龍莉波 馬躍強 郭延義 富秋實 鄭金玉

1. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心 上海 200080

地下污水處理廠可以合理利用地下空間，節(jié)約土地資源，無臭氣、噪聲污染，對地面景觀影響較小乃至起促進作用等優(yōu)點逐漸展現(xiàn)，越來越多的污水處理廠傾向于地下式建設(shè)模式。地下式污水處理廠在國外具有悠久的發(fā)展歷史，在我國目前處于起步階段，具有良好的發(fā)展空間[1-2]。

目前，國內(nèi)外正在建設(shè)或已經(jīng)建成的地下污水處理廠基本采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆形式，施工現(xiàn)場需要進行大量的鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工作，施工質(zhì)量難以控制，同時造成建筑垃圾、環(huán)境污染等問題[3]。并且地下工程往往涉及深基坑，其施工對周圍環(huán)境影響非常大，尤其是降水、變形等對周圍地面沉降的影響極為嚴重，因此縮短施工周期對控制周邊環(huán)境改變有重要意義。而預(yù)制裝配式施工可以大大縮短工期，在地下空間進行預(yù)制裝配式施工不僅節(jié)約勞動力，還具備減小影響周邊環(huán)境的效果，因而預(yù)制裝配式技術(shù)在地下工程中迎來了新的發(fā)展機遇[4-5]。

地下污水處理廠往往由于預(yù)制墻體過高，預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量過大，對現(xiàn)有吊裝技術(shù)要求較高，施工難度較大，施工效率低下，施工質(zhì)量也無法保證；并且當(dāng)采用大跨度的預(yù)制屋面板時，同樣存在相同問題，全地下式污水處理廠建筑構(gòu)造及維護空間均設(shè)置在地下，上部要行駛重型車輛，普通疊合板難以滿足承載力要求。

目前我國地下結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配化進程還處于起步階段，地下污水處理廠項目在應(yīng)用現(xiàn)有的預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)體系時，存在預(yù)制構(gòu)件吊裝難，結(jié)構(gòu)性能無法保證，無法兼顧施工難度與施工效率等問題，亟需研發(fā)適用于地下污水處理廠的新型裝配式結(jié)構(gòu)體系以解決上述問題。

1 工程概況

竹園污水處理廠四期工程（圖1）位于上海浦東高東鎮(zhèn)，用地南至華東路、東至洲海路、西至規(guī)劃高東新路、北至外高橋船廠。本工程除AAO生物反應(yīng)池缺氧池區(qū)域采用裝配整體式結(jié)構(gòu)，其余構(gòu)筑物均采用現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配式區(qū)域長47.7 m，寬51 m，面積約2 400 m2。預(yù)制范圍包括墻、梁、板、觀察窗及電纜溝等結(jié)構(gòu)。

圖1 竹園污水處理廠

如圖2所示，預(yù)制墻體高度達到了9.1 m，墻厚度為0.5 m，若按1.5 m分幅來計算，每片預(yù)制墻體的質(zhì)量達到了17 t，存在如下問題：

圖2 結(jié)構(gòu)剖面示意

1）預(yù)制構(gòu)件吊裝難度大，最大預(yù)制隔墻質(zhì)量達17 t，預(yù)制構(gòu)件與基坑邊最大距離達75 m，機械選型困難，預(yù)埋件數(shù)量多，施工定位精度要求高。

2）預(yù)制構(gòu)件運輸及堆放難度大，周邊交通復(fù)雜，預(yù)制構(gòu)件運輸及堆放難度大。

3）施工安全隱患大，預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量過大，起吊機械半徑幅度過大，且對地基承載力要求高。

4）樓面跨度達到了8 m，并且結(jié)構(gòu)頂部需要行駛重型車輛，普通疊合板很難滿足承載力要求。

針對本工程預(yù)制裝配式整體結(jié)構(gòu)，以構(gòu)件質(zhì)量輕量化、節(jié)點形式簡單化、施工便捷化考慮，研發(fā)了適用于地下污水處理廠的新型結(jié)構(gòu)體系以解決上述問題。

2 新型地下裝配式結(jié)構(gòu)體系研發(fā)

基于超高性能混凝土連接的地下裝配式結(jié)構(gòu)體系由鋼板桁架雙面疊合剪力墻結(jié)合大跨度倒T疊合板而成。

2.1 鋼板桁架雙面疊合剪力墻

目前，預(yù)制鋼板桁架雙面疊合剪力墻的連接方式主要是通過空腔內(nèi)插筋，然后向空腔內(nèi)澆筑混凝土，將上下墻體連接成整體，預(yù)制構(gòu)件的精度和灌漿的施工質(zhì)量要求較高，不便于質(zhì)量檢測，并且上下墻體由于采用鋼筋間接搭接的形式，連接可靠性仍未得到保證。

如圖3、圖4所示，鋼板桁架雙面疊合剪力墻利用底部外伸墻肢鋼筋進行自承重，將鋼板桁架雙面疊合剪力墻體懸空，預(yù)留施工操作空間，上下鋼筋可采用超高性能混凝土（UHPC）短搭接澆筑或鋼筋綁扎普通混凝土澆筑的手段進行直接搭接，鋼板桁架雙面疊合剪力墻之間采用密拼形式拼裝，克服了傳統(tǒng)豎向構(gòu)件連接效率低、不便于檢測等問題，具有連接形式簡單，節(jié)約人力，搭接可靠，使預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震能力和快速施工的便利性。

圖3 鋼板桁架雙面疊合剪力墻

圖4 鋼板桁架雙面疊合剪力墻水平連接示意

2.2 高效大跨倒雙T疊合板

傳統(tǒng)薄板疊合板的預(yù)制薄板太薄，預(yù)制、運輸和吊裝都比較困難，且在施工安裝過程中需設(shè)置臨時支撐，極大地限制了疊合結(jié)構(gòu)的推廣使用。為了克服這種缺陷，故采用了預(yù)應(yīng)力倒T形疊合板代替疊合薄板，并且取消了次梁。

預(yù)應(yīng)力倒T形疊合板肋部厚度已達到疊合板的最終設(shè)計厚度，在施工過程中不需要安裝任何支撐，疊合面位于倒T形疊合板的翼緣部分。利用高強度鋼筋和高強混凝土形成高效預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板樓蓋，由工廠化制作成倒T形預(yù)應(yīng)力疊合式構(gòu)件，運至工程現(xiàn)場安裝，與現(xiàn)澆混凝土疊合成新型裝配整體式樓蓋結(jié)構(gòu)。

3 有限元計算分析

3.1 有限元模型建立

本節(jié)利用Abaqus有限元分析軟件對單片鋼板桁架雙面疊合剪力墻進行承載力驗算以及對整體結(jié)構(gòu)體系進行施工全過程有限元分析，混凝土強度等級C30，鋼筋型號為HRB400，混凝土采用損傷本構(gòu)模型，鋼筋選用理想彈塑性本構(gòu)模型。

HPB400鋼筋的彈性模量及泊松比按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015年版）中規(guī)定的設(shè)計值選取。

3.1.1 鋼板桁架雙面疊合剪力墻有限元分析

預(yù)制鋼板桁架雙面疊合剪力墻向內(nèi)空腔澆筑混凝土?xí)斐蓛蓚?cè)剪力墻受到側(cè)向擠壓力，在Abaqus軟件中使用殼單元（S4R）模擬雙面剪力墻，使用桁架單元（T3D2）模擬鋼筋，殼單元網(wǎng)格尺寸為100 mm，桁架單元網(wǎng)格尺寸為50 mm，在剪力墻底部施加固端約束，2片剪力墻內(nèi)側(cè)分別施加側(cè)向的三角形荷載模擬混凝土的側(cè)向擠壓力。

3.1.2 新型地下裝配式結(jié)構(gòu)體系有限元模擬

為了深入研究新型裝配式結(jié)構(gòu)體系的受力性能，建立整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，為了節(jié)省計算成本，選取2跨進行模擬，中間墻體為鋼板桁架雙面疊合剪力墻，兩側(cè)墻體為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

新型地下裝配式結(jié)構(gòu)體系中混凝土均采用C3D8R實體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元并嵌入混凝土中，實體單元網(wǎng)格尺寸為100 mm，桁架單元網(wǎng)格尺寸為50 mm，忽略鋼筋與混凝土二者之間的黏結(jié)滑移，考慮重力荷載和上部行車荷載，墻體下部施加固定端約束，樓面施加豎直向下的均布荷載。利用Abaqus的“生死單元技術(shù)”來模擬各個施工階段。整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。

圖5 整體結(jié)構(gòu)有限元模型

施工過程分為4個階段：第1階段首先將3片墻體施工完成；第2階段將PCB板吊裝完成；第3階段在PCB板上部鋪滿鋼筋并澆入混凝土面層；第4階段為正常使用階段，在樓面施加55 kN/m2行車荷載。

3.2 有限元計算結(jié)果分析

3.2.1 鋼板桁架雙面疊合剪力墻有限元結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，剪力墻在新澆混凝土側(cè)向擠壓力作用下的最大彎矩為4.6 kN·m，最大剪力60 kN。單片剪力墻的最大側(cè)向位移為0.3 mm。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》11.7節(jié)的規(guī)定，剪力墻的最大剪力承載力和最大彎矩承載力均要滿足規(guī)范要求。

3.2.2 新型地下裝配式結(jié)構(gòu)體系施工全過程有限元分析

第1階段結(jié)束時，2片墻體已完工，墻體在自身重力作用下豎向最大位移為0.08 mm。第2階段PCB板吊裝完畢后，PCB板受自身重力荷載作用，跨中最大位移為0.89 mm。第3階段樓面在自重與荷載作用下最大位移為1.34 mm。第4階段樓面在自重與行車荷載共同作用下跨中最大豎向位移為9.6 mm。

經(jīng)驗算，PCB板的鋼筋最大應(yīng)力為193.6 MPa，遠小于鋼筋的屈服應(yīng)力360 MPa，鋼筋處于彈性階段。PCB板混凝土受拉損傷主要集中在跨中下部，倒T梁部分混凝土未發(fā)生損傷?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》3.4.3節(jié)規(guī)定，跨度在7～9 m的樓板，撓度限值為跨度的1/300，本結(jié)構(gòu)中板的跨度為8 000 mm，撓度限值為8 000/300＝26.6 mm＞9.6 mm滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

為應(yīng)對日益稀缺的城市土地資源及滿足不斷提高的環(huán)保需求，污水處理廠建設(shè)開始尋求向下發(fā)展，開發(fā)利用地下空間。本文針對地下污水處理廠墻體高度過高，屋面板跨度過大特點，以構(gòu)件質(zhì)量輕量化、節(jié)點形式簡單化、施工便捷化考慮，研發(fā)了適用于地下污水處理廠的新型裝配式結(jié)構(gòu)體系。

1）采用有限元軟件建立了地下污水處理廠模型，驗證了該結(jié)構(gòu)體系強度和剛度能夠滿足規(guī)范要求。

2）基于超高性能混凝土連接的鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T板，解決現(xiàn)有的大跨度項目中因預(yù)制構(gòu)件尺寸過大，質(zhì)量過大，吊裝困難且無法兼顧施工難度與施工效率的問題。

最終形成1套施工環(huán)境較好、施工難度較低、施工效率較高的基于超高性能混凝土連接倒T板結(jié)合鋼板桁架雙面疊合剪力墻工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)體系，促進了地下工程的工業(yè)化發(fā)展。