關(guān)宇

（中國昆侖工程公司，北京 100037）

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的不短擴(kuò)大，現(xiàn)在混凝土水池的尺寸和容量向越來越大的趨勢(shì)發(fā)展。

按現(xiàn)行的《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50069-2002（以下簡稱規(guī)范）的要求，在室外露天的條件下每20m設(shè)置一道伸縮縫。常用做法是在伸縮縫之間設(shè)置橡膠止水帶。這種方法應(yīng)用在小尺寸的水池（如40m以內(nèi)時(shí)），效果比較理想。但在大型水池中，由于尺寸非常大，需要縱橫方向設(shè)置多條伸縮縫。把水池分成很多個(gè)獨(dú)立的單元，這樣會(huì)存在幾個(gè)問題。（1）橡膠止水帶因?yàn)椴牧咸匦栽蛉菀桌匣?，影響使用年限。?）伸縮縫處普遍存在漏水和滲水問題。因?yàn)樯炜s縫處節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，混凝土澆筑時(shí)不容易澆實(shí)。一旦漏水會(huì)造成環(huán)境污染，甚至造成水池基礎(chǔ)塌陷，產(chǎn)生較大變形，將底板拉壞。（3）抗震性能差。因?yàn)樗乇环殖啥鄠€(gè)單元，水池整體性比較差，在地震作用下伸縮縫處很容易撞壞或拉壞。

根據(jù)規(guī)范的要求，水池除需要進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度驗(yàn)算外，在正常使用極限狀態(tài)下，水池還需要進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)下的裂縫驗(yàn)算。當(dāng)池壁為雙向板或池壁高度小于6m時(shí)，池壁的支座、跨中彎矩值都不是很大，此時(shí)水池的壁厚和配筋都不太大。普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式一般均可滿足強(qiáng)度和裂縫寬度限制的要求，相對(duì)經(jīng)濟(jì)合理。但有時(shí)為滿足工藝的要求，水池的尺寸會(huì)很大。此時(shí)池壁的計(jì)算模型常常為單向板且池壁很高（大于7m）。計(jì)算后池壁所得彎距值很大。此時(shí)如仍然采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在滿足裂縫要求的情況下就會(huì)造成池壁很厚，配筋量也很大。

2 預(yù)應(yīng)力技術(shù)在大型水池中應(yīng)用

2.1 由于水池尺寸過長，設(shè)置伸縮縫又存在很多弊端。如不設(shè)置伸縮縫，混凝土產(chǎn)生的溫度應(yīng)力非常大，會(huì)造成池壁開裂。通過對(duì)池壁和池底施加預(yù)應(yīng)力可以有效解決溫度應(yīng)力問題。此外，通過在池壁施加預(yù)應(yīng)力還可以有效減少池壁厚度并有效控制裂縫。

2.2 下面以某污水處理廠中事故調(diào)節(jié)池為例，介紹如何應(yīng)用有限元軟件ANSYS計(jì)算水池應(yīng)力，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。工程概況：

調(diào)節(jié)池長96m，寬70m，池壁高度8.5m。為矩形多格有蓋（池蓋采用鋼檁條上鋪設(shè)玻璃鋼瓦）水池。水池充水高度7.5m，池底板埋深1.2m。水池平面見圖1。

圖1 事故調(diào)節(jié)池底板平面布置圖

2.2.1 計(jì)算模型

在水池池壁設(shè)置500×800和800×800扶壁柱（具體位置見圖一），在池壁頂部設(shè)置300×800圈梁。因?yàn)槭鹿食乜缍葹?8米，故在池中中設(shè)置500×500框架柱，用來減少池頂板拉梁的計(jì)算長度。水池長期在水溫80℃狀態(tài)下工作。水池基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PHC 500 AB 100-26，底板厚度600mm,池壁厚度400mm,混凝土強(qiáng)度C40，鋼筋采用HRB400。由于水池體型巨大，且充水水位較高，在使用荷載下較易出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致滲漏，為防止池壁、池底混凝土在水壓力、水溫度及混凝土收縮徐變作用下出現(xiàn)裂縫，在各矩形水池池壁、池底中均配置了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，在池頂拉梁中配置有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。扶壁柱、拉梁、樁基礎(chǔ)采用beam188單元，池壁采用shell63單元，樁基邊界條件為樁端剛接，具體模型見圖2。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

（1）荷載工況

該調(diào)節(jié)水池池壁高8.5m，設(shè)計(jì)水位位于池壁7.5m高處，承受80℃水壓力作用。水池各部位具體荷載作用如下：池壁：7.5m水壓力作用，池壁底部壓強(qiáng)為0.075Mpa；80℃溫度作用；池底：0.075Mpa水壓力；80℃溫度作用；扶壁柱：80℃溫度作用；主拉梁：自重作用和頂蓋荷載；次拉梁：自重作用和頂蓋荷載。

（2）計(jì)算結(jié)果分析

由于計(jì)算結(jié)果的通用性，本文選取A軸池壁進(jìn)行分析。圖3～圖6所示為A軸池壁豎向變形、水平變形及水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力分布圖。

圖3 A軸池壁豎向變形云圖

圖4 A軸池壁水平變形云圖

圖5 A軸池壁水平應(yīng)力分布云圖

圖6 A軸池壁垂直應(yīng)力分布云圖

根據(jù)上述變形云圖可知，A軸池壁的水平最大位移為4.75mm，出現(xiàn)在池壁中部位置；其豎向最大位移為2.71mm，出現(xiàn)在池壁的最上部。同時(shí)，由應(yīng)力分布云圖可知，A軸池壁水平應(yīng)力最大值發(fā)生在長池壁與短池壁的交界位置處，其值為6.06MPa；最大垂直應(yīng)力發(fā)生在A軸池壁與底板的交界處，其值為11.23MPa。

2.2.3 水池預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

由于該水池容積大，一旦發(fā)生滲漏將產(chǎn)生非常大危害。因此，該水池采用一級(jí)抗裂等級(jí)。在設(shè)計(jì)時(shí)，采用的預(yù)應(yīng)力為1860Mpa，ΦS15.2mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線。預(yù)應(yīng)力鋼絞線控制應(yīng)力取δcon=0.75 fptk，首先根據(jù)裂縫控制條件估算Npe，然后求得預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)，最后根據(jù)預(yù)應(yīng)力度求得非預(yù)應(yīng)力面積。預(yù)應(yīng)力筋布置如圖7所示。

池壁非預(yù)應(yīng)力筋施工圖如圖8所示。

3 大型鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常采用的其他構(gòu)造措施

3.1 設(shè)置后澆帶

后澆帶的施工工藝是在帶兩側(cè)先澆筑混凝土，待兩側(cè)混凝土澆筑40～60d后采用比兩側(cè)強(qiáng)度高一級(jí)的混凝土進(jìn)行帶內(nèi)澆筑來減少大體積或者超長結(jié)構(gòu)混凝土裂縫產(chǎn)生的方法。后澆帶存在一些缺點(diǎn)：一般設(shè)計(jì)要求后澆帶的澆筑時(shí)間需待兩側(cè)結(jié)構(gòu)混凝土澆筑后兩個(gè)月，因此在很多工程中這樣會(huì)影響總工期。后澆帶在兩側(cè)混凝土澆筑后需要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)、清理與鑿毛，給后期施工無形中增添了一定的工程量。由于有施工縫存在，在地下工程及其他有防水要求的地方，增加了滲漏隱患。

3.2 設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶

連續(xù)式膨脹加強(qiáng)帶需要在帶內(nèi)和帶外添加補(bǔ)償收縮混凝土，有限制膨脹率的要求。連續(xù)澆筑方式就是帶內(nèi)和帶外混凝土一起澆筑，兩側(cè)均不埋設(shè)止水鋼板，因此工期大大縮短，澆筑完畢后沒有施工縫。由于膨脹加強(qiáng)帶的整個(gè)結(jié)構(gòu)都需要添加膨脹劑，因此在材料價(jià)格方面會(huì)大于后澆帶，（每噸外加劑的價(jià)格在1000-1600左右，一千方的混凝土大概需要添加30噸左右）。本工程采用的是連續(xù)式膨脹加強(qiáng)帶做法，具體設(shè)置位置見圖1。

結(jié)語

由于采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，水池各構(gòu)件尺寸均有一定程度的減少。和普通混凝土水池相比，池壁尺寸大約可以減小20-40%。普通鋼筋使用量減少約20%-40%。雖然總造價(jià)略高于普通混凝土水池，但預(yù)應(yīng)力水池取消了伸縮縫，使得水池整體性，耐久性、抗震性、抗?jié)B性能得到很大提高。此外預(yù)應(yīng)力水池由于取消了伸縮縫，使得施工周期大大縮減。隨著無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的不斷發(fā)展，其造價(jià)也在不斷的降低。加之上述的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)可以解決大型混凝土水池設(shè)計(jì)中采用普通混凝土結(jié)構(gòu)不能解決的實(shí)際問題，越來越多的業(yè)主和工程師的青睞。

[1]陶學(xué)康.無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)與施工[M].北京：地震出版社.

[2]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ92-2004.無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB50069-2002.給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[4]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).CECS138-2002.給排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.