王福彬 周晨

(1.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司 200082；2.南京市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 210008)

引言

目前，對鋼筋混凝土高懸臂水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用兩種方法：對高懸臂壁板簡化為懸挑板進(jìn)行設(shè)計； 增加扶壁柱對高懸臂壁板簡化為水平單向板進(jìn)行設(shè)計。 此兩種方法成熟安全可靠，故經(jīng)常應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計中，但是此兩種方法會造成結(jié)構(gòu)尺寸大，占地面積大，對于一些特殊擴(kuò)建工程現(xiàn)場條件受限，無法采用這兩種方法進(jìn)行設(shè)計，因此需另辟蹊徑，對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

本文通過實(shí)際工程設(shè)計實(shí)例，對鋼筋混凝土高懸臂水池進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，從而達(dá)到節(jié)約用地、節(jié)省工程造價的目的。

1 工程概況

南京市某污水處理廠擴(kuò)建工程采用深床濾池工藝，為兩個單元上下對稱，兩個單元之間設(shè)置雙墻分開，該敞口高懸臂水池其中一個單元長度為32.930m，寬度為18.44m，凈深7.29m，如圖1 所示。 水池壁板總體采用混凝土強(qiáng)度為C30，保護(hù)層厚度為35mm，采用 HRB400 鋼筋； 由于是污水處理廠，裂縫按0.20mm 控制。 由于該水池長度及寬度方向均超長，故在長度方向設(shè)置了后澆帶，寬度方向采用雙墻設(shè)為兩個水池，兩水池間距1m。 每個水池又分4 個區(qū)格，且每個區(qū)格水池都有單獨(dú)允許的工況，即每個區(qū)格都可能單獨(dú)有水的工況出現(xiàn)。

圖1 深床濾池布置Fig.1 Deep bed filter arrangement

由于該項(xiàng)目為擴(kuò)建工程，現(xiàn)場條件受限：在該深床濾池的北側(cè)及寬度方向的上方8m 處為新建的接觸消毒池，在這兩個水池之間存在1 根DN2000 的生產(chǎn)管線及相應(yīng)的寬度為5m 的閥門井，1 根 DN250 的污泥管，1 根 DN300 污水管；在該深床濾池的南側(cè)及寬度方向上的下方距離7m 處為進(jìn)出廠唯一現(xiàn)狀主干道，在這主干道之間存在1 根DN2000 生產(chǎn)管及相應(yīng)的寬度為5m閥門井，且該閥門井只能設(shè)置與該深床濾池及主干道之間，還存在DN250 中水回用管道。 考慮到現(xiàn)場條件受限還需要預(yù)留一定的空間進(jìn)行基坑支護(hù)。

按常規(guī)設(shè)計，該種池型的水池?zé)o法在此種受限的廠區(qū)進(jìn)行布置，因此必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計使該工藝在現(xiàn)場得以實(shí)施。

2 整體方案的比選

2.1 懸臂設(shè)計

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池設(shè)計規(guī)程》(CECS 138：2002)[1]、《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊(第二版)》[2]，池壁壁板長度LB/池壁壁板高度HB＞3，故該深床濾池，壁板為上無支撐的懸臂單向板。 最外側(cè)為水土荷載，內(nèi)側(cè)為濾料及水荷載。 內(nèi)側(cè)計算水位至頂部平衡孔處，即計算水深為6.79m； 濾料高度為4.34m。 該壁板內(nèi)側(cè)長度方向壁板由于存在分格運(yùn)行工況，故每一格壁板兩面均須考慮水及濾料荷載。 由于壁板較高，最外側(cè)壁板內(nèi)側(cè)水壓荷載大于外側(cè)水土壓力荷載，故最外側(cè)壁板內(nèi)水壓力為主控荷載。 由于每個區(qū)格均須單獨(dú)運(yùn)行，故每個區(qū)格長度方向壁板受力情況相似，均為懸臂單向板結(jié)構(gòu)形式。

在運(yùn)行工況下，設(shè)計水位距離池壁頂端500mm 安全水位超高，池壁計算時池壁高度可只考慮設(shè)計水位至底板的距離，即6790mm 的壁板高度，即水池壁板受力情況如圖2 所示。

圖2 荷載計算簡圖Fig.2 Load calculation diagram

根據(jù)荷載簡圖，在長期效應(yīng)準(zhǔn)永久組合作用下，每延米懸壁板底彎矩Mq為：

式中：Mq1為水側(cè)向壓力所產(chǎn)生的彎矩；Mq2為濾料側(cè)向壓力所產(chǎn)生的彎矩。

根據(jù)《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50069 -2002)[3]進(jìn)行最大裂縫計算，C30 混凝土相關(guān)參數(shù)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010 -2010)(2015)[4]進(jìn)行選?。翰捎帽诎搴穸葹?900mm，鋼筋直徑為 25mm，布置間距125mm，每延米鋼筋配筋面積As為3925mm2/m。

截面有效高度：

受彎構(gòu)件裂縫計算系數(shù)α1、α2為：

HRB400 縱向受拉鋼筋表面特征系數(shù)：

受彎構(gòu)件的縱向受拉鋼筋應(yīng)力：

有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率：

裂縫計算：

式中：b為截面寬度(mm)；h為截面高度(mm)；ψ為裂縫間受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2)；ωmax為混凝土構(gòu)件截面最大裂縫寬度(mm)；Es為鋼筋的彈性模量；c為最外層縱向受拉鋼筋的混凝土凈保護(hù)層厚度；d為縱向受拉鋼筋直徑。

根據(jù)計算，該深床濾池高懸臂壁板根據(jù)常規(guī)按懸臂板計算，底部截面厚度不小于900，且鋼筋直徑為25mm 間距125mm 可以滿足要求。

2.2 有支撐設(shè)計

根據(jù)該池型特點(diǎn)，可考慮利用該池型配水渠底板設(shè)計成水平臥梁，作為該深床濾池高懸臂壁板的支點(diǎn)，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榫嚯x頂部2350mm 處有支撐，下部在底板處固支的受力狀態(tài)，該種優(yōu)化設(shè)計布置具體見圖3。 此種假設(shè)成立，配水渠底板的水平剛度應(yīng)滿足《給水排水工程鋼筋混凝土水池設(shè)計規(guī)程》(CECS 138：2002)[1]第 6.1.4 條水平剛度支承的要求。 池外壁配水渠底板水平剛度相對于其他位置處最小，故只需驗(yàn)算最外側(cè)水平剛度。

最外側(cè)壁板配水渠底板截面慣性矩：

壁板截面慣性矩：

最外側(cè)壁板配水渠底板計算跨度L與池壁壁板高度HB的比值：

滿足《給水排水工程鋼筋混凝土水池設(shè)計規(guī)程》(CECS 138：2002)[1]第 6.1.4 條水平剛度支承的要求。 故該壁板配水渠可作為池壁的不動鉸支承。

圖3 優(yōu)化設(shè)計布置Fig.3 Optimization layout design

取單位壁板寬度進(jìn)行受力分析，其可以簡化為梁長度為6790mm，左側(cè)固支，右側(cè)自由，距離右側(cè)1850mm 處存在豎向支座，具體見圖4。

圖4 優(yōu)化設(shè)計荷載計算簡圖Fig.4 Optimization design load calculation diagram

根據(jù)圖5 優(yōu)化設(shè)計受力分析，在長期效應(yīng)準(zhǔn)永久組合作用下，每延米懸壁板底彎矩：

根據(jù)《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50069 -2002)[3]進(jìn)行最大裂縫計算，C30 混凝土相關(guān)參數(shù)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010 -2010)(2015)[4]進(jìn)行選?。翰捎帽诎搴穸葹?400mm，鋼筋直徑為 20mm，布置間距125mm，每延米鋼筋配筋為2512mm2/m。

圖5 優(yōu)化設(shè)計受力分析Fig.5 Optimization design stress analysis

截面有效高度：

受彎構(gòu)件：α1=0，α2=1.0

HRB400 縱向受拉鋼筋表面特征系數(shù)：

受彎構(gòu)件的縱向受拉鋼筋應(yīng)力：

有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率：

根據(jù)計算，該深床濾池高懸臂壁板根優(yōu)化后底部截面厚度為400mm，且鋼筋直徑為20mm 間距125mm 可以滿足要求。

2.3 結(jié)構(gòu)方案確定

由于南京市某污水處理廠擴(kuò)建工程項(xiàng)目在老廠區(qū)里改造，用地緊張，通過有支撐設(shè)計，每個壁板的尺寸從900mm 降為400mm，單個壁板可縮小500mm 截面尺寸，總計共縮小5m。 由于該深床濾池采用有支撐設(shè)計，該種結(jié)構(gòu)單體在此廠區(qū)里得以實(shí)施。 故采用優(yōu)化設(shè)計方案。

3 支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 支撐形式確定

根據(jù)該池型的特點(diǎn)，利用該池型配水渠底板設(shè)計成水平臥梁，最外側(cè)壁板水平臥梁的尺寸為500mm ×1300mm，其余則為 500mm ×2200mm。由于該臥梁跨度較大，故設(shè)置支撐梁作為該臥梁的水平支座，該支撐梁在每個區(qū)格連續(xù)，但在每個單元處斷開。

該深床濾池存在分格運(yùn)行的工況，當(dāng)中間某個區(qū)格滿水運(yùn)行，該區(qū)格相鄰的兩個區(qū)格出現(xiàn)空池檢修工況，此時支撐處于最不利工況，而在這種工況下支撐處于受拉狀態(tài)，而本身支撐在自重的作用下處于受彎狀態(tài)，因此該支撐處于小偏心受拉的狀態(tài)，在抗震性能及破壞性能上，應(yīng)盡力避免小偏心受拉，因此必須通過利用預(yù)應(yīng)力將該種設(shè)計狀態(tài)轉(zhuǎn)化為偏心受壓構(gòu)件，改善受力。

3.2 支撐設(shè)計

預(yù)應(yīng)力對撐梁采用后張法無粘接預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)，混凝土強(qiáng)度等級為C40。 錨具：最外側(cè)一端采用張拉端BM 扁型錨具； 兩個單元之間由于空間受限，只能采用固定端 P 型錨具，采用QVM15 -4 系列型夾片式多孔錨具(有預(yù)壓)。 鋼絞線張拉控制應(yīng)力系數(shù)為0.7，該預(yù)應(yīng)力對撐梁位于污水處理池上方，裂縫控制等級為一級。

預(yù)應(yīng)力筋計算時，在最不利工況下，即分格試水工況，每根預(yù)應(yīng)力對撐梁所受到的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

經(jīng)過計算需要配置2 -4φS12.7 表示2 束每束4 根的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。 且還需對對撐梁進(jìn)行受壓驗(yàn)算，最終預(yù)應(yīng)力對撐梁的截面取為400mm×500mm，斷面配筋圖見圖6。

圖6 對撐梁的斷面配筋圖Fig.6 Sectional reinforcement diagram of the support beam

3.3 水平臥梁的計算

水平臥梁可以簡化為4 跨連續(xù)梁，且可不考慮活荷載最不利布置，根據(jù)受力分析，水平臥梁每延米所受到的荷載標(biāo)準(zhǔn)值即為壁板在該處每延米所受到的剪力標(biāo)準(zhǔn)值，且不考慮自重，即：

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池設(shè)計規(guī)程》(CECS 138：2002)[1]，水的荷載分項(xiàng)系數(shù)取為1.27，那該梁所受到的荷載設(shè)計值為：

該水平梁計算結(jié)果見圖7。

圖7 優(yōu)化設(shè)計水平臥梁Fig.7 Optimized design horizontal beam

4 經(jīng)濟(jì)性對比分析

采用懸臂板計算此種水池，需要采用壁板厚度為 900mm，鋼筋直徑為 25mm，布置間距125mm，每延米鋼筋配筋為3925mm2/m。 有支撐設(shè)計，采用壁板厚度為400mm，鋼筋直徑為20mm，布置間距125mm，每延米鋼筋配筋為2512mm2/m。每延米節(jié)約鋼筋用量大約為1413 mm2/m，節(jié)約混凝土量0.5m3。 通過對該水池的優(yōu)化設(shè)計，該單體預(yù)計可節(jié)約造價8 萬元。

5 結(jié)語

通過對南京市某污水處理廠擴(kuò)建工程項(xiàng)目中的深床濾池設(shè)計難點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計研究，得以在狹小的空間范圍內(nèi)施工，解決了實(shí)際問題，同時也降低了建造成本，對以后相類似的工程提供了很好的參考借鑒作用。