu)筑物具有足夠的剛性以避免變形或坍塌。通常對鋼材進(jìn)行一定的折板處理后，可以使鋼板獲得可靠的強(qiáng)度并具有最大寬幅的同時(shí)不影響構(gòu)筑的美觀和使用性能。

項(xiàng)目研究選用等寬1 500 mm、高3 000 mm 的Q235鋼板，鋼板厚度4 mm，采用不同折板方式（圖2～3）折出等寬的折板，并且通過在各鋼板相同部位施加相同的力，查看各塊折板的變形量，從而判斷折板的強(qiáng)度。

圖2 彩瓦折板

圖3 波紋折板

本文選用標(biāo)準(zhǔn)鋼板（寬1 500 mm）進(jìn)行加工，共10塊鋼板被分別加工成彩瓦折板（6 種規(guī)格）、波紋折板（4 種規(guī)格），測試在外部載荷為30 000 N／m2的條件下進(jìn)行。墻板折彎深度越大，折彎間距平等抗壓能力越好。從表1 的數(shù)據(jù)可知，規(guī)格深度為65 mm、L158 ＋L158 mm的彩瓦板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最好。這些結(jié)果表明，采用等邊的折板工藝的墻板，折板的深度越深，墻板的強(qiáng)度越高。此外，折板的深度決定折彎后的板的寬度。而當(dāng)折板的形式確定時(shí)，板材的厚度對位移變形量影響較小。

表1 不同形式折板的SolidWorks水壓模型分析結(jié)果

1.3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)防腐研究

碳鋼材質(zhì)的一體化裝備廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，傳統(tǒng)的碳鋼防腐工藝有三油兩布或者五油三布等方式，布指的是玻璃纖維、無紡布等，油指的是環(huán)氧煤瀝青、環(huán)氧樹脂等。但傳統(tǒng)防腐工藝的防腐層韌性不足且容易脫落，通常壽命不超過10年。而使用熱浸鋅防腐工藝的鋼材防腐蝕年限通常可以達(dá)到40年以上，大量實(shí)際應(yīng)用案例證明了熱浸鋅防腐工藝優(yōu)異的防腐性能，例如，二戰(zhàn)期間云南滇緬公路排水涵——1937年制造出廠（1942年安裝完成）的云南滇緬遠(yuǎn)征軍公路采用熱鍍鋅鋼管作為排水涵洞，至今防腐性能依然較好，而該鋼管的熱鍍鋅層的雙面厚度僅有600 g／m2（圖4）。

圖4 云南滇緬遠(yuǎn)征軍公路鋼板

同樣采用熱鍍鋅防腐工藝的德國耶拿市鋼波紋管廊（建于1945年），至今仍未出現(xiàn)任何肉眼可見腐蝕現(xiàn)象（圖5）。再如近期采用熱浸鋅防腐工藝的項(xiàng)目南京溧水區(qū)S246省道下排水涵洞（直徑4.0 m，建于2002年），熱鍍鋅層的雙面厚度只有1 200 g／m2，至今仍未觀察到管道腐蝕現(xiàn)象（圖6）。上述調(diào)研結(jié)果表明，碳鋼熱浸鋅防腐工藝具有防腐性能好、使用時(shí)間長等特點(diǎn)。

圖5 德國耶拿市鋼波紋管廊

圖6 南京溧水區(qū)S246省道下排水涵洞

圖8 裝配式結(jié)構(gòu)三視圖

考慮到鋼材防腐的成本、外觀、使用環(huán)境等，相比于使用單一防腐涂層，使用多個(gè)防腐涂層的復(fù)合防腐工藝在鋼材防腐領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。復(fù)合防腐涂層通常分為底漆、中間漆和面漆三部分。底漆通常具有較強(qiáng)的附著力，使鋼材表面趨于平滑的同時(shí)具有較強(qiáng)的介質(zhì)屏蔽效果，如熱浸鋅、聚氨酯等。中間漆作為復(fù)合防腐涂層的連接漆，需要起到增加涂層厚度、附著力強(qiáng)并且封閉性能好等效果，如聚氨酯、磷酸鋅等。面漆直接與多種腐蝕性介質(zhì)接觸，因此其綜合防腐能力、耐熱性、低摩擦性均需要處于較高水平，并且需要起到一定的美觀裝飾作用。不同防腐材料的選擇應(yīng)該根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)、現(xiàn)場環(huán)境條件、腐蝕材料的性質(zhì)等條件來決定［19］。

1.4 模塊化裝配式結(jié)構(gòu)的研究

目前我國乃至全球市政污水處理裝備大都是采用定制化設(shè)計(jì)模式。然而，根據(jù)可研報(bào)告進(jìn)行方案比選和設(shè)計(jì)構(gòu)筑物，需要花費(fèi)大量的時(shí)間成本和人力成本進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而采用模塊化的鋼結(jié)構(gòu)裝配式的結(jié)構(gòu)，可以快速的根據(jù)現(xiàn)場地形條件完成裝配構(gòu)筑物布置，同時(shí)進(jìn)行地勘基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工和裝配式的鋼結(jié)構(gòu)加工，極大的縮短施工周期，且不易受到外界環(huán)境的影響。

模塊化裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的核心解決要素是零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、零部件少量化和滿足運(yùn)輸。傳統(tǒng)的裝配式構(gòu)筑需要采用立柱和連接板完成裝配零件的連接。本研究設(shè)計(jì)通過斜接連接板的方式，將裝配式的結(jié)構(gòu)拆分成兩個(gè)零部件加工件，分別為連接板和連接法蘭面，其中連接法蘭面可以焊接在連接板上，構(gòu)成一個(gè)整體部件，根據(jù)格局分格的需求和形狀可以拼裝出所需要的構(gòu)筑。3塊連接法蘭面通過螺栓連接可以組合成一個(gè)三角形，形成一個(gè)三角型立柱，在立柱內(nèi)部澆筑鋼砼，進(jìn)而增加模塊化裝配式鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度?？紤]運(yùn)輸需求，連接板部件最佳寬度尺寸為3.2 m 以內(nèi)，長度6 m（最大可以做到17 m）。并且根據(jù)污水處理工藝容積負(fù)荷設(shè)計(jì)需求，上述模塊結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用到大型的裝配結(jié)構(gòu)中。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用熱浸鋅防腐工藝厚度應(yīng)不小于1 200 g／m3（雙面合計(jì)），且內(nèi)外兩面的每面鋅層厚度不小于84 μm，熱浸鋅防腐處理工藝采用完全浸沒在熱鍍鋅池子內(nèi)部，鍍層無死角，保證鋼結(jié)構(gòu)部件不存在防腐瑕疵，確保鋼結(jié)構(gòu)每個(gè)角度鋅層的防腐厚度，熱浸鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)件，埋地后自行帶有陰極保護(hù)防腐方式，并且表面的氧化膜也起到非常好的防腐蝕作用，處理后用磷酸鋅做底漆，磷酸鋅以環(huán)氧樹脂、磷酸鋅、防銹顏填料、助劑和溶劑等配制而成環(huán)氧類油漆產(chǎn)品，是一種雙組份、高性能、化學(xué)固化環(huán)氧防銹底漆，同時(shí)與鍍鋅層具有優(yōu)良的結(jié)合、附著性能，再配套丙烯酸聚氨酯面漆或水性瀝青涂裝，對鋼材進(jìn)行深度強(qiáng)化防腐處理，確保裝備式鋼結(jié)構(gòu)使用壽命媲美鋼砼結(jié)構(gòu)或遠(yuǎn)超鋼砼結(jié)構(gòu)。

同時(shí)在裝備式鋼結(jié)構(gòu)防腐工藝中采用聚脲防腐，聚脲涂料涂層連續(xù)、致密、無針孔、無接縫，一次成膜厚度大，因而使用該涂料的裝備在酸、堿、鹽、地下和海洋等惡劣環(huán)境條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的重防腐性能，近年來其逐漸在環(huán)保水處理裝備中有較多應(yīng)用。

2 模塊化裝配式結(jié)構(gòu)項(xiàng)目應(yīng)用及分析

圖9 所示為湖南市某鎮(zhèn)200 t／d污水處理設(shè)施的建設(shè)項(xiàng)目，該污水處理設(shè)施采用六邊形的裝配式裝備結(jié)構(gòu)。構(gòu)筑物為六邊形柱裝體，水平橫截面邊長為1.02 m，高為3.6 m。構(gòu)筑物采用熱浸鋅防腐工藝，鋅層厚度不小于1 200 g／m3（雙面合計(jì)），且內(nèi)外兩面的每面鋅層厚度不小于84 μm，并使用磷酸鋅作為中間漆和丙烯酸聚氨酯作為面漆進(jìn)行防腐保護(hù)。污水處理設(shè)施由14 個(gè)構(gòu)筑物單元組成，不同構(gòu)筑物單元使用立柱緊密連接，可根據(jù)后續(xù)項(xiàng)目處理廢水量變化調(diào)整污水處理設(shè)施中的構(gòu)筑物單元個(gè)數(shù)。項(xiàng)目預(yù)計(jì)使用壽命超過30年，目前項(xiàng)目站點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 湖南項(xiàng)目現(xiàn)場

3 結(jié)束語

本文研究了模塊化裝配式污水處理裝備在構(gòu)筑物形狀結(jié)構(gòu)、墻板結(jié)構(gòu)以及防腐工藝上的相關(guān)應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)的方形結(jié)構(gòu)，六邊形結(jié)構(gòu)極大地提高了構(gòu)筑物的土地利用率。等邊折板和熱浸鋅-磷酸鋅-丙烯酸聚氨酯復(fù)合防腐工藝保證了構(gòu)筑物較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性能。此外，使用立柱和法蘭連接各構(gòu)筑物極大地提高了裝配式污水處理裝備的靈活性。本研究通過對污水處理裝備鋼構(gòu)構(gòu)筑物模塊化的研究，為日后水處理工藝構(gòu)筑物零部件標(biāo)準(zhǔn)化提供科學(xué)參考，進(jìn)而提高水處理設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量，快速響應(yīng)工程使用需求，降低成本。