扶壁柱框架结构在超深双层沉淀池中的应用

宋红玉 王宁

(天津市市政工程设计研究院 300392)

引言

近年来,随着污水处理厂用地指标控制越来越严格,单方水处理占地面积不断缩小,集约化、占地小的水处理构筑物越来越多,在容积不变的情况下只有通过加深池深或采用多层水池解决占地问题。对于生物反应池、接触池、矩形沉淀池等单向板水池,池壁弯矩计算值与池深的立方直接相关,池深的加深造成壁厚和投资的显著增加。对于超深单层水池,若能通过设置扶壁柱使单向板池壁转化为双向板,则可大大减小其内力,使结构受力更加明确、经济合理。本文对双层平流沉淀池进行介绍,并探讨如何利用扶壁柱框架结构来优化结构设计。

1 双层平流沉淀池简介

双层平流沉淀池是根据浅池理论从平流沉淀池发展起来的一种双层沉淀池,通过增加一层沉淀池底板,将原有的平流沉淀池分隔形成了两座较浅的平流沉淀池,从而提高了沉淀池的处理效率和去浊效果,沉淀池停留时间也可相应减少。由于增加了沉淀池的有效水深,双层沉淀池的池长得以缩短,占地面积可大大减少[1]。双层平流沉淀池在继承普通平流沉淀池优点的基础上,有效提高了处理效率,减少了占地面积,使建设用地较少的紧凑型水厂采用平流沉淀池成为可能,双层平流式沉淀池如图1 所示。

图1 双层平流沉淀池示意Fig.1 Double-deck horizontal sedimentation tank

2 扶壁柱在水池结构中的应用

带扶壁柱的水池结构如图2 所示,一般扶壁柱间距为(1/3 ～1/2)H(H为池高),扶壁柱厚度一般为扶壁柱间距的1/8 ～1/6。由于扶壁式水池结构为多向结构的组合,结构类型为空间结构,在墙身与扶壁柱内力计算时,一般采用简化的平面问题,按近似方法计算各个构件的弯矩和剪力[2]。扶壁柱通常按固接于底板的梁计算其内力,当侧墙壁板位于受压区时按T 型截面计算,位于受拉区时按矩形截面计算。

图2 扶壁柱示意Fig.2 Buttress column structure

扶壁柱承受相邻两跨墙面板中点之间的全部水平力,扶壁自重与作用于扶壁的竖直压力暂忽略不记。扶壁柱的计算有两种主要的荷载工况: 1)池内满水,池外无土; 2)池内无水,池外有土。

扶壁柱结构多应用在单层超深水池结构中,以水深9m 的敞口生物反应池为例,其外池壁为上端悬臂单向板,根部产生弯矩为每延米1215kN·m,如此大的弯矩即使采用配置并筋的方式,其根部壁厚仍达到1.2m 左右,这个方案并不是一个经济的做法; 若外池壁设置扶壁柱,间距4m 左右,则池壁弯矩减小至120kN·m,壁厚可减小至0.4m 左右。按纵向4m 长一段池壁计算,悬臂方案(池壁厚度由根部1.2m 变至顶部0.4m) 钢筋混凝土用量为25.6m3,扶壁柱方案(池壁厚0.4m,扶壁柱截面高度由根部2m 变至顶部0.8m)钢筋混凝土用量为19.8 m3,总混凝土量减小22.7%,可见扶壁柱方案更加经济合理。

3 工程案例

3.1 工程概况

某污水处理厂工程位于大连市,建设规模为12 万t/d,出水水质达到一级A 排放标准,主体工艺采用“多级AO(改良A2O)生物池+双层矩形沉淀池+磁混凝澄清池+转盘滤池”组合工艺。针对处理规模,该工程选址用地面积非常紧张,占地面积约3.27hm2,折合吨水占地仅为0.273m2/ m3。

3.2 扶壁柱框架结构

该工程二沉池采用矩形双层平流沉淀池,总长70m,宽47.4m,共分6 格,内墙存在一侧有水工况,图3、图4 为该沉淀池平面和剖面示意,沉淀池分上下两层,池顶设框架结构检修车间。图4a 横剖面中可见,上下两层沉淀池之间通过两侧渠道连通,因此需要解决两个问题,一是为中间层悬空板设置支座,二是池壁均为顶端悬臂结构,水深8.45m ～9m,按悬臂板设计壁厚太厚不经济。鉴于以上因素,采用扶壁柱框架结构设计方案,在池壁上设置扶壁柱,对应位置设置框架梁对扶壁柱形成有效支撑,同时利用支撑梁作为中间悬空板支座,解决上述两个问题。

图3 双层沉淀池局部平面示意(单位： mm)Fig.3 Plan of double-deck sedimentation tank (unit: mm)

图4 双层沉淀池剖面示意(单位： mm)Fig.4 Section of double-deck sedimentation tank (unit: mm)

目前该沉淀池已建成并投入使用,运行效果稳定,结构安全可靠,图5 为其通水实景。该沉淀池采用扶壁柱框架方案具有以下优势:

(1)池壁由悬臂单向板变为双向板内力大为减小,壁厚从1.2m 减小至0.6m;

(2)扶壁柱顶端和中部设置支撑框架梁对扶壁柱进行支撑减小扶壁柱内力,扶壁柱底端设置暗梁传递柱底弯矩形成封闭框架结构,受力明确、经济合理;

(3)中层支撑框架梁作为中层悬空板支座将荷载传给扶壁柱。

图5 双层沉淀池通水实景Fig.5 Double-deck sedimentation tank under operation

3.3 结构方案对比

表1 就该工程双层沉淀池扶壁柱框架结构方案和普通悬臂单向侧墙板方案进行了对比。因上部柱网和工艺流程限制,侧墙顶端最小壁厚600mm。扶壁柱框架结构方案墙厚600mm,外墙扶壁柱尺寸800mm×1200mm,内墙扶壁柱尺寸800mm×1800mm,墙高9.65m ～9.9m,扶壁柱间距6.25m,底板厚度1000mm; 悬臂单向侧墙板方案墙厚从底端1200mm 过渡至顶端600mm,平均厚度900mm,墙高9.65m ～9.9m,底板厚度1400mm。由于本工程池外土荷载较小,内力均按池内有水池外无土工况计算,最深水深9m。结构方案比选表中混凝土用量和投资计算仅考虑变形缝以左侧墙和底板部分,投资计算已考虑扶壁柱框架结构方案含钢量高于悬臂单向侧墙板的情况。

表1 结构方案对比Tab.1 Structural plan comparison

从表1 可以看出,对比悬臂单向侧墙板方案,扶壁柱框架结构方案侧墙内力大幅减小,侧墙和底板钢筋混凝土用量减小24%,投资从810万减小至640 万,降低21%,可见该工程双层沉淀池采用扶壁柱框架结构方案更加经济合理。

4 结语

1.相对普通平流沉淀池而言,双层平流沉淀池具有处理效率更高、占地面积更小的特点,适用于建设用地较为紧张的水处理工程。

2.对于超深单层水池,若能通过设置扶壁柱使单向板池壁转化为双向板,则可大大减小其内力,使结构经济合理。

3.双层平流沉淀池可采用扶壁柱框架结构优化结构设计,使结构受力明确,满足工艺流程要求。