楊路 左其剛 劉貴 祝年虎
中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 成都 610081
近年來(lái),隨著建設(shè)用地越來(lái)越緊張,在凈水廠和污水廠的建設(shè)中,人們開(kāi)始探索疊合水池的應(yīng)用和推廣,并且已經(jīng)擁有很多成功的工程實(shí)例。黃志萍[1]通過(guò)工程實(shí)例介紹了疊合式水池的設(shè)計(jì)思路;丁大鈞[2]結(jié)合工程實(shí)例介紹了多層水池的前景;吳晨旭[3]等通過(guò)Midas軟件分析了雙層水池的計(jì)算方法。到目前為止,缺少對(duì)下部導(dǎo)流墻布置形式及導(dǎo)流墻截面對(duì)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(shè)計(jì)時(shí),不同導(dǎo)流墻布置形式及導(dǎo)流墻截面厚度改變對(duì)池體內(nèi)力的影響。
雙層疊合水池在各類(lèi)凈水廠和污水廠中被廣泛應(yīng)用,凈水廠項(xiàng)目中沉淀池與清水池的疊建、污水廠項(xiàng)目中濾池與消毒接觸池的疊建是較為常見(jiàn)的雙層疊合水池布置形式。上部沉淀池或?yàn)V池的布置方式與單層水池基本一致,下部水池通常為導(dǎo)流墻布置的清水池或消毒接觸池。本文主要研究下部導(dǎo)流墻不同布置形式及導(dǎo)流墻厚度改變對(duì)池體內(nèi)力的影響情況。
導(dǎo)流墻與上部水池中隔墻等厚度同向布置為最常見(jiàn)的布置形式,上部水池在一格滿(mǎn)水一格空狀態(tài)時(shí),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(dǎo)流墻,上下層水池分隔中板作為中部支撐點(diǎn)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(dǎo)流墻厚度也取0.6m,中板厚度取0.5m。
圖1 下部導(dǎo)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(mǎn)水一格空時(shí),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(dǎo)流墻,這樣受力明確。但經(jīng)SAP2000有限元板殼單元建模分析計(jì)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(shí),絕大部分彎矩由中板平衡。下部導(dǎo)流墻即使厚度與上部受力隔墻一致,分?jǐn)偟膹澗匾卜浅P ?/p>
圖2 內(nèi)水工況一格滿(mǎn)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(jì)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(qián)方向最大正彎矩為280kN·m,最大負(fù)彎矩為-150kN·m。因下部接觸池導(dǎo)流墻兩側(cè)無(wú)水壓差,因此水平向內(nèi)力計(jì)算在各種疊建模式下均無(wú)變化;經(jīng)計(jì)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(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)[4]假定的單向板凈力計(jì)算結(jié)果略小20%左右。這個(gè)計(jì)算結(jié)果經(jīng)分析是可以采用的,有限元計(jì)算時(shí)即使長(zhǎng)高比大于3,一般計(jì)算結(jié)果在單向板和雙向板之間,當(dāng)長(zhǎng)高比大于5時(shí),有限元計(jì)算結(jié)果基本與手冊(cè)查表計(jì)算結(jié)果一致。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知,中板對(duì)上部濾池壁板有較強(qiáng)的嵌固作用。
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知,上部濾池隔墻彎矩基本上不往下部導(dǎo)流墻傳遞,因此減小下部接觸池導(dǎo)流墻厚度的布置方式似乎可行,下層水池的導(dǎo)流墻按構(gòu)造壁板考慮。如圖3所示,僅將下部接觸池導(dǎo)流墻厚度改為0.3m。
圖3 下部導(dǎo)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(jì)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(qián)方向最大正彎矩為288kN·m,最大負(fù)彎矩為-172kN·m。經(jīng)計(jì)算可知,下部接觸池壁厚變薄對(duì)上部濾池壁板及中板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果影響可忽略不計(jì),中板對(duì)上部濾池壁板嵌固作用明顯。
圖4 內(nèi)水工況一格滿(mǎn)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)
下部導(dǎo)流墻與上部水池中隔墻垂直布置形式也較為常見(jiàn),經(jīng)前述兩種模型計(jì)算分析可知,上下層水池之間中板對(duì)上部濾池壁板嵌固作用非常明顯,故下層水池的導(dǎo)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(dǎo)流墻厚度取0.3m,中板厚度取0.5m。
圖5 下部導(dǎo)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(jì)算可知,如圖6所示。上部濾池壁板彎矩與前述模型計(jì)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(dǎo)流墻對(duì)中板的支承作用較為明顯,因此中板內(nèi)力比前述模型計(jì)算結(jié)果均小,如圖7所示。中板X(qián)方向?qū)?yīng)濾池壁板根部處最大負(fù)彎矩為-245kN·m,跨中最大彎矩為40kN·m;中板Y方向最大負(fù)彎矩為-113kN·m,跨中最大彎矩為78kN·m。下部接觸池導(dǎo)流墻因無(wú)水壓差,內(nèi)力均較小,可忽略不計(jì)。
圖6 內(nèi)水工況一格滿(mǎn)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(mǎn)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(dǎo)流墻與上部水池中隔墻垂直方向布置對(duì)上層水池內(nèi)力計(jì)算影響甚微,但對(duì)中板內(nèi)力計(jì)算更為有利,且往往該方式布置導(dǎo)流墻更利于工藝流程走向。
綜上可知,當(dāng)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(dǎo)流墻布置方式及壁厚發(fā)生改變時(shí),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(dǎo)流墻,下部導(dǎo)流墻沒(méi)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(dǎo)流墻布置方式不影響上部水池受力隔墻內(nèi)力,但對(duì)中板內(nèi)力影響較大,當(dāng)下部導(dǎo)流墻垂直上部受力隔墻布置時(shí),對(duì)中板受力更為有利。
本文通過(guò)對(duì)不同導(dǎo)流墻布置形式的雙層疊合水池內(nèi)力分析研究,以及對(duì)已建成運(yùn)營(yíng)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(qiáng)的推廣作用。